Thẻ nhớ microSD tăng nhanh dung lượng kể từ khi được giới thiệu vào năm 2005.
[Lưu ý: Đây là phần 2, cũng là phần cuối câu chuyện về sự phát triển của ngành công nghiệp lưu trữ trong 50 năm qua. Mời quý độc giả click vào đây để đọc phần 1 - CW@50: Bộ nhớ lưu trữ giá 1 triệu USD giảm còn 2 cent cho mỗi gigabyte].
Năm 1973, CDC nhận thấy cơ hội để vượt lên IBM và đã sản xuất Storage Module Drive (SMD) 9760. Thiết bị này chứa được 40MB dữ liệu, đại diện cho bước khởi đầu quan trọng đầu tiên theo tiêu chuẩn của IBM cho bộ lưu trữ ổ đĩa.
Storage Module Drive 9762 và hai bộ đĩa, tổng dung lượng 80MB được CDC công bố năm 1974.
Trong khi tăng dung lượng ổ đĩa, CDC và các công ty khác cũng làm giảm khoảng cách giữa đầu đọc/ghi và đĩa từ, đồng thời tăng tốc độ đọc/ghi.
Vào giữa những năm 1970, nỗ lực của ngành công nghiệp đã nhanh chóng chuẩn hóa cách thức kết nối ổ cứng với máy tính. Dường như cứ mỗi vài năm, có cái gì đó xuất hiện để thúc đẩy thị trường lưu trữ phát triển:
Bên phải là HDD 5.25 inch (model ST-412) được giới thiệu bởi Shugart Technology (nay là Seagate) năm 1981; nó lưu trữ được 10MB dữ liệu và giá khoảng 1.500 USD tại thời điểm đó. Bên trái là ổ đĩa Seagate 3.5 inch dung lượng 10TB - gấp khoảng một triệu lần dung lượng của ST-412. HDD Seagate 10TB có thể được mua trên Amazon với giá gần 370 USD, tức xấp xỉ 2 cent trên một gigabyte.
Năm 1977, Storage Module Drive của CDC trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp.
Năm 1982, Systems Interface của Shugart Associate được áp dụng cho Small Computer System Interface (SCSI).
Năm 1984, Sun Microsystems giới thiệu Network File System, một giao thức hệ thống tập tin phân tán (Distributed File System) cho phép các máy chủ chia sẻ không gian lưu trữ với các máy tính trong cùng một mạng.
Năm 1985, CDC, Compaq Computer và Western Digital hợp tác phát triển giao tiếp Integrated Data Electronics (IDE) - một đầu nối 40 chân kết nối Host Bus Adapter (HBA) với ổ đĩa.
Năm 1998, kênh sợi quang (Fibre Channel) được phát triển để cung cấp cho SCSI và các ổ đĩa công nghiệp khác hiệu suất cao hơn, giao tiếp nối tiếp chuyển mạch (switched serial interface). Kênh sợi quang mang lại khả năng truy cập cấp độ khối 100 MBps cho tất cả các loại thiết bị lưu trữ - mảng ổ đĩa, thư viện đĩa quang và băng từ. Kênh sợi quang cũng giúp cải thiện Storage Area Network (SAN) - cơ sở hạ tầng lưu trữ chuyên dụng tốc độ cao tách biệt với Local Area Network (LAN) của công ty.
Khi các tiêu chuẩn giao tiếp ngày một nhiều, IBM tiếp tục dẫn đầu trong phát triển phần cứng. Năm 1979, hãng tạo ra ổ đĩa 8 inch đầu tiên, với biệt danh Piccolo, lưu trữ 64MB trên 6 đĩa từ, dành cho máy tính IBM 62. IBM cũng bán nó như là thiết bị lưu trữ truy cập trực tiếp (direct access storage device - DASD) có khả năng kết nối 3310.
Ổ cứng IBM Piccolo 64MB với 6 đĩa từ 8 inch, dành cho máy tính IBM 62.
