Ổ trạng rắn (SSD) đang nhanh chóng trở thành lựa chọn lưu trữ ưu tiên cho hệ điều hành và ứng dụng. Bạn sẽ tìm thấy chúng trong các laptop, điện thoại, máy tính bảng mới nhất, thậm chí là các máy chơi game.
Với hiệu suất và độ bền xuất sắc, các ổ này đang tạo cơn sốt thực sự, nhưng SSD到底 là gì?
Cách Hoạt Động Của Ổ Cứng Truyền Thống (HDD)
Để hiểu điều gì làm SSD khác biệt, chúng ta cần quay ngược thời gian một chút và xem xét ổ cứng truyền thống (HDD). HDD từng là loại ổ tiêu chuẩn có trong hầu như tất cả máy tính cho đến gần đây.
Bên trong HDD, bạn sẽ tìm thấy một hoặc nhiều đĩa quay gọi là "platters" (đĩa từ). Mỗi platter được chia thành các track (đường vòng) và sector (khối). Các platter thường làm từ nhôm hoặc kính và được phủ một lớp chất liệu từ.
Bề mặt platter chứa hàng tỷ khu vực riêng lẻ, mỗi khu vực đại diện cho một bit dữ liệu. Khu vực đó có thể được từ hóa hoặc khử từ, đại diện cho 1 hoặc 0.
Khi các platter quay với tốc độ hàng nghìn vòng/phút, các đầu đọc/ghi nhỏ gắn trên cánh tay dao động lướt qua bề mặt platter ở khoảng cách cực nhỏ để đọc hoặc ghi dữ liệu.
Ổ cứng HDD là thiết bị cực kỳ phức tạp với nhiều bộ phận chuyển động nhỏ, chính xác và dễ hỏng. Thực sự là một kỳ quan hiện đại khi chúng hoạt động tốt đến vậy.
Cách Hoạt Động Của Ổ Cứng Trạng Rắn (SSD)
SSD có nhiều điểm chung với các thiết bị bán dẫn như CPU và RAM hơn là ổ cứng HDD. Cả SSD và HDD đều làm thiết bị lưu trữ, nhưng SSD hoạt động theo cách hoàn toàn khác.
Bên trong một SSD điển hình, bạn chỉ thấy các chip máy tính. Có chip điều khiển (controller) của SSD, quản lý cách và vị trí lưu trữ dữ liệu, nhưng phần lớn SSD bao gồm các chip bộ nhớ flash.
Bộ nhớ flash là bộ nhớ "phi 휘 phát" (non-volatile). Bộ nhớ 휘 phát như RAM không giữ dữ liệu khi tắt nguồn – dữ liệu lưu trữ đó biến mất. Ngược lại, với bộ nhớ phi 휘 phát (như SSD hay USB), dữ liệu vẫn tồn tại ngay khi tắt nguồn. Đây chính là lý do USB thumb drive còn được gọi là "flash drive"!
Các SSD hiện đại (và hầu hết USB flash drive, thẻ nhớ) sử dụng loại bộ nhớ flash gọi là NAND flash. Nó được đặt tên theo một trong các loại cổng logic có thể tạo trên vi mạch. Bên trong bộ nhớ NAND, có các "cell" (ô nhớ) có thể giữ các mức điện荷 (charge) khác nhau. Bằng cách đo mức điện荷 trong ô nhớ, bạn có thể biết nó đại diện cho 1 hay 0. Để thay đổi nội dung của một ô, bạn chỉ cần thay đổi mức điện荷 bên trong nó.
Có nhiều biến thể công nghệ trong thế giới bộ nhớ NAND. Ví dụ, bạn có thể thấy một số SSD Samsung ghi "V-NAND" hoặc "vertical" NAND. Ở đây các ô nhớ được xếp chồng dọc, cho phép dung lượng lưu trữ lớn hơn trên cùng diện tích silic. 3D NAND của Intel về cơ bản cũng là công nghệ tương tự.
Các Loại SSD Và Giao Diện
SSD có nhiều form factor (kích thước hình dáng) và loại bộ nhớ NAND flash khác nhau. Điều này quyết định hiệu suất tối đa của SSD cũng như giá cả.
