NAND Flash là gì? Tìm hiểu ưu nhược điểm của NAND Flash

NAND Flash là một khái niệm quan trọng trong thế giới công nghệ hiện đại. Đây không chỉ là một thành phần lưu trữ thông tin mà còn là nền tảng cho nhiều thiết bị điện tử từ máy tính đến điện thoại di động. Vậy cụ thể NAND Flash là gì? Ưu nhược điểm như thế nào? Để hiểu rõ hơn về công nghệ lưu trữ này, các bạn hãy cùng TinoHost tìm hiểu qua bài viết dưới đây nhé!

Tổng quan về NAND Flash

NAND Flash là gì?

NAND Flash là một loại bộ nhớ tĩnh điện (non-volatile memory) có trong nhiều thiết bị điện tử ngày nay. Được thiết kế dựa trên nguyên lý của cổng logic NAND, NAND Flash cho phép lưu trữ dữ liệu dài hạn mà không cần nguồn điện liên tục. Nói cách khác, dữ liệu được lưu trữ trên NAND Flash vẫn tồn tại ngay cả khi thiết bị không được kết nối với nguồn điện.

Nhờ vào tốc độ đọc/ghi nhanh, tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng chịu va đập tốt, NAND Flash được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị như ổ đĩa SSD (Solid State Drive), thẻ nhớ, điện thoại di động, máy ảnh số cùng với nhiều thiết bị điện tử khác. Nhìn chung, đây là công nghệ lưu trữ chính trong thế giới hiện đại, mang lại trải nghiệm hiệu suất cao và đáng tin cậy cho người dùng.

Nguồn gốc của công nghệ NAND Flash

Bộ nhớ Flash có nguồn gốc từ việc phát triển các Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs). Công nghệ MOSFET được phát triển vào năm 1959 và transistor MOSFET với cổng dẫn điện độc lập (hay còn gọi là floating gate MOSFET) đã được phát triển vào năm 1967. Những nhà phát triển transistor sớm nhận ra công nghệ này có thể giữ các trạng thái mà không cần nguồn điện. Vì vậy, họ đã đề xuất việc sử dụng transistor làm các ô trạng thái dẫn điện độc lập trong các Programmable Read-Only Memory (PROM). Điều này tạo điều kiện cho sự xuất hiện của các Erasable PROM (EPROM) và thiết bị EEPROM trong thập kỷ 1970, mặc dù việc sử dụng chúng còn hạn chế.

Các kỹ sư thiết kế của Toshiba là những người đầu tiên sắp xếp các ô trạng thái rắn thành các khối hoặc nhóm và thêm vào đó các vi mạch để xóa toàn bộ các khối một cách nhanh chóng. Quá trình này diễn ra rất nhanh nên được đặt tên là “Flash“. Công nghệ NOR flash được đề xuất vào năm 1984 và NAND flash được đề xuất vào năm 1987.

Toshiba đã sản xuất các thiết bị NAND flash đầu tiên vào năm 1987, trong khi Intel sản xuất các thiết bị NOR flash vào năm 1988. Các thiết bị thẻ nhớ có thể tháo rời dựa trên NAND như SmartMedia, đã xuất hiện vào giữa thập kỷ 1990 cùng nhiều biến thể như MultiMediaCard và các hình thức khác. Sau đó, các thẻ nhớ như miniSD và microSD đã phát triển và mang lại hiệu suất tốt hơn cũng như nhỏ gọn hơn.

Các nhà sản xuất đã cải thiện đáng kể mật độ, hiệu suất và độ tin cậy của bộ nhớ NAND Flash qua các thập kỷ 2000 và 2010, tận dụng các công nghệ thiết kế ô trạng thái rắn mới như Multi-Level Cell (MLC) để lưu trữ 2 bit mỗi ô, Triple-Level Cell (TLC) để lưu trữ 3 bit mỗi ô và Quad-Level Cell (QLC) để lưu trữ 4 bit mỗi ô. Các tiến bộ tiếp theo trong công nghệ ô trạng thái rắn cho phép xếp chồng các lớp ô thành từng tầng để cung cấp dung lượng lưu trữ Flash lớn hơn.

Ngày nay, NAND Flash là công nghệ chính cho nhiều thiết bị, từ máy tính đến điện thoại di động và các thiết bị điện tử tiêu dùng khác. Dung lượng lưu trữ của NAND Flash ngày càng tăng, với sự xuất hiện các ổ SSD có dung lượng lên đến vài terabytes, đáp ứng nhu cầu lưu trữ dữ liệu lớn của người dùng và doanh nghiệp.

Cấu trúc của NAND Flash

Cấu trúc của NAND Flash là một hệ thống phức tạp của các ô trạng thái rắn được tổ chức theo các trang (pages) và các khối (blocks). Dưới đây là một mô tả chi tiết về cấu trúc của NAND Flash.