Quan trọng hơn, IBM giới thiệu ổ đĩa đầu tiên sử dụng đầu màng mỏng (thin film head), cho phép mật độ bề mặt tăng lên. Năm 1981, IBM ứng dụng công nghệ màng mỏng để cho ra đời một ổ đĩa gấp 4 lần dung lượng của ổ đĩa tiền nhiệm.
Cuộn dây đồng màng mỏng (ảnh trên cùng) được sử dụng cho đầu đọc/ghi của ổ cứng IBM 3380 (ảnh giữa). Ngăn phía trên HDD này (ảnh dưới cùng) là bộ đĩa di động và các đầu đọc/ghi khác nhau đã được tháo rời.
Trong khi DASD của IBM tiếp tục thu nhỏ kích thước và tăng dung lượng vào những năm 1980, các ổ đĩa cỡ lớn "có tác động xấu đến tình hình kinh doanh của công ty" khi đề cập đến bộ lưu trữ, David Bennet nói. Các công ty khác, đặc biệt là Seagate, đã bắt đầu sản xuất dạng mẫu nhỏ hơn, còn IBM vẫn tiếp tục chế tạo đĩa từ 14 inch. "Lúc IBM sở hữu ổ đĩa cỡ nhỏ hơn, đã có những đối thủ cạnh tranh phía trước họ".
Đối thủ cạnh tranh tăng
Công việc của các nhà cung cấp khác đã đánh dấu khởi đầu của một kỷ nguyên bùng nổ trong phát triển ổ cứng, bắt đầu với sự ra đời của ngành công nghiệp máy tính cá nhân (personal computer - PC) vào cuối những năm 1970 và đầu những năm 1980. Trong số các công ty thúc đẩy ngành công nghiệp này có Microsoft và Apple Computer, tạo ra thị trường cho máy tính để bàn (desktop computer) đang phổ biến rộng rãi; kết quả là những công ty này mang lại hiệu quả kinh tế về mặt quy mô giúp ổ cứng tăng nhanh bên trong máy tính.
Bảng thống kê mật độ bề mặt của ổ cứng từ năm 1957 đến 2014 (tính theo đơn vị bit trên mỗi inch vuông).
* Đây là năm giới thiệu thương mại, không phải năm có giá thành thấp nhất trên mỗi bit của công nghệ đó.
"Thời điểm IBM ra mắt máy tính cá nhân cũng là lúc Al Shugart phát triển ổ cứng 5 inch", phó chủ tịch nghiên cứu HDD của IDC, John Rydning nói. "Ổ đĩa 5 inch làm cho máy tính trở nên khả thi".
Ổ cứng Seagate 5.25 inch ST506 có thể lưu trữ đến 5MB và trở thành tiêu chuẩn trong thực tế cho ngành công nghiệp máy tính.
"Rất nhiều công nghệ tiên tiến xảy ra trên HDD kể từ thời điểm đó", Rydning nói. "Seagate đã phát động ngành công nghiệp ổ cứng bởi vì bạn có số lượng ổ đĩa tăng lên được thúc đẩy bởi thị trường máy tính cá nhân... và điều đó cũng thôi thúc các công ty khác". Sau khi HDD 5.25 inch của Seagate xuất hiện, đối thủ của nó từ các nhà cung cấp khác là ổ đĩa 3.5 inch, sau đó là model 2.5 inch và cuối cùng là ổ 1 inch.
Bên trái là HDD 40MB của Quantum Corp. được bán trong suốt những năm đầu 1980. Bên phải, HDD 3.5 inch 10TB của Western Digital hiện nay, dung lượng lớn gấp 250.000 lần so với ổ đĩa bên trái.
Năm 1990, IBM giới thiệu HDD 9345 DASD. Đây là ổ cứng đầu tiên sử dụng đầu hiệu ứng từ điện trở màng mỏng (thin film magnetoresistive head - TFMR) - những lớp vật liệu dẫn từ và không dẫn từ mỏng nằm đan xen nhau - cho phép tạo ra ổ đĩa nhiều gigabyte. IBM 9345 có tên mã "Sawmill", do phòng thí nghiệm tại San Jose của hãng chế tạo thành công dựa trên công nghệ này. Trước đó, vào giữa những năm 1980, đầu TFMR được IBM dùng cho ổ đĩa băng từ.
