Bộ nhớ Chip: Phần 1 – Hồi hải mã

Bộ nhớ chip: Phần 2 – Trí nhớ của vượn

“Ta sẽ làm gì khi nhận ra mình bị mất trí nhớ? Hẳn nhiên, có thể ta sẽ muốn tìm lại ký ức của mình, nhưng trong quá trình làm việc đó, ta nhận ra có những thứ đáng ra phải bị quên lãng.

Và như thế, ta đối mặt hai lựa chọn. Hoặc là phục hồi và sống lại phần ký ức bi thương vỡ nát về những người mà ta bỏ lại. Hoặc là đậy nắp quá khứ và quên đi, biết rằng đó nghĩa là ta đang từ bỏ chính bản thể của mình.”

– Lost Odyssey, Amnesia of Kaim –

Ký ức là một thứ quan trọng. Nó không chỉ đơn giản là kiến thức hay hồi ức, nó là từng chi tiết bé nhỏ trong suốt quãng đời một con người, cấu thành nên tính cách, đặc điểm, là phần gốc cơ bản nhất của linh hồn. Và vì con chip điện tử của chúng ta được thiết kế theo mô hình bộ não, việc hiểu cách bộ nhớ chip hoạt động là điều quan trọng.

Các nhà thiết kế chip đã nghĩ ra ý tưởng độc đáo là tìm hiểu về cách não bộ lưu trữ ký ức – bao gồm hai phần trí nhớ là ngắn hạn (short-term) và dài hạn (long-term), rồi thiết kế bộ nhớ cho chip điện tử theo một mô hình tương đồng. Trong một cỗ máy điển hình, thường chúng ta sẽ có bộ nhớ trong (built-in memory) với khả năng lưu trữ và trích xuất dữ liệu tốc độ cao, giúp máy tính giải quyết những chương trình đang chạy. Đây chính là trí nhớ ngắn hạn. Tuy nhiên bộ nhớ trong lại là thiết bị điện động (volatile), nghĩa là nó sẽ quên hết những gì đang lưu trữ ngay khi nguồn điện tắt. Thế nên người ta xây dựng thêm bộ nhớ ngoài (auxiliary memory) – trí nhớ dài hạn, thứ có thể lưu trữ thông tin dù cho không kết nối với nguồn điện.

Dưới đây là sê-ri 2 phần giải thích riêng rẽ 2 loại bộ nhớ này, giúp bạn có một cái nhìn tổng quát về cách mà transistor lưu trữ thông tin và cung cấp dữ liệu cho người dùng. Bắt đầu với trí nhớ dài hạn.

phần 1: hồi hải mã

Mình là fan của mấy phim hại não. Và một trong những bộ phim ấn tượng mình từng xem – một tác phẩm được cho ra mắt bởi đạo diễn Christopher Nolan vào năm 2000 – là Memento. Bộ phim được kể lại theo trình tự ngược thời gian, xoay quanh nhân vật chính bị một vấn đề là cứ vài phút anh ta lại quên hết những điều vừa mới diễn ra. Khuyết tật này đến từ vết thương ở một vùng não trọng yếu của anh ta – khu vực Hồi hải mã – vùng não mật thiết với trí nhớ dài hạn. Điều này làm anh ta không thể lưu những ký ức mới vào bộ nhớ của mình. Nó cũng giống như việc viết hàng trang chuyên mục hay chơi hàng tiếng đồng hồ 1 tựa game nhập vai mà không thể lưu chúng xuống.

