Nghiên cứu tìm hieur về thiết bị lưu trữ dữ liệu theo nguyên lý bán dẫn

Từ những ngày đầu của máy tính, khi các dữ liệu được lưu trữ bằng cách sử dụng các phương tiện vật lý cồng kềnh, đến sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị lưu trữ nhỏ gọn và công ng

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội Khoa Công Nghệ Thông Tin

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại của sự bùng nổ Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông, vai trò của chiếc vi máy tính trở nên cực kỳ quan trọng, đặc biệt là với sự xuất hiện của thiết

bị lưu trữ SSD – một thành phần không thể thiếu trong hệ thống máy tính hiện đại SSD, viết tắt của Solid State Drive, không chỉ là một công cụ lưu trữ dữ liệu, mà còn

là trái tim của hiệu suất máy tính

Từ những năm 70-80 của thế kỷ XX đến ngày nay, công nghệ lưu trữ đã trải qua

sự phát triển mạnh mẽ, điều này thể hiện rõ trong cuộc cách mạng từ ổ cứng cơ học truyền thống đến SSD, mang theo những cải tiến đáng kể về tốc độ, độ tin cậy, và hiệu suất

Chúng em, nhóm nghiên cứu, đã tập trung tìm hiểu về thiết bị lưu trữ dữ liệu theo nguyên lý bán dẫn, hay còn gọi là SSD Đề tài này không chỉ giúp chúng em mở rộngkiến thức về công nghệ lưu trữ mà còn đưa ra cái nhìn chi tiết về cách SSD đóng gópvào sự tiện lợi và hiệu quả của máy tính

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy Nguyễn Thanh Hải

vì sự hướng dẫn và động viên không ngừng trong quá trình nghiên cứu và thực hiện

đề tài này Sự tận tâm của thầy đã giúp chúng em vượt qua những thách thức và đặt

ra những bước tiến quan trọng trong hành trình khám phá về thế giới hấp dẫn của lưutrữ SSD

Mục Lục

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ LƯU TRỮ DỮ LIỆU THEO NGUYÊN LÝ

BÁN D숃̀N 1

1 Lịch sử phát triển của thiết bị lưu trữ dữ liệu 1

a Punched card 1

b Drum memory 1

c Univac I 1

d IBM 350 2

e Đĩa mềm 2

f IBM 3380 2

g Đĩa quang DVD 3

h USB 3

i HDD 3

j SDD 3

2 Định nghĩa thiết bị lưu trữ dữ liệu theo nguyên lý bán dẫn và các loại thiết bị lưu trữ dữ liệu cơ bản 4