Các Loại Bộ Nhớ Flash
Không phải NAND flash nào cũng giống nhau về mật độ dữ liệu và hiệu suất. Bạn nhớ từ phần thảo luận trên rằng SSD lưu trữ dữ liệu dưới dạng điện荷 bên trong các ô nhớ.
Nếu một ô chỉ lưu một bit dữ liệu, nó gọi là SLC (single-level cell). MLC (multi-level cell) và TLC (triple-level cell) lần lượt lưu 2 và 3 bit dữ liệu mỗi ô. QLC (quad-level cell) đẩy lên 4 bit mỗi ô.
Càng nhồi nhét nhiều bit dữ liệu vào một ô, SSD càng rẻ, hoặc bạn có thể nhét nhiều dữ liệu hơn vào cùng không gian. Nghe có vẻ tuyệt vời, nhưng do cách hoạt động của SSD, ổ sẽ hỏng nhanh hơn khi dùng phương pháp lưu đa bit. SLC là loại NAND hiệu suất cao và bền nhất với tuổi thọ dài. Tuy nhiên, nó đắt đỏ hơn nhiều và chỉ thấy trên ổ cao cấp.
Do đó, hầu hết SSD dành cho người tiêu dùng dùng MLC hoặc TLC và sử dụng các phương pháp đặc biệt để kéo dài tuổi thọ viết (write endurance) tối đa. Chúng ta sẽ nói về vấn đề mòn SSD sau trong phần nhược điểm.
Form Factor Của SSD
SSD có nhiều form factor khác nhau. "Form factor" đơn giản là hình dáng vật lý của thiết bị và tiêu chuẩn kết nối nó tuân theo. Vì SSD ban đầu được thiết kế để thay thế HDD, các thiết bị đầu tiên dành cho desktop consumer được làm để lắp vào chỗ ổ cứng cũ.
Đó là nguồn gốc của thiết kế SSD SATA 2.5-inch. Bạn chỉ cần tháo ổ cứng laptop 2.5-inch hiện tại và gắn một SSD như vậy vào.
SSD bên trong vỏ không cần nhiều không gian như vậy, nhưng điều đó hoàn toàn hợp lý vì laptop và hầu hết desktop hiện đại đã có khe ổ 2.5-inch và cổng SATA trên bo mạch chủ. Bạn cũng có thể mua khung chuyển đổi để lắp ổ 2.5-inch vào khe 3.5-inch của desktop.
Ngoài việc chiếm diện tích thừa, các ổ 2.5-inch này bị giới hạn ở 600 MB/s vì đó là giới hạn của giao diện SATA 3.
Tiêu chuẩn mSATA (mini-SATA) giải quyết vấn đề không gian. mSATA có hình dáng, kích thước và cổng giống hệt chuẩn thẻ PCI Express Mini, nhưng hai loại thẻ này không tương thích về điện.
Tiêu chuẩn mSATA hiện đã được thay thế bởi chuẩn M.2. SSD M.2 có thể là SATA hoặc PCIe, tùy vào thẻ và bo mạch chủ.
Thẻ M.2 cũng có thể gắn linh kiện hai mặt, và chúng khác nhau về độ dài. Luôn quan trọng phải đảm bảo bo mạch chủ của máy tính tương thích với SSD M.2 bạn muốn dùng!
SSD NVMe dùng tiêu chuẩn Non-Volatile Memory Express, cho phép máy tính truy cập bộ nhớ SSD qua PCIe – giao diện thường dùng cho card đồ họa. PCIe có băng thông lớn hơn SATA nhiều, cho phép bộ nhớ SSD nhanh phát huy tối đa潜力.
Ưu Điểm Của SSD
Có nhiều lý do khiến SSD nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn công nghệ lưu trữ. Mặc dù một số rắc rối ban đầu曾一度 giữ chân chúng khỏi thị trường chính thống một thời gian, nhưng bây giờ chúng đã đạt đến mức có thể khuyên dùng cho bất kỳ ai. Ngay cả các máy chơi game thế hệ mới cũng dùng SSD. Dưới đây là những điểm mạnh chính dẫn dắt SSD đến vị thế phổ biến hiện nay.
SSD Rất Nhanh
Ổ cứng cơ học nhanh nhất thế giới, Seagate Mach.2 Exos 2X14, đạt tốc độ truyền liên tục 524 MB/s. Đó gần như bằng tốc độ SSD SATA 3, nhưng ổ cơ học điển hình bạn thấy trên máy tính ngày nay chỉ đạt 100-250 MB/s (cao cấp).