Trong máy tính, bộ nhớ dài hạn – còn được gọi là bộ nhớ ngoài – là một thành phần ngoại vi của cỗ máy, được kết nối với vi xử lý bằng 1 sợi cáp hoặc một bus dữ liệu. Nó đánh đổi tốc độ truy cập để lấy dung lượng khổng lồ và độ bền thông tin. Đây là loại bộ nhớ điện tĩnh – tức là thông tin vẫn được an toàn ngay cả khi không có điện – giúp nó trở thành nhà kho phù hợp cho các phần mềm chưa sử dụng hoặc dữ liệu lưu trữ. Bộ nhớ ngoài đầu tiên trong lịch sử có lẽ là các phiếu đục lỗ – những tấm thẻ đục chi chít lỗ nhằm biểu thị các giá trị nhị phân. Các tờ phiếu này sau đó sẽ được nối với nhau tạo thành băng giấy đục lỗ, và được đưa vào những chiếc máy đọc như trong hình.3-trái. Tưởng tượng cảnh làm rớt cả núi thẻ như trong hình.3-phải và dành cả tuần để xếp chúng lại – chẳng khác gì Tấm trong chuyện cổ tích, chỉ tiếc là lần này không có Bụt.

HDD

Sau thời của những tấm phiếu đục lỗ là kỷ nguyên của Ổ Cứng Đĩa (hard-disk drives – HDD) – loại bộ nhớ đã thống trị máy tính suốt từ thập niên 1960 cho đến những năm 2000. Ổ cứng này sử dụng một chiếc đĩa được tráng 1 lớp sắt từ để lưu trữ dữ liệu, trong khi sử dụng một thanh điều khiển để di chuyển đầu đọc đến vị trí của dữ liệu. Phủ trên tấm đĩa là các phần tử vật liệu từ tính chứ không dùng transistor, với mỗi phần tử hoặc là được từ hóa (để lưu trữ giá trị 1) hoặc là phi từ hóa (để lưu trữ giá trị 0). Tấm đĩa này được xoay với tốc độ quay chóng mặt là từ 4,200 RPM (vòng mỗi phút) cho đến 15,000 RPM trong các cơ sở dữ liệu cấu hình cao [1]. Cứ nhìn vào chiếc quạt trần và biết rằng nó chỉ quay có 240 RPM (4 vòng mỗi giây). Một số dạng bộ nhớ ngoài cũng áp dụng cấu trúc quay này có thể kể đến như những chiếc đĩa mềm và đĩa CD/DVD, những thứ khi đưa vào máy tính sẽ được xoay và đọc tương tự.

SSD

Tìm hiểu về lịch sử như vậy là đã đủ, giờ hãy xem bộ nhớ bên trong máy tính hiện đại trông như thế nào. Kể từ những năm đầu của thế kỷ 21, một dạng bộ nhớ lưu trữ mới đã lên ngôi, dạng Ổ Cứng Thể Rắn (solid-states drives – SSD) đã và đang từ từ lật đổ HDD và chiếm đoạt vị thế thống trị trên thị trường ổ nhớ. Nó tốt hơn HDD ở rất nhiều phương diện, bao gồm tốc độ truy cập dữ liệu nhanh hơn, tiêu hao ít điện năng hơn, kích thước nhỏ hơn, tỏa ít nhiệt lượng hơn, và bền hơn [2]. Điều duy nhất khiến cho HDD vẫn còn tồn tại là nhờ giá thành siêu rẻ của chúng, điều mà sẽ chẳng tồn tại bao lâu nữa khi mà SSD đang được phát triển để ngày một nhỏ hơn và rẻ hơn. Vậy công thức bí mật cho thành công của SSD là gì? Khác biệt cơ bản nào đã giúp SSD vượt trội hơn HDD ở mọi khía cạnh? Hãy cùng nhìn sâu vào những viên gạch nền tảng đã giúp dựng xây nên tòa nhà SSD – các transistor cổng-nổi.