a) Định nghĩa thiết bị lưu trữ dữ liệu theo nguyên lý bán dẫn 4

b) Các loại thiết bị lưu trữ dữ liệu cơ bản 4

3 Các khái niệm cơ bản trong lĩnh vực SSD 5

a) SRAM 5

b) DRAM 5

c) FLASH 6

4 Ưu điểm của SSD 6

5 Nhược điểm của SSD 6

a) Giá cả đắt đỏ 6

b) Dung lượng thấp 7

c) Tuổi thọ 7

CHƯƠNG 2 - TÌM HIỂU VỀ C숃ĀU T䄃⌀O V䄃 ĐỘNG THIẾT BỊ LƯU TRỮ SSD 8

1 Cấu tạo của SSD 8

a Chip điều khiển 8

b Chip bộ nhớ (DRAM, NAND Flash) 9

c Chip đệm 10

d Giao diện 11

2 Bộ nhớ NAND flash trong SSD 11

3 Phân loại và thông số kỹ thuật của SSD 12

a) SSD 2.5 SATA 13

b) SSD mSATA 13

c) SSD M.2 (M.2 SATA và M.2 PCie) 13

d) Ổ cứng SSD NVMe 13

4 Nguyên lý hoạt động của SSD 14

a) Nguyên lý hoạt động 14

b) Hiệu suất của SSD, Đọc ghi dữ liệu trong SSD 15

+ So sánh ổ cứng SSD và HDD 16

CHƯƠNG 3 - TÌM HIỂU CÁCH SỬ D唃⌀NG C唃ऀA THIẾT BỊ LƯU TRỮ SSD 17

1 Cách kiểm tra máy tính sử dụng ổ SSD hay không 17

- Cách kiểm tra ổ cứng SSD hay HDD bằng Task Manager 17

2 Những dấu hiệu chứng tỏ nên thay ổ SSD 17

3 Tuổi thọ của ổ SSD 19

4 Cách cài đặt và sử dụng ổ SSD cho laptop 19 KẾT LUẬN B䄃

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ LƯU TRỮ DỮ LIỆU THEO

NGUYÊN LÝ BÁN D숃̀N

1 Lịch sử phát triển của thiết bị lưu trữ dữ liệu.

Từ những ngày đầu của máy tính, khi các dữ liệu được lưu trữ bằng cách sử dụng các phương tiện vật lý cồng kềnh, đến sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị lưu trữ nhỏ gọn và công nghệ đám mây hiện đại, chúng ta đã chứng kiến sự thay đổi khôngngừng trong cách chúng ta lưu trữ và quản lý thông tin

a Punched card

Thẻ đục lỗ được biết vào năm 1725 để kiểm soát khung dệt may Joseph Marie Jacquard đã sử dụng thẻ đục lỗ để tạo ra một bức chân dung tự họa dệt bằng lụa vào những năm 1800 Các thẻ sau đó được sử dụng để lưu trữ và tìm kiếm thông tin Sau

đó vào năm 1890, Herman Hollerith đã phát triển một phương pháp để máy móc ghi lại và lưu trữ thông tin trên thẻ đục lỗ được sử dụng cho cuộc điều tra dân số Hoa Kỳ Sau đó, ông thành lập công ty mà chúng ta gọi là IBM Có thể hiểu thẻ đục lỗ là tiền thân của thẻ nhớ hiện nay

bộ lưu trữ thứ cấp, như các ổ lưu trữ trống của IBM

Tuy nhiên, trống sau đó được thay thế bằng bộ nhớ lõi từ, mang lại sự cân bằng tốt hơn về kích thước, tốc độ, chi phí, độ tin cậy và tiềm năng cải tiến Cuối cùng, trống bịthay thế bởi ổ đĩa cứng cho lưu trữ thứ cấp, với cả hai loại thiết bị đều rẻ hơn và cung cấp dung lượng lưu trữ dày đặc hơn Việc sản xuất trống đã dừng lại vào những năm 1970

c Univac I

UNIVAC I (Universal Automatic Computer I) là thiết kế máy tính kỹ thuật số

điện tử đa năng đầu tiên cho ứng dụng kinh doanh được sản xuất tại Hoa Kỳ vào năm

1951 UNIVAC I là máy tính đầu tiên của Mỹ được thiết kế ngay từ đầu cho mục đích kinh doanh và hành chính với việc thực hiện nhanh các hoạt động số học và vận

chuyển dữ liệu tương đối đơn giản, trái ngược với các phép tính số phức tạp cần thiết của máy tính khoa học

chứa hệ điều hành, dùng để khởi động một phiên làm việc trên nền DOS

Ngày nay đĩa mềm thường ít được sử dụng bởi chúng có nhược điểm: dung lượng lưu trữ thấp và dễ bị hư hỏng theo thời gian bởi các yếu tố môi trường Các loại thẻ nhớ giao tiếp qua cổng USB và các thiết bị lưu trữ bằng quang học (đĩa CD, DVD ) đang thay thế cho đĩa mềm

f IBM 3380

IBM 3380, thiết bị lưu trữ truy cập trực tiếp, được giới thiệu vào năm 1980 với dung lượng đơn vị là 52,630 gigabyte và tốc độ truyền dữ liệu 16 megabyte mỗi giây

Giá mua dao động từ $142,000 đến $200,000 Có vấn đề ma sát, khiến các đơn vị đầu tiên không xuất xưởng cho đến tháng 48 năm Năm 1985, IBM công bố phiên bản mật

