Những Thứ Bạn Cần Biết Về NAND Flash

1 – NAND Flash là gì?

NAND Flash (hay còn gọi là bộ nhớ flash) là một loại công nghệ lưu trữ mà không cần nguồn điện để lưu giữ dữ liệu. Ví dụ như chiếc điện thoại di động ta sử dụng hằng ngày, với NAND Flash là nơi lưu trữ các tệp dữ liệu như ảnh, video và nhạc trên thẻ nhớ microSD. Các chip flash NAND có kích thước gần bằng đầu ngón tay và có thể lưu giữ lượng dữ liệu khổng lồ.

NAND Flash trong thẻ SD và USB

2 – Công dụng của NAND Flash 

NAND Flash xuất hiện ở xung quanh chúng ta như trong điện thoại thông minh, trong TV hiện đại và cả trong máy tính và máy tính bảng trong nhà, văn phòng của chúng ta. Ngoài ra, ta có thể bắt gặp nó ở bên ngoài, trong tất cả các loại thiết bị từ đèn giao thông đến bảng quảng cáo kỹ thuật số, hệ thống thông báo hành khách và màn hình. Bất kỳ thứ gì có trí thông minh nhân tạo (AI) và cần lưu giữ dữ liệu đều có khả năng chứa NAND Flash.

NAND Flash có sẵn ở các phân lớp khác nhau: công nghiệp và tiêu dùng. Tuy nhiên, có sự khác biệt đáng kể giữa NAND cấp công nghiệp và tiêu dùng. Do đó, ta cần phải xem xét tác động của những sự khác biệt này đối với độ đáng tin cậy, độ bền, sự tuân thủ và tổng chi phí sở hữu (TCO) trước khi chọn NAND Flash phù hợp với mục đích trong ứng dụng của bạn.

3- Quy trình sản xuất

Cách mà NAND Flash được tạo ra có thể có một kết quả đáng kể về các đặc tính hiệu suất.

NAND Flash trải qua hơn 800 quy trình sản xuất khác nhau và mất khoảng 30 ngày để làm chỉ một chiếc bánh quế (có kích thước bằng một chiếc bánh pizza lớn, đường kính thường là 300mm). Các nhà máy NAND hay FABS rất lớn, hoạt động 24/7 để đạt hiệu quả tối đa và sạch hơn 100 lần so với các rạp điều hành bệnh viện. 

FABS có thể tạo ra nhiều loại NAND Flash khác nhau chẳng hạn như SLC, MLC, 3D,… với các kích thước khác nhau. Ngoài ra, một số FABS có thể sản xuất hơn 100 000 tấm wafer mỗi tháng.

Sau khi được chia hoặc cắt thành các chip riêng biệt, các tấm wafer sẽ được phân tích và phân loại. Sau đó, các con chip này được chuyển đến một nhà cung cấp. Các chip chất lượng cao nhất sẽ có các đặc điểm hiệu suất tốt nhất và do đó có giá cao hơn.

4 – Các loại NAND Flash

Dữ liệu được lưu trữ trên NAND Flash được biểu thị bằng các điện tích được lưu trữ trong mỗi ô NAND. Tuy nhiên có sự khác biệt giữa ô đơn mức (SLC) và ô đa mức (MLC). Ở SLC NAND chỉ lưu trữ 1 bit dữ liệu trên mỗi ô tại một thời điểm. Như tên gọi của nó, MLC NAND 2-bit lưu trữ 2 bit dữ liệu và MLC NAND 3-bit lưu trữ 3 bit dữ liệu trên mỗi ô. Ngoài ra, MLC 3-bit được gọi là Trible-Level Cell (TLC) và Quad-Level Cell (QLC). 

Càng ít bit trên mỗi ô thì dung lượng càng nhỏ, nhưng dữ liệu được ghi và truy xuất nhanh hơn và chip NAND có độ bền cao hơn nên sẽ tồn tại lâu hơn. Do đó, SLC là nhanh nhất và có độ bền cao nhất nhưng bù lại dung lượng thấp hơn (thường lên đến 64GB). TLC sẽ chậm hơn nhiều với độ bền thấp.

Biểu đồ các bit trên mỗi ô và các đặc điểm chính của chúng

5 – Sự xuất hiện của 3D NAND

Ngày nay, trên thị trường NAND Flash đã xuất hiện một trình phát mới – 3D NAND. Mặc dù khái niệm 3D NAND không phải là mới vì nó đã xuất hiện gần một thập kỷ nhưng nó chỉ mới xâm nhập thị trường một cách rầm rộ trong vài năm trở lại đây. Đây được cho là sự phát triển NAND lớn nhất kể từ khi ra đời vào những năm 1980 nhưng để 3D NAND hoạt động nhất quán là một vấn đề. Tuy nhiên, những thách thức đó hiện nay đã được khắc phục.

3D NAND là sự xếp chồng của các chip bộ nhớ lên nhau. Một số nhà sản xuất gọi đây là V-NAND. Mục đích là làm cho các ứng dụng và thiết bị chạy nhanh hơn và hiệu quả hơn, chứa nhiều thông tin và sử dụng ít năng lượng hơn. Thực tế, trên thị trường, công ty đầu tiên tung ra 3D NAND là Samsung, một cái tên quen thuộc và cho đến nay là nhà sản xuất NAND Flash lớn nhất thế giới, với hơn 40% thị trường NAND toàn cầu.