SSD M.2 PCIe điển hình trên laptop tầm trung cho tốc độ 2,5-3,5 GB/s. Các SSD M.2 PCIe mới nhất đang tiến gần đến 8 GB/s – một con số khủng khiếp. Tốc độ ghi tuần tự thường chậm hơn đọc một chút, nhưng dữ liệu bay với tốc độ kinh người theo cả hai chiều.
Không chỉ có tốc độ truyền tải. Ổ cứng cơ học cần thời gian để quay platters và di chuyển đầu đọc/ghi vào vị trí. Việc tìm vị trí đúng trên platter cho yêu cầu dữ liệu gọi là "seek time" (thời gian tìm kiếm). Với SSD, con số độ trễ này gần như bằng 0.
SSD có thể đọc tức thì dữ liệu từ bất kỳ vị trí nào trong các ô nhớ và thậm chí làm song song. Dù bạn cắt theo chiều nào, SSDอยู่在 một vũ trụ hiệu suất hoàn toàn khác so với ngay cả ổ cứng cơ học tốt nhất.
Khi nâng cấp HDD sang SSD, bạn trải nghiệm khởi động nhanh hơn nhiều và hệ thống phản hồi cực nhanh. Chỉ vì CPU không bao giờ phải chờ dữ liệu từ ổ lưu trữ. Đây là cách tuyệt vời để thổi hồn mới cho hệ thống Windows cũ.
SSD Bền Bỉ
SSD bền bỉ ngang ngửa với bất kỳ thành phần trạng rắn nào như CPU hay RAM, vì không có bộ phận chuyển động. Trừ khi sét đánh hay đột biến áp tiêu hủy chúng, chúng sẽ chạy vô thời hạn hoặc ít nhất là lâu bao giờ máy tính còn hữu ích. Bộ nhớ flash cũng rất chịu được va đập, khác với ổ cứng dễ hỏng nếu rơi, đặc biệt khi platters đang quay.
Độ bền này làm cho SSD hoàn hảo cho laptop, và đó là lý do các ultrabook như MacBook Air, iMac và các dòng Mac khác đều dùng SSD hiệu năng cao tích hợp.
"Độ bền" ở đây không ám chỉ hiện tượng mòn SSD, mà chúng tôi sẽ đề cập trong phần nhược điểm bên dưới.
SSD Không Chịu Tác Hại Của Phân Mảnh (Fragmentation)
Phân mảnh dữ liệu là vấn đề thực sự trên HDD. Xảy ra khi dữ liệu mới được ghi vào không gian trống đầu tiên trên ổ. Do đó, một tệp hoặc tập hợp tệp liên quan có thể bị rải rác khắp bề mặt vật lý của platter.
Điều này phá hủy tốc độ đọc tuần tự và thêm lượng lớn seek time vì đầu đọc/ghi phải bay khắp nơi để tìm các phần của tệp. SSD, do bản chất của nó, không chịu tác hại của phân mảnh. Không phải là tệp không bị phân mảnh. Chỉ là nó không quan trọng vì không có bộ phận chuyển động và không có seek time đáng kể.
Chạy desfragment chỉ gây mòn ổ vô ích. Nếu muốn biết thêm về phân mảnh SSD, hãy đọc "Should You Defrag an SSD?".
SSD Hoạt Động Im Lặng
Ổ cứng gây ồn! Tiếng rón motor, tiếng xòe đĩa, tiếng kêu click của đầu đọc/ghi di chuyển lui tới – đó là nhạc nền cho người dùng máy tính suốt nhiều thập kỷ.
Ngược lại, SSD không phát ra tiếng ồn nào. Có vẻ như lợi thế nhỏ, nhưng linh kiện máy tính ồn ào rất phiền toái. Trong một số trường hợp như máy tính dùng thu âm, mức độ ồn là yếu tố then chốt. Đã có ổ cứng đắt tiền với thiết kế gắn đặc biệt để giảm ồn, nhưng với SSD, vấn đề được giải quyết triệt để.
Đó là lý do chúng ta có thể có máy tính như Apple M1 MacBook Air, không có quạt và không có ổ cứng cơ học. Toàn bộ máy tính là trạng rắn và do đó không phát ra tiếng ồn nào!