Transistor cổng-nổi – còn được gọi là bộ nhớ flash – được phát triển bởi Dawon Kahng và Simon Min Sze tại Bell Labs vào năm 1967. Nếu cái tên Dawon Kahng nghe có vẻ quen thuộc, đấy là vì ông cũng chính là một trong những người đã phát minh ra con MOSFET đầu tiên vào năm 1959, các bạn có thể tìm hiểu thêm và những con transistor này tại đây. Các tế bào nhớ dạng cổng-nổi này đều là thiết bị điện tĩnh (non-volatile) và có thể được tái lập trình (reprogrammable) [3]. Cấu trúc của chúng cũng gần tương tự như của MOSFET, với khác biệt lớn nhất là thay vì chỉ có một cổng, chúng có tới 2 cổng chồng lên nhau – một Cổng Nổi (FG) và một Cổng Kiểm Soát (CG) như ta có thể thấy trong hình.6. CG hoạt động y như chiếc cổng trong MOSFET bình thường, còn FG bên dưới được cách điện với xung quanh bởi 1 lớp oxide bao bọc, có nghĩa là electron nào lạc vào bên trong FG này sẽ bị kẹt lại. Chúng sẽ không thể thoát ra ngay cả khi đã ngắt kết nối với nguồn điện, điều này giúp bộ nhớ đây trở thành 1 thiết bị điện tĩnh. Mặt khác, các electron kẹt lại sẽ làm tăng Điện Áp Ngưỡng (threshold voltage) của transistor, khiến nó khó bật tắt hơn. Bây giờ cần mức điện áp cao hơn tại CG để có thể bật con transistor này lên. Và vì thế, nếu ta đặt 1 điện áp trung bình vào CG và không thấy dòng điện chạy qua, đồng nghĩa với việc đã có electron kẹt trong FG, trạng thái này biểu thị giá trị 0. Và ngược lại, nếu dòng điện vẫn chạy qua như thường, thì đây biểu thị giá trị 1.

NAND

Có 2 cách để kết nối những con transistor cổng-nổi này với nhau trong bộ nhớ flash: NOR và NAND. Trong NOR flash, mỗi transistor có 1 đầu được mắc xuống Đất, còn đầu kia được nối thẳng vào Bitline (hình.7). Việc đọc bộ nhớ NOR khá là trực quan: chọn con transistor muốn đọc bằng việc áp 1 điện thế trung bình vào Wordline của nó, và thế là dữ liệu sẽ xuất hiện ở Bitline.

Một cấu trúc khác của bộ nhớ flash là NAND, loại cấu trúc mắc nhiều con transistor nối tiếp nhau như trong hình.8. Việc đọc bộ nhớ NAND phức tạp hơn: tất cả Wordline trong dãy cần phải được bật lên ở điện thế cao hơn Vt – ngoại trừ con transistor ta muốn đọc. Bằng cách này, cả 1 dãy dài transistor sẽ tựa như 1 con transistor độc nhất và dữ liệu từ nó sẽ được truyền ra Bitline.

Đến lúc này, có thể vài bạn đã biết hoặc để ý thấy rằng NAND mới chính là cấu trúc chủ đạo trong bộ nhớ SSD, như trong hình.5 đã cho thấy rõ các con chip nhớ đều là NAND flash. Trong khi cấu trúc NOR mang đến một số lợi ích mà rõ rệt nhất là thời gian truy cập thấp (dòng điện chỉ cần băng qua 1 con transistor thay vì cả 1 dãy như trong NAND), NAND flash vẫn sở hữu 1 ưu thế vượt trội: mật độ cao. Vì có cấu trúc cần ít dây dẫn nối Đất và Bitline hơn – mà trong thực tế là ngốn rất nhiều diện tích – NAND flash có thể nhồi nhét nhiều transistor vào cùng 1 diện tích hơn để có cho mình nhiều dung lượng hơn. Kể từ khi bộ nhớ NAND flash đầu tiên được phát triển bởi tiến sĩ Fujio Masuoka tại Toshiba vào năm 1987, cấu trúc này đã được áp dụng vào mọi loại thiết bị lưu trữ hiện đại, từ USB, thẻ nhớ SD, cho tới smartphones và ở cứng laptop. Nếu như vào những năm 1990s, Windows95 được cài đặt cho các máy tính có dung lượng từ 4MB tới khoảng 16MB (mức độ này đã được xem là rất khỏe) và từ chối khởi động nếu máy có trên 480MB, thì chiếc iPod đầu tiên ra mắt vào 23 tháng 10, 2001, đã có cho mình dung lượng đáng kinh ngạc là 5GB mà Steve Jobs từng nói: “đặt 1000 bài hát vào túi bạn” [4][5].