độ kép (Model 5 E) với dung lượng 04,1 gigabyte trên mỗi khung Phiên bản dung lượng cao 3380 K, công bố vào tháng 7 năm 1987, đạt 562.1 gigabyte trên mỗi khung

g Đĩa quang DVD

Đến năm 1995 xuất hiện đĩa quang DVD với khả năng lưu bất kì một dạng dữ liệu

kĩ thuật số nào DVD cung cấp dung lượng lưu trữ cao hơn với 4.7gb trên một mảng mảng đĩa Đến năm 2000 HD DVD được ra mắt, với công nghệ sử dụng tia laze xanh với bức sóng nhỏ hơn cho phép đĩa blu-ray có dung lượng cao gấp 5 lần đĩa DVD thường, khoảng 25gb Trong khoảng thời gian dài, DVD và Blu-ray là sự lựa chọn hàng đầu của những video chất lượng cao cho đến khi dần bị ổ HDD thay thế

i HDD

Công nghệ ổ cứng HDD có lịch sử lâu dài, bắt đầu từ IBM 350 RAMAC (1956) với 50 đĩa rộng 24-inch, lưu trữ chỉ 3.75MB Xuất hiện trong chính phủ và doanh nghiệp, ổ cứng này trở nên lỗi thời vào năm 1969 Trong những năm 1980, ổ cứng PC tiêu chuẩn hóa với các loại 5,25-inch và 3,5-inch cho máy tính để bàn, cũng như 2,5-inch cho máy tính xách tay Giao diện cáp nội bộ thay đổi từ Serial đến IDE, SCSI, và cuối cùng là SATA, giữ nguyên ý tưởng kết nối ổ cứng với bo mạch chủ để xử lý dữ liệu

j SDD

Các ổ cứng SSD xuất hiện từ thế hệ bộ nhớ flash đầu tiên và trở nên phổ biến thôngqua dòng netbook vào cuối những năm 2000 Ổ cứng SSD dung lượng 1GB xuất hiện vào năm 2007, đặc biệt trên máy Asus Eee PC 700 Ban đầu, chúng được tích hợp trêncác thiết bị cấu hình thấp và có kích thước ổ cứng 2,5-inch Dung lượng SSD tăng theothời gian để đáp ứng nhu cầu của netbook, Ultrabook, và máy tính xách tay, và cuối cùng được chuẩn hóa trên ổ cứng 2,5-inch Ngày nay, các loại ổ cứng SSD khác nhau xuất hiện, nhưng ổ cứng SSD 2,5-inch vẫn được sử dụng rộng rãi, với dung lượng lớn nhất là 4TB Dự kiến trong tương lai, dung lượng của chúng sẽ tiếp tục tăng lên, thay thế hoàn toàn ổ đĩa HDD

2 Định nghĩa thiết bị lưu trữ dữ liệu theo nguyên lý bán d̀n và các loại thiết bị lưu trữ dữ liệu cơ bản.

a) Định nghĩa thiết bị lưu trữ dữ liệu theo nguyên lý bán d̀n

SSD (Solid-State Drive) Ổ đĩa trạng thái rắn, SSD là một loại thiết bị lưu trữ dữ

liệu không sử dụng các bộ phận cơ khí như ổ cứng cơ khí (HDD) Thay vào đó, SSD

sử dụng bộ nhớ flash NAND để lưu trữ dữ liệu

HHD (Hard Disk Drive) ổ cức hoạt động bằng cơ HDD sử dụng các đĩa quay vật

lý được gọi là platter để lưu trữ dữ liệu Các dữ liệu được ghi và đọc từ các platter này bằng đầu đọc/ghi di động HDD thường có kích thước 3.5 inch hoặc 2.5 inch và có dung lượng lưu trữ lớn, từ vài gigabyte (GB) đến vài terabyte (TB) hoặc hơn

HDD và SSD là hai loại thiết bị lưu trữ dữ liệu khác nhau HDD sử dụng đĩa quay vật lý để lưu trữ dữ liệu, tốc độ chậm hơn và dễ hỏng SSD sử dụng bộ nhớ flash, tốc

độ nhanh hơn và độ tin cậy cao hơn

b) Các loại thiết bị lưu trữ dữ liệu cơ bản.

