Bộ nhớ Flash là gì? Tác dụng và cách phân loại

Bộ nhớ Flash là gì?

Flash memory, hay bộ nhớ flash, là một loại bộ nhớ không khả biến được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện tử và hệ thống máy tính. Đặc điểm nổi bật của flash memory là khả năng lưu trữ dữ liệu mà không cần nguồn điện liên tục, giúp nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị di động, máy ảnh kỹ thuật số, ổ USB và ổ đĩa trạng thái rắn (SSD).

Bộ nhớ Flash lưu trữ dữ liệu không bị mất kể cả có ngắt điện thiết bị. Nó tương tự như ROM và khác với RAM. Tuy nhiên, với ROM ta chỉ ghi dữ liệu 1 lần duy nhất và không thể thay đổi. Nhưng bộ nhớ FLash có thể thay đổi dữ liệu.

Các đặc điểm của bộ nhớ Flash

• Không mát dữ liệu khi ngắt nguồn điện.
• Sử dụng công nghệ Solid-state (ss) nên truy xuất dữ liệu nhanh hơn HDD.
• Truy cập dữ liệu nhanh chóng.
• Có dung lượng lưu trữ lớn từ vài Gb đến vài Tb.
• Tốn ít năng lượng hơn khi đọc dữ liệu so với HDD.
• Có thể xóa và ghi nhiều lần.

Cách bộ nhớ Flash ghi và xóa dữ liệu

Bộ nhớ flash là một loại bộ nhớ không khả biến (non-volatile memory) có thể lưu trữ và xóa dữ liệu nhiều lần. Nó hoạt động dựa trên cấu trúc của các ô nhớ được tạo thành từ các bóng bán dẫn cổng nổi (floating-gate transistors). Dưới đây là hai bước chính trong quá trình hoạt động của bộ nhớ flash: ghi dữ liệu và đọc dữ liệu.

1. Ghi dữ liệu vào bộ nhớ flash

Cấu trúc ô nhớ:

Bộ nhớ flash bao gồm hàng triệu ô nhớ nhỏ, mỗi ô nhớ được cấu tạo từ một bóng bán dẫn cổng nổi.

Các ô nhớ này được sắp xếp theo thứ tự tuần tự trong một mảng các ô nhớ.

Quá trình ghi dữ liệu:

Dữ liệu trong bộ nhớ flash chỉ có thể được lưu trữ dưới dạng các bit 0 và 1.

Để ghi dữ liệu, một điện áp cao được áp dụng vào cổng điều khiển (control gate) của bóng bán dẫn.

Điện áp này tạo ra một hiệu ứng “đường hầm Fowler-Nordheim” (Fowler-Nordheim tunneling), cho phép các electron đi qua lớp oxide và bị “bẫy” trong cổng nổi. Số lượng electron trong cổng nổi quyết định trạng thái của bit (0 hoặc 1).

Khi các electron bị giữ lại trong cổng nổi, ô nhớ sẽ lưu trữ dữ liệu tương ứng.

Xóa dữ liệu:

Để xóa dữ liệu, một điện áp cao nhưng ngược chiều (trái dấu) được áp dụng, tạo ra hiệu ứng “đường hầm ngược” (reverse tunneling). Điều này cho phép các electron rời khỏi cổng nổi, đặt tất cả các bit của ô nhớ về 0.

Việc xóa thường được thực hiện trên toàn bộ khối các ô nhớ thay vì từng ô riêng lẻ, làm tăng hiệu suất xóa.

2. Đọc dữ liệu từ bộ nhớ flash

Quá trình đọc dữ liệu:

• Để đọc dữ liệu, một điện áp thấp hơn (so với điện áp ghi) được áp dụng vào cổng điều khiển.
• Dựa vào lượng điện tích trong cổng nổi, mức điện áp này sẽ thay đổi dòng điện chạy qua bóng bán dẫn.
• Dòng điện này được đo lường để xác định trạng thái của bit. Nếu có dòng điện chạy qua, bit được đọc là 1, nếu không có dòng điện, bit được đọc là 0.

Cách đo dòng điện:

• Khi điện áp được áp dụng vào cổng điều khiển, mức điện tích trong cổng nổi ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện của bóng bán dẫn.
• Bằng cách đo lường dòng điện, mạch đọc có thể xác định được trạng thái của từng bit (0 hoặc 1).

Có những loại bộ nhớ Flash nào?

Bộ nhớ flash được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện tử. Có ba loại chính của bộ nhớ flash, mỗi loại có cấu trúc và ứng dụng khác nhau: NAND, NOR và 3D.

1. Bộ nhớ flash NAND

Mật độ ô nhớ cao: Bộ nhớ flash NAND có mật độ ô nhớ cao, cho phép lưu trữ một lượng lớn dữ liệu trong một không gian nhỏ.