SSD Nhỏ Gọn Và Tiết Kiệm Năng Lượng
SSD chiếm diện tích nhỏ hơn nhiều so với HDD, và cần ít điện năng hơn để hoạt động. Điều đó có nghĩa là chúng ta có thể làm máy tính, máy tính bảng, điện thoại thông minh và các thiết bị điện tử khác mỏng nhẹ hơn mà vẫn có ổ lưu trữ phi 휘 phát nhanh.
SSD có thể gần như hoàn toàn "ngủ" khi không dùng, và khác với HDD, chúng có thể chuyển sang chế độ hiệu năng cao gần như tức thì. Tóm lại, tiêu thụ điện của SSD đặc biệt quan trọng để kéo dài pin cho máy tính di động và các gadget dùng chúng. Thiết bị cơ-điện đơn giản cần nhiều năng lượng hơn thiết bị trạng rắn để vận hành.
SSD Có Thể Giảm Kích Thước Cài Đặt
SSD có thể giảm kích thước cài đặt của một số ứng dụng, đặc biệt là game. Khi ứng dụng dựa trên việc luồng dữ liệu vào bộ nhớ nhanh chóng, nhà phát triển có thể nhân bản thông tin ở nhiều vị trí trên platter HDD. Điều này cắt giảm seek time vì đầu đọc/ghi luôn gần một bản sao của dữ liệu cần thiết. Đây là thủ thuật thông minh, nhưng tốn dung lượng lưu trữ.
Các ứng dụng được thiết kế cho SSD không cần làm vậy. Vì SSD có độ trễ gần như 0 và có thể đọc dữ liệu từ bất kỳ đâu ngay lập tức, chỉ cần một bản sao dữ liệu.
Máy chơi game như PlayStation 5 đã chứng minh SSD có thể thu nhỏ kích thước cài đặt đáng kể, đặc biệt khi kết hợp nén dữ liệu, dẫn chúng ta đến ưu điểm tiếp theo.
SSD Có Thể Được Tăng Tốc
Nếu bạn nghĩ SSD đã đủ nhanh, bạn có thể đẩy nhanh hơn nữa để đạt con số hiệu suất thực sự ấn tượng. Tất cả nhờ công nghệ nén. Dữ liệu được lưu trên SSD dưới dạng nén mạnh. Khi dữ liệu được yêu cầu, nó được giải nén real-time, hiệu quả khuếch đại tốc độ truyền thô của SSD.
Điều kiện duy nhất là bạn cần một bộ vi xử lý mạnh để giải nén, nhưng SSD hiện tại không tích hợp bộ vi xử lý như vậy. Thực ra GPU rất giỏi loại công việc này, nên dùng các API phần mềm như DirectStorage của Microsoft và RTX IO của Nvidia, các thế hệ GPU mới có thể tăng tốc không chỉ đồ họa 3D mà còn hiệu suất SSD.
Nhược Điểm Của SSD
SSD có nhiều thuộc tính mong muốn, nhưng công nghệ không hoàn hảo. Một số khía cạnh của việc sở hữu SSD không dễ chịu như chúng ta mong muốn.
SSD Đắt Hơn
Giá HDD đã giảm rất nhiều và mật độ lưu trữ tăng lên mức kinh người. Kết quả là một gigabyte dữ liệu HDD rẻ hơn nhiều so với ngay cả NAND flash rẻ nhất.
Giá SSD đã giảm mạnh những năm gần đây, nhưng mọi người thường dùng SSD dung lượng nhỏ trong khoảng 256GB-512GB. SSD dành cho ứng dụng và hệ điều hành, trong khi HDD vẫn làm lưu trữ khối lượng lớn cho file media hoặc ứng dụng không hưởng lợi từ tốc độ SSD.
Tin tốt là, như mọi công nghệ bán dẫn, mật độ transistor và quy trình sản xuất có xu hướng tăng theo cấp số nhân, dẫn đến giá rẻ hơn và dung lượng lớn hơn. Hiện tại, hầu hết ngân sách đều yêu cầu kết hợp SSD và HDD.