 Ổ cứng cơ khí (Hard Disk Drive - HDD): HDD sử dụng đĩa quay vật lý để lưu trữ

dữ liệu Dữ liệu được lưu trên các đĩa có thể quay ở tốc độ cao HDD thường có dung lượng lớn và giá trị thấp hơn so với SSD, nhưng chậm hơn trong việc truy cập dữ liệu

 Ổ cứng SSD (Solid State Drive - SSD): SSD sử dụng bộ nhớ flash NAND để lưu trữ dữ liệu Chúng nhanh hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn và không bị ảnh hưởng bởi sốc và rung động SSD thường được sử dụng trong máy tính cá nhân, máy tínhxách tay và máy chủ để cải thiện hiệu suất.

 Ổ cứng Hybrid (Hybrid Drive): Đây là một kết hợp của HDD và SSD trong cùng một thiết bị Một phần của ổ đĩa là SSD để tăng tốc độ truy cập dữ liệu quan trọng,trong khi phần còn lại là HDD để lưu trữ dữ liệu lớn hơn Điều này cải thiện hiệu suất so với HDD truyền thống nhưng không đạt được sự tốc độ cao như SSD đầy đủ

 Ổ đĩa quang (Optical Drive): Bao gồm CD, DVD và Blu-ray drives, được sử dụng

để đọc và ghi dữ liệu trên các đĩa quang Tuy nhiên, chúng đã trở nên ít phổ biến hơn do sự phát triển của lựa chọn lưu trữ dữ liệu khác như USB và dịch vụ lưu trữ đám mây

 Thẻ nhớ (Memory Cards): Thẻ nhớ là các thiết bị nhỏ gọn sử dụng trong các máy ảnh, máy quay video, điện thoại di động và máy tính để lưu trữ dữ liệu như hình ảnh, video và tệp tin

 USB Flash Drive: Còn được gọi là USB stick hoặc thumb drive, đây là các thiết bị lưu trữ di động nhỏ gọn sử dụng kết nối USB để truy cập và lưu trữ dữ liệu USB flash drive rất phổ biến và tiện lợi trong việc chia sẻ dữ liệu giữa các máy tính và thiết bị

3 Các khái niệm cơ bản trong lĩnh vực SSD.

SSD được trang bị các bộ nhớ bán dẫn như SRAM, DRAM hay FLASH

a) SRAM

SRAM là Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh hay RAM tĩnh SRAM lưu giữ các bit

dữ liệu trong bộ nhớ miễn là nguồn điện được cung cấp đầy đủ Không giống nhưDRAM, lưu bit dữ liệu trong các pin chứa tụ điện và bóng bán dẫn, SRAM không cầnphải làm tươi theo định kỳ

SRAM thường được sử dụng bên trong CPU vì tốc độ cao, SRAM cũng được sửdụng như bộ nhớ cache và bộ nhớ chính trong các máy chủ để có hiệu năng tốt nhất

b) DRAM

DRAM là viết tắt của Dynamic random-access memory (Bộ nhớ truy cập ngẫunhiên động hay RAM động), một loại bộ nhớ được sử dụng rộng rãi trên các hệ thốngmáy tính như là bộ nhớ chính Xét về công suất, nó có thể đạt được 8GB cho mỗi chiptrong IC hiện đại

RAM truyền thống trên máy tính đều là DRAM Những máy tính mới hơn sử dụngDDR để nâng cao hiệu suất.

c) FLASH

Bộ nhớ flash là loại bộ nhớ máy tính không mất dữ liệu khi mất nguồn điện, có khảnăng xóa và lập trình lại Có hai loại chính là NAND và NOR, cấu thành từ các cổng logic Bộ nhớ flash kiểu NAND thực hiện ghi và đọc theo từng khối, trong khi kiểu NOR thực hiện theo từng từ hoặc byte Khác biệt với EPROM, không cần xóa trước khi ghi lại

4 Ưu điểm của SSD.

