SSD sẽ có một tương lai ảm đạm

Laura Grupp, một nghiên cứu sinh của Trường Đại học California, San Diego (UCSD) ở Mỹ cho biết, khi mật độ flash NAND tăng thì các vấn đề như độ trễ khi đọc và ghi, cũng như lỗi dữ liệu cũng gia tăng. Cô Grupp cho biết, việc tăng mật độ của SSD sẽ giúp giảm chi phí cho mỗi gigabyte, nhưng mọi việc liên quan sẽ trở nên tồi tệ hơn.

Theo báo cáo nghiên cứu của Laura Grupp, điều này làm tương lai của ổ SSD trở nên ảm đạm. Trong khi dung lượng của SSD ngày càng tăng và tốc độ xử lý IOP giúp ổ SSD hấp dẫn đối với nhiều ứng dụng, thì việc giảm sút hiệu năng cần thiết để gia tăng dung lượng trong khi vẫn kiểm soát được chi phí có thể làm cho ổ SSD khó có thể xứng đáng làm công nghệ thích hợp cho vài ứng dụng khác.

Cô Grupp cùng với Steven Swanson, Giám đốc Phòng thí nghiệm Hệ thống Lưu trữ Non-Volatile của UCSD, và John Davis của hãng nghiên cứu Microsoft Research, đã thử nghiệm 45 loại chip flash NAND khác nhau có kích thước từ công nghệ vi mạch 72nm đến 25nm hiện giờ. Các loại chip này do 6 hãng khác nhau cung cấp.

Thử nghiệm cho thấy, tốc độ chương trình (tốc độ ghi) cho các trang trong một lô flash bị khác nhau về độ trễ rất nhiều và có thể tiên đoán được. Và khi flash NAND bị dùng nhiều, tỷ lệ lỗi giữa các thiết bị cũng khác nhau rất nhiều. NAND tế bào đơn tầng single-level cell (SLC) duy trì vững vàng nhất trong các thử nghiệm, trong khi NAND tế bào đa tầng multi-level cell (MLC), đặc biệt là NAND tế bào ba tầng triple-level cell (TLC) có kết quả tệ nhất.

Các nhà nghiên cứu này đã lấy kết quả thực nghiệm của họ và ngoại suy kết quả cho năm 2024, khi mà theo lộ trình phát triển flash NAND cho biết hệ vi mạch dự kiến sẽ có kích thước chỉ 6,5nm. Lúc đó, độ trễ đọc/ghi dự đoán sẽ chậm gấp đôi trong flash MLC và sẽ tăng hơn 2,5 lần trong flash TLC.

Các nhà nghiên cứu cho biết, tỷ lệ lỗi bit đã tăng theo thừa số lớn hơn 3. Cô Grupp cho biết, chúng ta chỉ có thể chọn hoặc dung lượng hoặc hiệu năng mà thôi.

Họ dùng card flash PCIe có tốc độ kênh 400MBps với đặc tả giao thức flash NAND mở ONFI (Open NAND Flash Interface) và khuôn flash NAND 96 chuẩn, thường dùng cho SSD.

Họ không dùng bộ điều khiển flash NAND như các hãng cung cấp SSD như Intel, OCZ hay Fusion-io vẫn thường dùng. Trái lại, kết quả của họ là cơ sở để so sánh và được xem là "lạc quan" vì họ không tính độ trễ do sửa lỗi hay thuật toán thu thập dữ liệu rác.

Vì SSD không có bộ phận chuyển động, nên thời gian cần để ghi và đọc dữ liệu nhanh gấp hơn 100 lần so với đĩa cứng HDD dùng đầu đọc-ghi trên cần truyền động đề tìm dữ liệu ghi trên đĩa quay. Nhưng khi vi mạch flash NAND tiếp tục được thu nhỏ kích thước, sự khác biệt về hiệu năng so với đĩa cứng lại càng ít hơn, theo cô Grupp.

Cô cho biết, khi flash NAND thu nhỏ từ kích thước 25nm hiện giờ xuống 6,5nm vào năm 2024, các ổ SSD dùng flash TLC sẽ có dung lượng lên đến 16TB và SSD dùng flash MLC sẽ có dung lượng 4TB.

Xét về kết quả đạt được về hiệu năng ngày càng giảm so với dung lượng, theo cô Grupp, không thể nào vượt qua được mức 6,5nm... đến năm 2024 là chấm dứt.

Tuy nhiên, ngay cả với flash TLC với kích thước 6,5nm, cô Grupp cho rằng SSD sẽ tiếp tục có hiệu năng tốt hơn về thông lượng so với đĩa cứng, với mức 32.000 IOPS so với 200 IOPS (phép tính vào/ra trên giây).

Vài thông tin cần biết

Chip nhớ flash NAND được dùng để xây dựng ổ thể rắn (là ổ lưu trữ flash bên trong một khung dạng ổ đĩa cứng) và card flash PCIe. Hơn 6 năm qua, kích thước bán dẫn của chip flash NAND đã được thu nhỏ từ công nghệ 72nm xuống công nghệ 25nm, cho phép lưu trữ nhiều dữ liệu hơn trong cùng số khuôn flash.

Nhưng khi kích thước vi mạch nhỏ lại thì thành của các tế bào chứa điện tử (electron), tương ứng với đơn vị bit dữ liệu, cũng mỏng hơn. Khi thành tế bào mỏng hơn, các electron sẽ bị rò rỉ vào tạo ra lỗi dữ liệu, nên cần phải có thêm mã sửa lỗi.

Các ổ SSD đầu tiên chỉ chứa 1 đơn vị dữ liệu trong mỗi tế bào flash NAND, được gọi là flash SLC. Sau đó có flash MLC, chứa 2 đơn vị mỗi tế bào. Gần đây nhất, các hãng cung cấp đã bắt đầu sản xuất flash tế bào 3 tầng TLC, chứa 3 đơn vị dữ liệu mỗi tế bào. Flash NAND phổ biến nhất hiện nay vẫn là MLC, nhưng sẽ có thay đổi vì các hãng cung cấp đang cố gắng sản xuất SSD có dung lượng cao hơn để cạnh tranh với dung lượng của đĩa cứng HDD truyền thống.

Tuy nhiên, bộ nhớ flash sẽ hao mòn theo thời gian vì dữ liệu được đánh dấu để xóa và đổi vị trí, và dữ liệu mới được ghi theo quy trình gọi là chu kỳ ghi - xoá (P/E cycle). Phần mềm hệ thống trong bộ điều khiển ổ lưu trữ ngày nay phân bố dữ liệu đồng đều hơn trên ổ đĩa để thiết bị có độ bền cao hơn. Nhưng nói cho cùng thì flash NAND cũng có một số giới hạn các chu kỳ P/E.

Flash SLC có độ tin cậy và độ bền cao nhất, với 50.000 đến 100.000 chu kỳ P/E. NAND MLC có thể chịu được 5.000 đến 10.000 chu kỳ xóa. NAND TLC có độ bền thấp nhất, với 1.000 chu kỳ P/E hoặc thấp nhất là 500 chu kỳ P/E, theo kết quả của các nhà nghiên cứu.

Cô Grupp nhận xét đây là một tình trạng đi xuống đầy kịch tính. Người ta đã quen làm việc với công nghệ ngày càng tốt hơn, nhưng với NAND, chúng ta lại gặp tình trạng phải đánh đổi khi công nghệ này tiến hóa.