3D NAND

Bất chấp dung lượng đáng nể của mình, công nghệ vẫn không ngừng phát triển, và mật độ của NAND flash nhanh chóng không còn thỏa mãn người dùng. Các nhà làm chip nghĩ ra cách xử lý vấn đề này bằng việc chồng các transistor lên nhau, và vào năm 2007, Toshiba công bố phát minh 3D NAND – một cấu trúc 3 chiều tuy vẫn sử dụng mô hình bẫy electron nhưng đã xây các transistor chồng lên nhau theo chiều dọc (hình.9). Nói trong quan điểm quy hoạch xây dựng, nó cũng giống như việc xây các tòa cao tầng thay vì nhà mặt đất, giúp đưa được nhiều người hơn vào cùng 1 không gian sống. Nhiều tầng transistor có thể được xếp chồng lên nhau, với số tầng tăng lên nhanh chóng. Vào tháng 8, 2016, Toshiba đã cung cấp cho Apple những con chip 3D NAND có tới 48 tầng được sử dụng trong iPhone 7. Trong chưa đầy 20 năm, nghành công nghiệp lưu trữ đã có những bước tiến thần kì vào tạo ra được những chiếc USB với dung lượng lên tới Terabytes thay vì Megabytes [7]. Vào năm 2017, Micron cho ra mắt chip 3D NAND mới nhất của họ với mật độ khủng khiếp là 4.3GB/mm² – cho phép nhét 256GB dung lượng lên 1 diện tích vừa bằng cái móng tay (52mm²).

Nếu bạn muốn hiểu sâu hơn về kiến trúc 3D NAND, thì 2 bức hình bên dưới (hình.11 & hình.12) sẽ mô tả cụ thể cấu trúc này theo hướng nhìn mặt cắt. Bitline là những cột dọc đâm thẳng đứng từ phần dây dẫn kết nối (bonding interface) ở trên cùng xuống phần mạng lưới các tế bào nhớ (cell array) ở dưới. Wordline là những đường dẫn kim loại nằm ngang bọc quanh các bitline, tạo thành các tế bào nhớ, rồi sau đó được nối dài ra 2 biên theo dạng bậc thang. Sẽ có các dây dẫn dọc nối xuống những bậc thang wordline này, kết nối chúng vào phần các mạng lưới dây dẫn bên trên.

tương lai

Thị trường lưu trữ phát triển không ngừng nghỉ và được dự đoán là sẽ chạm mốc 20 tỷ USD vào năm 2029. Các công ty bán dẫn vẫn đang tiếp tục đầu tư mạnh mẽ vào các công nghệ mới, điển hình như:

• MLC (Multi-Level Cell): thay vì lưu trữ 1 bit vào mỗi con transistor, nhiều bit có thể được lưu trữ vào 1 con transitor duy nhất bằng việc kiểm soát số electron bị bẫy trong FG. Số lượng khác nhau sẽ tạo ra các giá trị Vt khác nhau giúp biểu thị các giá trị nhị phân khác nhau. Tuy nhiên, nếu chia làm quá nhiều giá trị sẽ khiến việc phân biệt Vt trở nên khó khăn. Cho tới năm 2018, ADATA, Intel, Micron, và Samsung đã sản xuất được các sản phẩm SSD sử dụng QLC (Quad-Level – 4 bit trong 1 transistor) [8][9][10][11].
• Xtacking: để kết nối các tế bào nhớ tới đầu ra đầu vào của con chip, một mạng dây dẫn biên (periphery circuit) được xây ngay cạnh mạng lưới tế bào nhớ. Tuy nhiên, việc xây dựng mạng lưới tế bào kia sản sinh ra nhiều nhiệt lượng làm ảnh hưởng tới chất lượng của mạng lưới biên. Vậy nên các nhà làm chip quyết định xây dựng hệ thống mạng dây dẫn biên này trên một tấm bán dẫn riêng biệt, rồi sau đó lật úp chúng lại và đặt chính xác lên trên mạng lưới tế bào nhớ, tiết kiệm được thêm 1 khoảng diện tích. Công nghệ này thuộc về YMTC (công ty cổ phần công nghệ lưu trữ Dương Tử), và vào 17 tháng 9, 2019, YMTC đã cho ra mắt chip nhớ 3D NAND 64 tầng của mình với công nghệ Xtacking lần đầu được áp dụng vào sản xuất hàng loạt [12].
• 3D XPoint: một loại cấu trúc nhớ mới được phát triển bởi Intel & Micron, tận dụng đặc tính thú vị của thủy tinh chalcogen. Nó có thể chuyển trạng thái từ không kết tinh (amorphous) sang dạng tinh thể (crystalline) bằng cách nung nóng, và vì thế có thể biểu thị dữ liệu. Việc đọc những tế bào nhớ này đơn giản chỉ là đo điện trở. Cấu trúc này giúp nó có mật độ cao gấp 10 lần DRAM, còn tốc độ thì gấp 1000 lần NAND, và đã được tung ra thị trường dưới 2 thương hiệu là Optane (Intel) & QuantX (Micron) kể từ tháng 4 năm 2017 [13].

Từ những tấm phiếu đục lỗ có thể chất đầy cả căn phòng với chỉ vài MBs, cho đến những con chip nhớ có thể nhét vài TBs lên đầu móng tay, nhân loại đã đi qua 1 hành trình thú vị trong chưa đầy một thế kỷ. Tuy nhiên cuộc hành trình này vẫn còn chưa kết thúc. Với nhu cầu cho dung lượng mãi tăng cao ở các công nghệ tân tiến như big data, 5G và AI, các thiết bị lưu trữ chắc chắn sẽ còn được phát triển trong tương lai để thỏa mãn người dùng.

Trích dẫn:

1.  Blount, Walker C. (November 2007). “Why 7,200 RPM Mobile Hard Disk Drives?” (PDF). Archived from the original (PDF) on April 19, 2012. Retrieved July 17, 2011.
2. “Advantages of SSD over HDD”. Available: https://www.computerhope.com/
3. “1971: Reusable semiconductor ROM introduced”. Computer History Museum. Retrieved 19 June 2019.
4. Raymond Chen. “Windows 95 doesn’t boot with more than 1GB of RAM”. Microsoft dev blogs. Retrieved August 14th, 2003.
5. “Instant Expert: A Brief History of iPod”. iLounge Article. Retrieved June 13, 2013.
6. “Toshiba announces new “3D” NAND flash technology”. Engadget. 12 June 2007. Retrieved 10 July 2019.
7. Jared Ramsey. “The Evolution of NAND – and What it Means for You“, March 07, 2018. Retrieved 05 June 2020.
8. Shilov, Anton. “ADATA Reveals Ultimate SU630 SSD: 3D QLC for SATA”. www.anandtech.com. Retrieved 2019-05-13.
9. Tallis, Billy. “The Intel SSD 660p SSD Review: QLC NAND Arrives For Consumer SSDs”. www.anandtech.com. Retrieved 2019-05-13.
10. Tallis, Billy. “The Crucial P1 1TB SSD Review: The Other Consumer QLC SSD”. www.anandtech.com. Retrieved 2019-05-13.
11. Shilov, Anton. “Samsung Starts Mass Production of QLC V-NAND-Based SSDs”. www.anandtech.com. Retrieved 2019-05-13.
12. “YMTC Puts Its 64-layer 3D NAND with Xtacking® Architecture into Mass Production”. www.ymtc.com. Retrieved in 2020-06-06.
13. “Intel Launches Optane Memory M.2 Cache SSDs for Consumer Market”. AnandTech. 27 March 2017. Retrieved 13 November 2017.