Ứng dụng: Thường được sử dụng trong thẻ nhớ, ổ USB và ổ đĩa trạng thái rắn (SSD).

Ô nhớ: Các ô nhớ NAND được tạo thành từ hai cổng: cổng điều khiển (control gate) và cổng nổi (floating gate).

• Cổng điều khiển: Được sử dụng để áp dụng điện áp cần thiết để ghi và đọc dữ liệu.
• Cổng nổi: Lưu trữ các electron để xác định trạng thái của bit (0 hoặc 1).

Ưu điểm:

• Tiêu thụ điện năng thấp: Sử dụng ít điện năng để lưu trữ dữ liệu, giúp tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ pin của các thiết bị di động.
• Chi phí thấp: So với bộ nhớ flash NOR, NAND có chi phí sản xuất thấp hơn, do đó được sử dụng rộng rãi hơn.

2. Bộ nhớ flash NOR

Tốc độ đọc nhanh: Các ô nhớ trong bộ nhớ flash NOR được kết nối song song, giúp tăng tốc độ đọc dữ liệu.

Cấu trúc:

• Ô nhớ: Bộ nhớ flash NOR được tạo thành từ các bóng bán dẫn FGMOS hoặc FGMOSFET (Bóng bán dẫn hiệu ứng trường oxit kim loại cổng nổi).
• FGMOS: Là thành phần điện tử trong bộ nhớ flash NOR có thể lưu trữ bit 0 hoặc 1.
• Kết nối song song: Các ô nhớ được kết nối song song, giúp tăng tốc độ truy cập dữ liệu.

Ứng dụng:

Firmware: Thường được sử dụng để lưu trữ firmware do khả năng đọc nhanh và đáng tin cậy.

Ưu điểm:

Tốc độ đọc nhanh: Do kết nối song song của các ô nhớ, bộ nhớ flash NOR có tốc độ đọc nhanh hơn so với NAND, làm cho nó phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu truy cập dữ liệu nhanh chóng.

3. Bộ nhớ flash 3D

Đặc điểm:

• Mật độ ô nhớ lớn: Bộ nhớ flash 3D có mật độ ô nhớ lớn hơn cả bộ nhớ flash NAND.
• Dung lượng cao: Được sử dụng trong các ổ đĩa trạng thái rắn (SSD) dung lượng cao.

Cấu trúc:

• Thiết kế xếp chồng: Các lớp ô nhớ được xếp chồng lên nhau theo chiều dọc, giúp tăng mật độ lưu trữ mà không cần tăng diện tích bề mặt của chip.
• Tối ưu hóa không gian: Thiết kế này giúp tăng dung lượng lưu trữ mà không cần mở rộng kích thước vật lý của thiết bị.

Ưu điểm:

• Dung lượng cao: Phù hợp cho các ứng dụng cần dung lượng lưu trữ lớn, như SSD dung lượng cao.
• Hiệu suất cao: Thiết kế 3D cho phép tốc độ truy cập dữ liệu nhanh và hiệu suất cao hơn so với các loại bộ nhớ flash truyền thống.

Hạn chế của bộ nhớ Flash

Mặc dù có nhiều ưu điểm, bộ nhớ flash cũng tồn tại một số hạn chế quan trọng:

• Bộ nhớ flash có số lần ghi/xóa hạn chế (NAND khoảng 10,000-100,000 chu kỳ, NOR khoảng 100,000-1,000,000 chu kỳ).
• Tốc độ ghi chậm hơn so với đọc do cần xóa trước khi ghi.
• Ghi dữ liệu nhỏ làm tăng số lượng ghi/xóa thực tế, giảm tuổi thọ.
• Giới hạn dung lượng trên mỗi ô nhớ, mặc dù công nghệ 3D tăng mật độ lưu trữ nhưng vẫn có thách thức kỹ thuật.
• Dữ liệu có thể mất theo thời gian do rò rỉ điện tích, đặc biệt ở nhiệt độ cao.

Các ứng dụng của Flash Memory

Flash memory được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và thiết bị khác nhau, bao gồm:

1. Ổ đĩa SSD: Flash memory được sử dụng làm nền tảng cho SSD, cung cấp tốc độ truy cập dữ liệu nhanh hơn và độ bền cao hơn so với ổ đĩa cứng truyền thống (HDD).
2. Ổ USB: Bộ nhớ flash là thành phần chính của ổ USB, cho phép lưu trữ và di chuyển dữ liệu dễ dàng giữa các thiết bị.
3. Thẻ nhớ: Được sử dụng trong các thiết bị như máy ảnh kỹ thuật số, điện thoại di động và máy tính bảng để mở rộng dung lượng lưu trữ.
4. Firmware: Nhiều thiết bị sử dụng flash memory để lưu trữ firmware, cho phép cập nhật và nâng cấp phần mềm dễ dàng.

Mong rằng bài viết này đã giúp bạn hiểu về bộ nhớ Flash!