Bộ nhớ flash - loại bộ nhớ trong thẻ SD, ổ đĩa cứng trạng thái rắn và điện thoại thông minh của bạn - hoạt động bằng cách có một loạt các bóng bán dẫn cổng nổi, được gán giá trị tính phí là "bật" và "tắt" (1 và 0). Các khối bộ nhớ này sau đó được sắp xếp theo bố cục hai chiều, cạnh nhau. Khi công nghệ đã được cải thiện, nó đã có thể phù hợp với nhiều khối bộ nhớ hơn vào một lần chết duy nhất, dẫn đến bộ nhớ flash dung lượng cao hơn. Show Định luật Via Moore, lý tưởng điều này có nghĩa là cứ hai năm một lần, số lượng bóng bán dẫn sẽ tăng gấp đôi, cho phép mật độ lưu trữ tăng lên. Khối bộ nhớ đơn cấp (SLC) với mỗi khối chỉ lưu được 1 bit, bù lại là cho phép thực thi ghi đọc với tốc độ nhanh hơn và cũng bền hơn. Trong khi khối bộ nhớ đa cấp (MLC) cho phép lưu nhiều bit hơn trên mỗi khối, có thể lên tới 3 bit trên mỗi khối bộ nhớ. MLC giúp tăng đáng kể dung lượng của bộ nhớ, tuy nhiên lại giảm đi tốc độ đọc ghi và kém bền hơn nhiều so với SLC. Nhưng dù là SLC hay MLC thì các bộ khối bộ nhớ trên bộ nhớ flash chỉ được đặt trên một lớp mặt phẳng.  Vì sao chúng ta cần công nghệ chip nhớ mới? Vấn đề ở đây là khi chúng ta càng cố gắng nhét thêm nhiều khối bộ nhớ vào trong thiết bị thì càng nảy sinh ra nhiều vấn đề về độ bền và hiệu năng. Tiến trình sản xuất bóng bán dẫn ngày càng được nâng cấp, hiện tại đã có thể sản xuất bóng bán dẫn cho chip nhớ trên quy trình 13nm và có thể nhỏ hơn nữa, nhưng điều này lại khiến cho những nhà sản xuất gặp nhiều khó khăn hơn và số sản phẩm lỗi cũng gia tăng khá nhiều. Công nghệ 3D NAND dùng làm gì? 3D NAND, như tên gọi của nó, giúp tăng thêm nhiều lớp bóng bán dẫn để lưu dữ liệu. Bằng cách thêm vào nhiều lớp bóng bán dẫn, có thể lên tới 120 hoặc 144 lớp, chúng ta có thể có gia tăng mật độ và dung lượng bộ nhớ lên đáng kể. Bên cạnh đó còn giúp gia tăng khoảng trống giữa các khối bộ nhớ trên mỗi lớp, giúp tránh phải các vấn đề về vật lí và hiệu năng bộ nhớ. Trên mỗi lớp bóng bán dẫn, các khối bộ nhớ cũng có thể sắp xếp theo dạng đơn cấp hoặc đa cấp như trên bộ nhờ flash, qua đó có thể tăng dung lượng lên mức cực khủng nếu muốn. Intel và Micron, 2 công ty tham gia vào nghiên cứu 3D NAND, hi vọng một ngày nào đó có thể sản xuất được ổ cứng SSD kích thước như thanh kẹo cao su có thể lưu 3,5 TB dữ liệu hay ổ cứng SSD 2,5 inch cho laptop có thể lưu tới 10 TB dữ liệu. Nhược điểm của 3D NAND là để tạo ra dây chuyền sản xuất chip nhớ có nhiều lớp là rất khó, đòi hỏi nhiều kĩ thuật tiên tiến để sắp xếp và đặt các lớp lên với nhau một cách hoàn chỉnh. Điều này có thể khiến giá của mỗi chip nhớ 3D NAND trong giai đoạn đầu tăng cao, có thể gấp 3 - 4 lần SSD. Khi nào có thể mua chip nhớ 3D NAND? 3D NAND được công bố đầu tiên vào hơn một năm trước. Tin tốt là những ổ cứng 3D NAND đầu tiên sẽ được ra mắt trong thời gian sắp tới. Intel sẽ tung ra ổ cứng SSD Serie 600p dùng chip nhớ 3D NAND vào tuần sau, trong khi ADATA’s Ultimate SU800 SSD cũng đã được công bố hồi đầu tuần trước. Hiện tại chỉ có mới có những phiên bản dung lượng bộ nhớ thông dụng như 128 GB, 