HDD "Sawmill" IBM 9345 DASD - ổ cứng đầu tiên sử dụng đầu hiệu ứng từ điện trở.
Năm 1994, các nhà sản xuất khác làm theo IBM khi Fujitsu, Hitachi và Hewlett Packard phát triển loại đầu TFMR của riêng họ. Đến năm 1999, công nghệ này trở nên phổ biến.
Dung lượng ổ đĩa tiếp tục tăng lên, nhưng sau đó mật độ đĩa từ bắt đầu chững lại ở con số khoảng 100 Gb/inch2 (gigabit trên inch vuông). Cho đến năm 2005, xuất hiện bước đột phá công nghệ giúp vượt qua giới hạn đó và bắt đầu một kỷ nguyên mới.
Với tên gọi Ghi Từ Vuông góc (Perpendicular Magnetic Recording - PMR), công nghệ này tạo ra các bit dữ liệu theo phương thẳng đứng, tức vuông góc với track của đĩa từ (ví như chúng tựa sát vào nhau theo kiểu vai kề vai), giúp tăng mật độ lưu trữ. Với công nghệ ghi truyền thống, các bit dữ liệu nằm dọc theo track của đĩa từ.
Kỹ thuật ghi dữ liệu trên ổ cứng: Phía trên là công nghệ truyền thống, các bit dữ liệu nằm dọc theo track của đĩa từ. Phía dưới là công nghệ PMR mới, các bit dữ liệu vuông góc với track của đĩa từ, giúp tăng mật độ lưu trữ.
Toshiba và Seagate phát triển PMR, tăng dung lượng thiết bị lưu trữ từ tính lên gấp 10 lần, nghĩa là các ổ đĩa nhỏ bé trước đây chứa được 3.000 bài hát, thì nay con số này có thể lên đến 30.000.
Khi ngành công nghiệp lại phải đối mặt với giới hạn dung lượng, năm 2013 Seagate công bố công nghệ SMR (Shingled Magnetic Recording - Ghi Từ Xếp lớp), các track dữ liệu được xếp chồng lên nhau giống như mái ngói, giúp tăng dung lượng ổ cứng lên 25%; sau đó, năm 2014 HGST giới thiệu ổ đĩa chứa khí heli, tăng dung lượng thêm 50% nữa.
So với công nghệ ghi truyền thống (phía trên), SMR của Seagate (phía dưới) giúp tăng dung lượng ổ cứng lên 25% bằng cách tối đa hóa số lượng track trên mỗi đĩa từ.
"Có quá nhiều nhân tài làm việc trong lĩnh vực lưu trữ dữ liệu, đã thực hiện rất nhiều cải tiến và thương mại hóa chúng một cách nhanh chóng", Rydning nói.
Nhanh hơn định luật Moore
Kể từ những năm 1980, các nhà sản xuất ổ cứng phải chạy đua chống lại một loại đối thủ lưu trữ khác: flash NAND - loại bộ nhớ giảm chi phí và mật độ rất đáng chú ý. Đầu những năm 1980, Toshiba phát triển bộ nhớ bất biến có khả năng lập trình đầu tiên - flash NOR (được đặt tên này vì nó có thể xóa một lượng lớn bộ nhớ).
Đến năm 1987, Toshiba công bố bộ nhớ flash NAND đầu tiên, lưu trữ dữ liệu trực tiếp vào silicon (Si), thay vì trên đĩa từ quay. Bốn năm sau, Toshiba lần đầu ra mắt EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read-Only Memory - bộ nhớ chỉ đọc có khả năng lập trình và xóa bằng điện) loại NAND 4Mb (megabit).
Cùng khoảng thời gian đó, SunDisk - mới thành lập được 3 năm - bán ra ổ đĩa thể rắn (Solid State Drive - SSD) dựa trên flash NAND đầu tiên trên thế giới. SSD này có dung lượng 20MB với kích thước 2.5 inch và nhằm mục đích thay thế cho ổ cứng trong máy tính IBM ThinkPad. Giá bán lẻ là 1.000 USD, tức 50 USD mỗi MB. (SunDisk sau đó đổi tên thành SanDisk).