Để 3D NAND hoạt động ổn định trong nhiệt độ hoạt động từ -40°C đến 85°C là một thách thức đối với một số nhà sản xuất cung cấp cho thị trường công nghiệp. Trong khi nhiệt độ hoạt động tiêu chuẩn từ 0°C đến 70°C là đủ cho cấp độ người tiêu dùng, nơi làm việc, máy chủ và trung tâm dữ liệu nhưng đối với các ứng dụng làm việc trong môi trường khắc nghiệt hoặc những nơi xa, phạm vi nhiệt độ này là không đủ. Do đó, các nhà cung cấp thiết bị lưu trữ công nghiệp hiện đã có thời gian để phân tích và kiểm tra 3D NAND đến mức nó hoạt động nhất quán ở nhiệt độ hoạt động rộng và hiện nó đã có sẵn cho các ứng dụng công nghiệp.

6 – Sự khác biệt giữa các loại NAND Flash

Mỗi loại NAND Flash sẽ có những ưu và nhược điểm. Chẳng hạn như SLC lưu trữ ít dữ liệu hơn nhưng rất nhanh và có độ bền cao nhất bù lại thì nó là đắt nhất. Các loại NAND khác có thể chứa nhiều dữ liệu hơn và rẻ hơn nhưng có mức độ bền thấp hơn nhiều và thường chậm hơn. Do đó, trước khi quyết định NAND flash nào phù hợp cho một ứng dụng, ta cần phải xem xét cẩn thận những đặc điểm này và tác động của chúng đến hiệu suất ứng dụng.

Có lẽ điểm khác biệt chính giữa các loại NAND là độ bền hoặc chu kỳ xóa chương trình (P/E). Do cách thức hoạt động của bộ nhớ NAND Flash, cần phải xóa một ô trước khi có thể ghi vào. Quá trình xóa và sau đó ghi một ô được gọi là chu trình P/E. Mỗi lần xóa ô, nó sẽ bị hư hoặc mòn. Một ô chỉ có thể bị xóa dưới dạng một khối và được viết dưới dạng trang.

Một khối gồm nhiều trang, kích thước của mỗi khối và trang được quyết định bởi thiết kế của chip NAND Flash. Nếu thông tin trong một ô thay đổi, nó sẽ được ghi vào một ô khác và dữ liệu cũ được đánh dấu là ‘sẵn sàng để xóa’. Sau đó, dữ liệu ‘tốt’ trong một khối được chuyển đi nơi khác và toàn bộ khối sẽ bị xóa.

Vì vậy, thường ngay cả khi dữ liệu trong một ô không thay đổi, nó vẫn sẽ trải qua chu kỳ P/E. Các tế bào được mài mòn như nhau bằng công nghệ cân bằng độ mòn. Toàn bộ quá trình này làm tăng số chu kỳ P/E và đảm bảo rằng NAND Flash không lấp đầy dữ liệu dư thừa. Bên cạnh đó, tuổi thọ của thiết bị được định nghĩa là độ bền và tỷ lệ thuận với chu kỳ P/E của NAND Flash. 

Khi so sánh các loại NAND khác nhau, ta có các chu kỳ P/E điển hình:

• SLC: 60000
• MLC: 1500 đến 3000 (độ bền thấp hơn cho người tiêu dùng/cao hơn trong công nghiệp)
• 3D TLC: 500 đến 3.000 (độ bền thấp hơn cho người tiêu dùng/cao hơn trong công nghiệp)

Có thể thấy, có sự khác biệt đáng kể về độ bền NAND và việc chọn sai loại sẽ có ảnh hưởng đến hiệu suất ứng dụng.

7 – Cầu nối khoảng cách với chế độ SLC

Chế độ SLC là sự kết hợp giữa MLC 2 bit trên mỗi ô sử dụng phần sụn thông minh để mô phỏng các trạng thái lưu trữ của SLC. Điều này dẫn đến tăng độ bền trên MLC (khoảng 20-30K chu kỳ P/E), tuy nhiên chỉ bằng một phần chi phí khi so sánh với SLC. 

Đối với các ứng dụng công nghiệp, chi phí và độ tin cậy có tầm quan trọng như nhau và điều này mang lại một nền tảng trung bình tốt. Trên thị trường, chế độ SLC thường được gọi là pSLC và một số nhà sản xuất có tên thương hiệu riêng của họ, chẳng hạn như iSLC và aMLC, nhưng về cơ bản chúng đều giống nhau.

Sự khác biệt của các loại NAND Flash chính 

8 – Sự khác biệt giữa NAND tiêu dùng và công nghiệp

NAND dùng trong công nghiệp thường là SLC, MLC và cho đến gần đây là 3D TLC. Chúng có khả năng tùy biến cao, có thể hoạt động ở nhiệt độ hoạt động rộng và được sử dụng trong các ngành hàng không vũ trụ, quốc phòng, giao thông vận tải, y tế, hàng hải, năng lượng và thông tin giải trí. 

Đối với NAND tiêu dùng, ta không thể tùy chỉnh cấp độ tiêu dùng và hạn chế nhiệt độ hoạt động (từ 0°C đến 70 C). Nó thường được tìm thấy trong điện thoại, máy tính xách tay, máy tính bảng, PC và TV.

B2bmart.vn vừa giới thiệu đến bạn đọc một số thông tin hữu ích về NAND Flash. Hi vọng qua bài đọc sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn và có thể áp dụng kiến thức trên vào công việc của mình.