256 GB, 512 GB và 1 TB, sẽ chưa có bản 10 TB. Tuy nhiên, tốc độ và hiệu năng cũng như độ bền trên 3D NAND hứa hẹn sẽ tốt hơn gấp nhiều lần trên bộ nhớ SSD dùng công nghệ NAND cũ. Các nhà sản xuất cũng sẽ sớm tung ra các phiên bản bộ nhớ lớn 3 TB và 5 TB vào tương lai gần. Còn các phiên bản dung lượng lớn hơn như 10 TB hay 100 TB có lẽ cũng không còn xa nữa. Cùng tìm hiểu sự khác biệt quan trọng về dung lượng, hiệu suất và độ tin cậy giữa các công nghệ lưu trữ đa lớp multi-layer SSD / flash storage khi trang bị ổ cứng SSD vào hệ thống của của bạn. Các ổ cứng SSD, hay còn gọi là NAND flash, hiện vẫn đang là một chủ đề nóng đối với các chuyên gia CNTT. Chúng được trang bị trong các flash-array, thiết bị NAS, ổ cứng chuẩn 2.5in truyền thống và PCIe memory card. Flash SSD đã nhanh chóng trở thành nhân tố quan trọng để bàn luận trong việc nâng cấp dung lượng lưu trữ, nhưng việc đưa ra các quyết định mua sắm có thể gặp khó khăn nếu chưa hiểu hết các công nghệ bên trong. Có những lý do rất thuyết phục cho việc các ổ SSD flash giữa các công nghệ như Single-level Cell (SLC), Multi-level Cell (MLC), Trible-level Cell (TLC), Quad-level Cell (QLC) và thậm chí là PLC (penta-level cell), bao gồm vấn đề hiệu suất, hiệu quả sử dụng điện, tính khả dụng và độ tin cậy. Có một điểm bất lợi ở ổ SSD flash là chúng vẫn còn đắt hơn ổ cứng HDD khi được tính trên cơ sở giá tiền trên mỗi gigabyte. Chúng thường sẽ không đắt nếu được đo lường dưới dạng thông lượng như USD/1GB throughput hoặc USD/IOPS. Nhưng dung lượng vẫn là tiêu chí, là “cây đinh” chủ chốt trong lĩnh vực lưu trữ CNTT. Việc sản sinh và thu thập dữ liệu đang trên đường cong gia tăng theo cấp số nhân, từ IoT, 5G và AI-machine learning. Năng lực lực lưu trữ là một tiêu chí chính. Chi phí so với công suấtCâu trả lời của ngành lưu trữ flash cho các vấn đề về chi phí và dung lượng của SSD flash đã đi theo hai hướng mà không loại trừ lẫn nhau. Đầu tiên là thêm số bit trên mỗi cell, hay còn gọi là ô nhớ. Mỗi ô chấp nhận một số bit nhất định. Mỗi bit được đăng ký là 1 hoặc 0. Mỗi bit được thêm vào ô sẽ làm tăng dung lượng ô theo cấp số nhân bằng cách tăng số trạng thái mà một ô có thể có 2n trong đó “n” là số bit trong một ô. SLC là 21 hoặc 2 trạng thái; MLC là 22 hoặc 4 trạng thái; TLC là 23 hoặc 8 trạng thái; QLC là 24 hoặc 16 trạng thái; và PLC là 25 hoặc 32 trạng thái. Cùng một kích thước tấm wafer tạo ra mật độ gấp đôi so với bits/cell trước đây. Điều đó làm tăng dung lượng trong khi giảm chi phí cho mỗi gigabyte. Con đường tăng dung lượng thứ hai là chuyển từ công nghệ phẳng hay 2D sang 3D. Công nghệ 3D cho phép các ô NAND được xếp thành từng lớp. Phải mất một thời gian để các nhà sản xuất NAND thành thạo việc phân lớp 3D; giờ đây họ có thể cung cấp chip 3D NAND Flash thường có 96 lớp trở lên. Công nghệ 3D giúp tăng đáng kể dung lượng SSD flash trong khi lại giảm chi phí cho mỗi GB. Điều quan trọng cần lưu ý là hiện tại vẫn chưa có chip 3D SLC. Nhiều bit hơn trên mỗi ô và nhiều lớp hơn trên mỗi chip giúp tăng dung lượng flash SSD đồng