SSD có nhiều ưu điểm so với ổ đĩa cứng truyền thống (HDD), bao gồm:

 Tốc độ đọc/ghi nhanh hơn: SSD có thể đọc và ghi dữ liệu nhanh hơn rất

nhiều so với HDD, giúp tăng tốc độ khởi động hệ thống, tải ứng dụng và truy cập dữ liệu

 Không có bộ phận chuyển động: SSD không có bộ phận chuyển động như

HDD, do đó ít bị hỏng hóc và có tuổi thọ cao hơn

 Không gây tiếng ồn: SSD không tạo ra tiếng ồn như HDD, giúp giảm tiếng ồn

5 Nhược điểm của SSD.

Nhìn chung thì SSD có 2 nhược điểm Giá đắt, dung lượng thấp

a) Giá cả đắt đỏ

Giá cả của SSD hơn rất nhiều so với HHD nếu so về dung lượng lưu trữ Thông thường nếu chọn 1 bộ nhớ khoảng 500gb thì với HHD giá khoảng 1.4 tr nhưng với SSD thì nó có thể gấp 3-4 lần

b) Dung lượng thấp

Với cùng một giá tiền thì HHD sẽ có dung lượng lớn hơn SSD rất nhiều và HHDchỉ kém hơn SSD về tốc độ đọc, viết SSD dung lượng cao giá cả cũng khá đắt, nókhông phù hợp cho người phải lưu trữ dữ liệu nhiều

c) Tuổi thọ

Tuổi thọ của SSD sẽ tỉ lệ nghịch với tốc độ của SSD Nếu SSD có tốc độ cao mà cỡnhỏ tốc độ tăng lên thì lượng dữ liệu ghi xóa cũng nhỏ hơn do đó dẫn đến việc hỏng của SSD

CHƯƠNG 2 - TÌM HIỂU VỀ C숃ĀU T䄃⌀O V䄃

HO䄃⌀T ĐỘNG THIẾT BỊ LƯU TRỮ SSD

1 Cấu tạo của SSD.

 Chip điều khiển

 Chip bộ nhớ (DRAM, NAND Flash)

 Chip đệm

 Giao diện

a Chip điều khiển

Chip điều khiển chịu trách nhiệm quản lý toàn bộ hoạt động của SSD Nó điều phối việc đọc và ghi dữ liệu

- CPU (Central Processing Unit): Chip điều khiển thường tích hợp một CPU hoặc

vi xử lý đặc biệt (embedded processor) để thực hiện các nhiệm vụ quản lý CPU

xử lý các yêu cầu đọc/ghi từ máy tính và quản lý các tác vụ bên trong ổ đĩa

- RAM (Random Access Memory): Chip điều khiển thường sử dụng bộ nhớ RAM như DRAM để tạo bộ đệm dữ liệu RAM này được sử dụng để lưu trữ thông tin quản lý, bản đồ của các block NAND, và để tăng cường tốc độ đọc/ghi dữ liệu bằng cách lưu trữ dữ liệu tạm thời

- Firmware: Firmware là phần mềm tích hợp sâu trong chip điều khiển, chịu trách nhiệm cho việc thực hiện các chức năng quản lý và điều khiển của SSD Firmware này được cập nhật và nâng cấp để cải thiện hiệu suất và sửa lỗi

- Cache: SSD thường có một loại bộ đệm tạm thời được tích hợp trong chip điều khiển, ngoài RAM, để tăng cường tốc độ đọc/ghi dữ liệu Các dữ liệu thường đượclưu trữ trong cache trước khi được ghi vào hoặc đọc từ NAND Flash

- Circuitry (Mạch điện): Bên trong chip điều khiển, có các mạch điện để kết nối vàđiều khiển các chip NAND Flash, quản lý giao tiếp với giao diện (ví dụ: SATA, PCIe, NVMe), và điều khiển các yếu tố khác của hoạt động SSD

- Bộ nguồn: Chip điều khiển cần một nguồn điện để hoạt động SSD sử dụng điện

áp thấp, nhưng nguồn điện này cần được cung cấp liên tục để duy trì hoạt động ổ đĩa

b Chip bộ nhớ (DRAM, NAND Flash)

- Chip DRAM thường được sử dụng để làm bộ đệm cho các hoạt động đọc/ghi trênSSD Nó giúp tăng tốc độ truy cập dữ liệu và quản lý dữ liệu đang được hoạt động.DRAM thường được sử dụng bởi chip điều khiển để tạo bản đồ của các block trênNAND Flash và lưu trữ các thông tin quản lý.