Ô trạng thái rắn (Solid-State Cells)

• Bit: Mỗi ô trạng thái rắn trong NAND Flash có thể lưu trữ nhiều bit thông tin, từ 1 đến 4 bit, phụ thuộc vào loại NAND Flash (SLC, MLC, TLC hoặc QLC).
• Trạng thái logic: Dữ liệu được biểu diễn dưới dạng các trạng thái logic (0 và 1) bằng cách thay đổi lượng điện tích trong ô trạng thái rắn.

Trang (Pages) và Khối (Blocks)

• Trang: Trang là đơn vị nhỏ nhất của việc đọc và ghi dữ liệu trong NAND Flash. Các trang thường có dung lượng từ vài kilobytes đến vài megabytes.
• Khối: Khối là một nhóm các trang và là đơn vị nhỏ nhất có thể được xóa một cách đồng loạt. Khi dữ liệu cần bị xóa và viết lại, toàn bộ khối phải được xóa để dữ liệu mới được ghi vào.

Các dây điện và cổng logic

• Dây điện (Wordlines và Bitlines): Các dây này được sử dụng để đọc và ghi dữ liệu vào các ô trạng thái rắn. Wordlines được sử dụng để chọn trang, trong khi Bitlines được sử dụng để đọc và ghi dữ liệu từ các ô trạng thái rắn.
• Cổng logic (Control Gates và Floating Gates): Các cổng này quản lý việc lưu trữ và truy cập dữ liệu trong NAND Flash. Floating Gates đóng vai trò giữ lượng điện tích biểu diễn dữ liệu, trong khi Control Gates sẽ quản lý việc chuyển trạng thái của các ô trạng thái rắn.

Các vi mạch xóa block

Đây là các vi mạch đặc biệt được sử dụng để xóa một khối NAND Flash. Quá trình xóa rất cần thiết khi dữ liệu trong một khối cần được thay đổi hoặc xóa hết.

Cấu trúc 3D NAND Flash

Trong 3D NAND Flash, các ô trạng thái rắn được xếp chồng lên nhau thành các tầng, giúp tăng dung lượng lưu trữ mà không cần tăng diện tích vật lý của chip.

Tóm lại, cấu trúc phức tạp này của NAND Flash cho phép cung cấp dung lượng lớn, tốc độ đọc/ghi nhanh và độ tin cậy cao. Đó là lý do NAND Flash trở thành công nghệ lưu trữ phổ biến trong nhiều thiết bị điện tử ngày nay.

Phân loại NAND Flash

NAND Flash được phân loại dựa trên số lượng bit dữ liệu và được lưu trữ trong mỗi ô trạng thái rắn. Dưới đây là các loại NAND Flash phổ biến:

SLC (Single-Level Cell)

• Đặc điểm: Mỗi ô trạng thái rắn SLC lưu trữ chỉ một bit dữ liệu (0 hoặc 1).
• Ưu điểm: Tốc độ đọc/ghi nhanh, độ tin cậy cao và tuổi thọ dài.
• Sử dụng: Thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất và độ tin cậy cao như các hệ thống lưu trữ chuyên nghiệp và các ứng dụng yêu cầu sự ổn định tuyệt đối.

MLC (Multi-Level Cell)

• Đặc điểm: Mỗi ô trạng thái rắn MLC lưu trữ 2 bit dữ liệu (00, 01, 10, hoặc 11).
• Ưu điểm: Dung lượng lớn hơn so với SLC và giá thành thấp. Tuy nhiên, độ tin cậy và tuổi thọ cũng thấp hơn.
• Sử dụng: Phổ biến trong các ổ đĩa SSD tiêu chuẩn và thiết bị lưu trữ cá nhân, cung cấp sự kết hợp giữa hiệu suất và chi phí hợp lý.

TLC (Triple-Level Cell)

• Đặc điểm: Mỗi ô trạng thái rắn TLC lưu trữ 3 bit dữ liệu (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 hoặc 111).
• Ưu điểm: Dung lượng lưu trữ cao, giá thành thấp. Độ tin cậy và tuổi thọ ngắn hơn so với các loại khác.
• Sử dụng: Thường được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ cá nhân, USB drives và các thiết bị di động để cung cấp dung lượng lưu trữ đáng kể ở mức giá phải chăng.

QLC (Quad-Level Cell)

• Đặc điểm: Mỗi ô trạng thái rắn QLC lưu trữ 4 bit dữ liệu (0000, 0001, …, 1111).
• Ưu điểm: Cung cấp dung lượng lưu trữ rất lớn ở mức giá thấp nhưng giảm độ tin cậy và tuổi thọ.
• Sử dụng: Thường được sử dụng trong các ổ đĩa SSD giá rẻ và các thiết bị lưu trữ cá nhân, đáp ứng nhu cầu lưu trữ lớn với người dùng cá nhân và doanh nghiệp.

NAND 3D

Thay vì chỉ có một lớp các ô trạng thái như NAND 2D, NAND 3D xếp các ô lên trên nhau. Samsung gọi NAND 3D của mình là “Vertical NAND” hoặc “V-NAND” để chỉ rõ cách cấu trúc các ô được xếp dọc theo chiều dọc của vi mạch.