thời giảm chi phí trên mỗi GB. Tin tốt là mật độ dung lượng flash SSD đã được cải thiện rất nhanh chóng. Tin xấu là không có gì là “dễ ăn” cả và cần có sự đánh đổi đáng kể với những công nghệ này. Đánh đổi giữa lỗi dữ liệu và hiệu suấtNhiều bit hơn trên mỗi ô ảnh hưởng tiêu cực đáng kể đến lỗi đọc ghi dữ liệu, hiệu suất, độ bền và độ tin cậy. Mỗi bit bổ sung trên mỗi ô sẽ mất nhiều thời gian hơn để ghi và đọc từ một ô. Nó đòi hỏi nhiều điện áp hơn để tạo và phân biệt các trạng thái trong tế bào. Điều này là do giá trị trạng thái bổ sung làm cho việc xác định giá trị dương khó khăn hơn. Ngoài ra, nhiệt độ cao hơn gây ra rò rỉ điện tử nhiều hơn trong các cell vì độ nhạy cao hơn cần thiết để phân biệt các trạng thái. Kết quả là phạm vi nhiệt độ hoạt động hẹp hơn khi bit trên mỗi ô tăng lên. Điều này dẫn đến tỷ lệ lỗi cao hơn nhiều, hay còn gọi là hỏng dữ liệu. Hiệu quả thực sự là bộ điều khiển flash phải tích hợp được công nghệ khắc phục lỗi toàn diện với mỗi bit bổ sung. Khi số lượt yêu cầu sửa lỗi tăng lên, và vì vậy, thời gian cần thiết để thực hiện sửa dữ liệu với mỗi bit sẽ được cộng vào. Đây là lý do chính khiến độ trễ tăng lên và IOPS giảm khi số bit trên mỗi ô tăng lên. Công nghệ 3D-layering tăng IOPS trên mỗi chip flash nhưng không ảnh hưởng đến độ trễ. Hiệu suất của Flash SSD bị ảnh hưởng chung hơn là chỉ do các cell NAND flash. Dynamic RAM (DRAM) hoặc persistent memory cache trong ổ cứng có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của SSD. Tính năng dự phòng quá mức (overprovisioning) của Flash SSD cũng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất.
Giao diện flash SSD cũng có ảnh hưởng đến hiệu suất. NVMe là một giao diện nhanh hơn nhiều so với SATA hoặc SAS. Giao diện và kiến trúc lưu trữ được chia sẻ cũng có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất. Kiến trúc với DRAM, bộ nhớ lớp lưu trữ hoặc SLC caching hoặc công nghệ phân tầng lưu trữ sẽ cải thiện vấn đề hiệu suất. Kết nối mạng lưu trữ cũng ảnh hưởng đến hiệu suất. NVMe-oF trên Ethernet, Fibre Channel, Infiniband hoặc TCP/IP cũng sẽ cải thiện hiệu suất. Nó không chỉ đơn thuần về công nghệ SSD flash. Đánh đổi ở độ bền và độ tin cậyMỗi bit được thêm vào các ô NAND flash làm giảm độ bền theo một thứ tự lớn dần hoặc 10 lần. Độ bền của ô Flash NAND được đo bằng số lần ghi trước khi tế bào bị mòn. SLC được đánh giá ở mức xấp xỉ 100.000 chu kỳ ghi trên mỗi ô. MLC được đánh giá ở khoảng 10.000 chu kỳ ghi. TLC được đánh giá ở khoảng 1.000 chu kỳ ghi. QLC được đánh giá ở khoảng 100 chu kỳ ghi. Và PLC được đánh giá là có khoảng 10 chu kỳ ghi. Độ bền của cell và độ bền chung của cả ổ cứng flash SSD không giống nhau. Hai yếu tố chính ảnh hưởng đến độ bền của flash SSD là hiệu quả của thuật toán cân bằng độ mòn của bộ điều khiển flash và tổng lượng NAND flash trong SSD. Dung lượng flash được xếp hạng theo SSD không phản ánh tổng dung lượng flash trong SSD. Có một dung lượng dự phòng của flash NAND đáng kể trong SSD. Việc dự phòng thừa đó được sử dụng để thay thế cho các ô nhớ đã bị