- Chip bộ nhớ NAND Flash : Đây là nơi lưu trữ dữ liệu thực tế trên SSD Có nhiều loạiNAND Flash khác nhau, bao gồm NAND SLC, MLC, TLC và QLC với mỗi loại cócác đặc điểm về tốc độ và độ tin cậy khác nhau

+ DRAM (Dynamic Random Access Memory)

Mục đích: Chip DRAM được sử dụng làm bộ đệm (cache) trong SSD để tăngtốc độ đọc và ghi dữ liệu Nó lưu trữ các thông tin quản lý, bản đồ của cácblock NAND, và các dữ liệu tạm thời

Tính chất: DRAM là một loại bộ nhớ tạm thời nhanh, có khả năng truy xuấtngẫu nhiên rất nhanh Nó thường có dung lượng nhỏ hơn so với NAND Flashtrong một SSD, nhưng hoạt động với tốc độ cao hơn

Loại DRAM: Có nhiều loại DRAM, chẳng hạn như DDR3, DDR4, DDR5, tùythuộc vào mô hình và cấu hình cụ thể của SSD

+ NAND Flash Memory

Mục đích: NAND Flash là nơi lưu trữ dữ liệu thực tế trong SSD Nó chứa cácfile, ứng dụng, hệ điều hành, và các dữ liệu khác

Tính chất: NAND Flash là một loại bộ nhớ không bay hơi (non-volatilememory) có khả năng lưu trữ dữ liệu lâu dài mà không yêu cầu nguồn điện.NAND Flash có nhiều loại, bao gồm SLC, MLC, TLC, QLC, v.v., dựa trên sốlượng bit mà mỗi ô lưu trữ được, và từ đó, chúng có đặc điểm về tốc độ và độtin cậy khác nhau.

Số lượng lớp (Cell Level):

o SLC (Single-Level Cell): Mỗi ô lưu trữ 1 bit dữ liệu

o MLC (Multi-Level Cell): Mỗi ô lưu trữ nhiều hơn 1 bit dữ liệu (thường 2 bit)

o TLC (Triple-Level Cell): Mỗi ô lưu trữ 3 bit dữ liệu

o QLC (Quad-Level Cell): Mỗi ô lưu trữ 4 bit dữ liệu

Các loại NAND Flash khác nhau có hiệu suất và tuổi thọ khác nhau, với SLC thường nhanh và bền hơn so với QLC, nhưng cũng đắt đỏ hơn

c Chip đệm

Ngoài DRAM, một số SSD cũng có một loại đệm nhỏ khác để tăng cường tốc độ đọc/ghi dữ liệu Các loại đệm này có thể sử dụng NAND Flash hoặc DRAM, tùy thuộcvào mô hình cụ thể của SSD

 DRAM Cache (Dynamic Random Access Memory): Một số SSD sử dụng DRAM làm bộ đệm chính để lưu trữ dữ liệu tạm thời DRAM cache được sử dụng để tăng tốc độ đọc và ghi dữ liệu, lưu trữ các thông tin quản lý và bản đồ của các block NAND DRAM cache là nhanh và hiệu quả vì khả năng truy xuất dữ liệu nhanh chóng và linh hoạt của DRAM

 NAND Flash Cache: Một số SSD có thể sử dụng NAND Flash lưu trữ dữ liệu tạm thời, giúp tăng hiệu suất Tuy nhiên, NAND Flash cache thường chậm hơnDRAM và có thể gây ra sự suy giảm hiệu suất trong một số tình huống

 SLC Cache (Single-Level Cell): Một số SSD, đặc biệt là các ổ đĩa SSD cao cấp, có thể sử dụng một phần của NAND Flash với SLC (Single-Level Cell)

để tạo ra một loại cache đặc lưu trữ một bit dữ liệu trên mỗi ô, nhanh hơn so với NAND Flash multi-level cell (MLC, TLC, QLC)