SSD Có Thể Mòn
Mặc dù SSD rất bền và chịu đựng được nhiều tác động hơn HDD, đồng thời có tuổi thọ hoạt động lâu hơn, chúng bị mòn. Mòn SSD xảy ra vì việc ghi vào ô nhớ SSD có tính phá huỷ. Mỗi lần một bit được ghi vào ô nhớ SSD, nó mất đi một chút khả năng giữ điện荷.
Theo thời gian, việc ghi lặp lại vào một ô làm cho nó không còn hoạt động. SLC chịu được nhiều lần ghi lặp lại nhất trước khi làm hỏng ô, nhưng MLC, TLC, QLC dễ bị tổn thương theo thứ tự đó. Các SSD consumer sớm có thể hỏng sớm đáng báo động, nhưng ngày nay ổ có chiến lược như wear leveling (cân bằng mòn) và overprovisioning (dự phòng) để kéo dài độ bền viết.
Mòn SSD là chủ đề phức tạp, hãy xem "Everything You Need To Know About SSD Wear & Tear" để thảo luận sâu hơn.
SSD Có Thể Bị Bit Rot Nhanh
Tất cả hình thức lưu trữ dữ liệu cuối cùng cũng chịu bit rot (hỏng bit). Xảy ra khi phương tiện lưu trữ suy giảm đến mức không còn giữ dữ liệu dưới dạng có thể đọc được.
Các phương tiện khác bị bit rot vì lý do khác nhau, nhưng HDD có thể lưu trữ hàng chục năm mà không gặp vấn đề bit rot. SSD, ngược lại, có thể mất dữ liệu sau chỉ vài năm lưu trữ. Điều này do sự suy giảm của lớp cách điện giữ điện荷 trong mỗi ô nhớ. Nếu điện荷 rò rỉ ra, ô đó trống rỗng và không chứa dữ liệu!
Có vẻ bit rot xảy ra nhanh hơn nếu SSD được giữ trong môi trường quá nóng, nhưng dù sao, chúng có lẽ không phải lựa chọn tốt để lưu trữ dữ liệu trong ngăn kéo.
Khôi Phục Dữ Liệu Trên SSD Khó Hoặc Không Thể
Có một ngành công nghiệp tinh vi xây dựng quanh nghệ thuật khôi phục dữ liệu từ ổ cứng cơ học. Nếu bạn có đủ tiền, bạn thậm chí có thể khôi phục dữ liệu từ ổ bị bẹp nát, khi chuyên gia tái xây dựng ổ từ các mảnh vỡ.
Ở mức độ phổ thông hơn, bạn có thể khôi phục dữ liệu bị xóa nhầm vì HDD không xóa dữ liệu vật lý khi bạn xóa trong Windows hay OS khác. Thay vào đó, khu vực ổ đó chỉ được đánh dấu để ghi đè. Chừng nào chưa bị ghi đè, bạn có thể khôi phục bằng phần mềm đặc biệt.
SSD khiến việc khôi phục bất kỳ thứ gì trở nên gần như không thể nếu ổ hỏng hoặc tệp bị xóa. Nếu HDD bị hỏng do đột biến áp, bạn vẫn có thể tái xây dựng với mạch điện tử mới, nhưng vì SSD hoàn toàn điện tử, toàn bộ bộ nhớ có thể bị cháy.
Cũng không giúp ích được là SSD có bộ điều khiển tinh vi làm nhiều việc với dữ liệu vật lý mà hệ điều hành không biết. Ví dụ, lệnh TRIM dùng trên SSD SATA xóa trước các ô nhớ đã được đánh dấu xóa để tăng tốc ghi dữ liệu mới. Vì vậy thủ thuật "undelete" không hoạt động trên chúng!
Mặc dù SSD không hoàn hảo, chúng đại diện cho một bước nhảy vọt về hiệu suất ổ lưu trữ khiến sự thống trị của chúng trên thị trường lưu trữ dường như không thể tránh khỏi. Theo thời gian, chúng tôi kỳ vọng ngay cả SSD SLC cũng sẽ giảm giá, trong khi các loại SSD kém bền hơn sẽ trở nên thông minh hơn trong việc hạn chế mòn.
Công nghệ ổ cứng cũng từng có phần vấn đề riêng trong những ngày đầu, nhưng chúng tôi tin rằng bất kỳ vấn đề nào SSD còn gặp phải sẽ được giải quyết trong thời gian kỷ lục.