Cấu trúc dọc này giúp tăng khả năng lưu trữ dữ liệu và giảm diện tích vật lý của vi mạch. Điều này rất quan trọng trong các thiết bị di động và các ứng dụng yêu cầu dung lượng lớn. Đồng thời, NAND 3D cũng cải thiện hiệu suất và độ tin cậy so với NAND 2D, làm cho công nghệ này trở thành một lựa chọn phổ biến trong thế giới lưu trữ hiện đại.

Ưu nhược điểm của NAND Flash

Ưu điểm

• Cung cấp tốc độ đọc và ghi dữ liệu rất nhanh so với các loại lưu trữ truyền thống như ổ cứng cơ học.
• Tiêu thụ ít năng lượng, làm tăng thời gian sử dụng pin trong các thiết bị di động.
• Nhờ không có các bộ phận cơ học chuyển động nên NAND Flash có thể chịu được va đập và rung động tốt hơn.
• NAND Flash thường nhỏ gọn, giúp tiết kiệm không gian trong các thiết bị điện tử như điện thoại di động, máy tính bảng và laptop.
• Có các phiên bản với dung lượng lưu trữ từ nhỏ đến rất lớn, phù hợp với nhiều ứng dụng từ thiết bị cá nhân đến máy chủ doanh nghiệp.

Hạn chế

• Mỗi ô trạng thái rắn trong NAND Flash chỉ có thể ghi được một số lần nhất định. Điều này có thể gây ảnh hưởng đến tuổi thọ của NAND Flash trong các ứng dụng yêu cầu việc ghi dữ liệu liên tục.
• Cần các thuật toán phức tạp để quản lý việc ghi dữ liệu và xóa dữ liệu cũ nhằm tránh bị giảm tuổi thọ. Điều này có thể tăng chi phí về mặt phần mềm và phần cứng.
• Dù giá của NAND Flash hiện nay đã giảm rất nhiều so với trước đây nhưng để có dung lượng lưu trữ lớn vẫn đòi hỏi một khoản chi phí đáng kể.

So sánh NAND Flash và NOR Flash

Kiến trúc lưu trữ dữ liệu

• NAND Flash: Lưu trữ dữ liệu dưới dạng ô trạng thái rắn được tổ chức thành các trang và khối.
• NOR Flash: Lưu trữ dữ liệu dưới dạng ô trạng thái rắn giống như NAND nhưng tổ chức theo cấu trúc tương tự như bộ nhớ RAM.

Tốc độ đọc/ghi

• NAND Flash: NAND thường có tốc độ ghi nhanh hơn so với NOR, nhất là khi ghi dữ liệu lớn.
• NOR Flash: NOR thường có tốc độ đọc tốt hơn, đặc biệt khi truy cập dữ liệu ngẫu nhiên.

Tùy chỉnh trong thiết kế hệ thống

• NAND Flash: Thích hợp cho việc lưu trữ dữ liệu lớn và cần dung lượng lớn, ví dụ như trong ổ đĩa SSD.
• NOR Flash: Thích hợp cho việc lưu trữ mã chương trình (firmware) và cho các ứng dụng yêu cầu truy cập dữ liệu ngẫu nhiên.

Độ tin cậy và tuổi thọ

• NAND Flash: Độ tin cậy của NAND thường cao, nhưng có số lần ghi giới hạn cho mỗi ô trạng thái rắn, đặc biệt đối với các loại Flash đa cấp (MLC, TLC, QLC).
• NOR Flash: Độ tin cậy cao, có thể ghi lại nhiều lần hơn so với NAND nhưng thường ít dung lượng.

Tiêu thụ năng lượng

Bộ nhớ NOR Flash yêu cầu dòng điện cao hơn NAND khi được bật nguồn lần đầu. Tuy nhiên, sau khi đã bật nguồn, yêu cầu năng lượng dự phòng cho NOR lại thấp hơn nhiều so với NAND.

Ứng dụng thực tế

• NAND Flash: Thường được sử dụng trong các ổ đĩa SSD, thẻ nhớ, điện thoại di động, và các thiết bị lưu trữ có dung lượng lớn.
• NOR Flash: Thường được sử dụng trong các thiết bị như vi xử lý nhúng, BIOS máy tính hoặc các ứng dụng yêu cầu việc truy cập dữ liệu ngẫu nhiên và nhanh chóng.

Với việc lưu trữ dữ liệu lớn, tốc độ đáng kinh ngạc và khả năng chịu va đập tốt đã làm cho NAND Flash trở thành lựa chọn không thể thiếu trong thế giới công nghệ ngày nay. Tuy nhiên, việc hiểu rõ về cấu trúc và ưu nhược điểm của NAND Flash là chìa khóa để tận dụng được tiềm năng tối đa từ công nghệ này. Tóm lại, đây không chỉ là một sản phẩm kỹ thuật mà còn là biểu tượng của sự tiện lợi và sự đổi mới trong thế giới số hóa mà chúng ta đang sống.

Những câu hỏi thường gặp