mòn. Số lượng dự phòng thừa của các flash SSD là khác nhau. Nói chung, khi số bit trên mỗi ô tăng lên, thì việc dự phòng thừa của flash SSD cũng vậy. Dung lượng lớn hơn tương đương với nhiều tế bào hơn ở mức độ hao mòn, giúp tăng độ bền của SSD. Độ bền của Flash SSD thường được đánh giá ở mức terabytes written (TBW). Nó cũng được đánh giá theo số lần ghi ổ cứng mỗi ngày (drive writes per day, DWPD). DWPD dịch thành TBW. Các nhà cung cấp bảo hành ổ cứng của họ theo DWPD hoặc TBW. Tóm lại, đó là lượng dữ liệu có thể được ghi vào SSD flash trước khi nó cạn kiệt. Ví dụ: ổ đĩa 3D TLC 1 TB được xếp hạng và bảo hành ở mức .66 DWPD sẽ có định mức xấp xỉ 1.200 TBW. Như thế là có rất nhiều lần ghi trong khoảng thời gian đó. Nhưng nếu ổ 1 TB là 3D QLC thì sao? Nó sẽ có giá thấp hơn nhiều, nhưng nó có khả năng có DWPD và TBW thấp hơn nhiều ở mức khoảng 10% hoặc 120 TBW. Con số đó có thể tăng lên nếu lượng dự phòng cũng tăng lên. SLC, MLC, TLC, QLC và PLC: Cách chọn loại công nghệ lưu trữ SSD phù hợp với nhu cầu của bạnLựa chọn ổ lưu trữ NAND flash phù hợp phụ thuộc vào dung lượng, chi phí, hiệu suất, mức lỗi và độ bền. SSD flash PLC thường có chi phí thấp nhất cho mỗi gigabyte nhưng có những hạn chế nghiêm trọng về độ bền. Hiệu suất sẽ tốt hơn bất kỳ ổ cứng HDD nào và thấp hơn đáng kể so với bất kỳ loại SSD flash nào khác. Nó rõ ràng là nhằm mục đích lưu trữ các loại dữ liệu không thay đổi nhiều, nếu có: dữ liệu lưu giữ, cold data và thậm chí cool data. Các SSD flash PLC có cùng hạng với một số công nghệ write-once-read-many khác. Nếu một ứng dụng cần hiệu suất tốt nhất có thể, SSD flash SLC là sự lựa chọn. Tuy nhiên, loại thiết bị lưu trữ sử dụng SLC lại quan trọng. Một mảng lưu trữ sử dụng SSD flash SLC làm bộ nhớ đệm hoặc làm phương tiện lưu trữ chính của nó sẽ không nhanh hơn đáng kể so với mảng lưu trữ sử dụng SSD MLC hoặc TLC. Điều này là do tắc nghẽn độ trễ trong đường truyền dữ liệu của SSD, bao gồm bộ điều khiển SATA hoặc NVMe, bộ điều khiển hệ thống lưu trữ, mạng lưu trữ hoặc liệu hệ thống có phải là NVMe-oF giữa application server và storage server, và bus dữ liệu của application server. Sự khác biệt về hiệu suất trong kịch bản SSD SLC so với MLC này sẽ rất khó để chứng minh về mặt tài chính. Ngược lại, một SLC PCIe card trong một máy chủ application hoặc một thiết bị lưu trữ dữ liệu dựa trên SLC gắn liền với mạng, thể hiện hiệu suất rất lớn lợi thế hơn các sản phẩm MLC tương đương. Ví dụ về SLC này giải thích hơn. Việc quyết định loại công nghệ lưu trữ flash nào – cũng như thiết bị nào – sẽ sử dụng đòi hỏi phải cân nhắc sự đánh đổi. Hiệu suất phụ có cần thiết không? Dung lượng có quan trọng hơn không? Chi phí đóng vai trò gì trong quyết định đó? Điều gì về phần mềm có thể sử dụng hiệu quả công nghệ flash? Nó có tiêu tốn nhiều chu kỳ CPU ứng dụng hơn không? Lưu ý rằng flash NVMe card đánh đổi hiệu suất cao hơn với mức tiêu thụ tài nguyên CPU cao hơn tới 20%. Dưới đây là một số quy tắc chung về SSD, nhưng hãy nhớ rằng những quy tắc này không phải lúc nào cũng áp dụng. |