SSD 2.5" 20MB của SunDisk - ổ đĩa thể rắn dựa trên flash NAND đầu tiên trên thế giới - nhằm mục đích thay thế cho ổ cứng trong máy tính IBM ThinkPad. Giá bán lẻ 1.000 USD, tức 50 USD mỗi MB. Trong những thập kỷ tiếp theo, sự cải tiến công nghệ không ngừng đã làm giảm giá thành hơn 50.000 lần xuống còn khoảng 32 cent/GB.
Tượng tự công nghệ PMR đã tạo ra ổ đĩa có mật độ lớn hơn, bộ nhớ flash cũng được gia tăng mật độ lớn đầu tiên khi năm 1997 các nhà sản xuất bắt đầu lưu trữ 2 bit dữ liệu thay vì 1 bit trên mỗi bóng bán dẫn (transistor) - mở ra các sản phẩm Multi-Level Cell (MLC). Và năm 2008, họ bắt đầu nhồi 3 bit trên mỗi cell, giúp tăng thêm dung lượng lưu trữ của chip và hạ giá thành.
Sự phát triển của điện thoại thông minh (smartphone) và các thiết bị di động khác sử dụng flash NAND để lưu trữ onboard cũng làm cho giá thành giảm xuống qua kinh tế quy mô (economies of scale).
Kết quả rất ấn tượng.
Năm 2010, một gigabyte flash NAND được bán lẻ với giá 1 USD. Hiện nay, một gigabyte bộ nhớ flash giá khoảng 26 cent.
Các công nghệ khác đã thúc đẩy ngành công nghiệp lưu trữ trong những thập kỷ gần đây.
Năm 1999, SanDisk, Matsushita (sau này là Panasonic) và Toshiba sử dụng đặc tính của MultiMediaCard (MMC - được phát hành năm 1997 bởi SanDisk và Siemens AG) để tạo ra thẻ nhớ Secure Digital (SD), hỗ trợ Digital Rights Management (DRM) dựa trên tiêu chuẩn Secure Digital Music Initiative (SDMI).
Thẻ nhớ MMC và SD cung cấp dung lượng lưu trữ lớn cho máy ảnh kỹ thuật số và các thiết bị di động khác. Thẻ MMC 16MB (bên trái cùng) từ năm 2007 so với thẻ SD 512GB (bên phải cùng) năm 2016.
Bên trái là 50 đĩa mềm 3.5 inch từ những năm 1990 - dung lượng mỗi đĩa 1,44MB. Bên phải là một thẻ nhớ flash SD, dung lượng 512GB từ năm 2016. Sẽ cần khoảng 358.400 đĩa mềm 3.5 inch để bằng với bộ nhớ trên thẻ SD này.
Ngày nay, các công ty như WD/SanDisk bán thẻ nhớ microSD 512GB, có thể lưu trữ 128.000 bài nhạc MP3 được mã hóa ở tốc độ 128 kbps.
Thẻ nhớ microSD SanDisk 256GB và 512GB, cùng adapter chuyển đổi từ microSD sang SD.
Thật vậy, flash NAND đã vượt qua Định Luật Moore khi xét về thời gian tăng mật độ và dung lượng.
Lấy SSD làm ví dụ. Năm 2012, SSD đạt tốc độ tối đa khoảng 250 MBps và dung lượng cao nhất 512GB. Hiện nay, SanDisk và những công ty khác cung cấp SSD với tốc độ truyền dữ liệu trên 1.700 MBps và dung lượng 4TB. Năm trước, Samsung đã bắt đầu bán ra ổ đĩa SSD dung lượng lớn nhất thế giới (15,36TB) dành cho các hệ thống lưu trữ doanh nghiệp.
Tiếp tục cải tiến
Theo thời gian, các nhà sản xuất cũng có thể thu nhỏ kích thước hình học của mạch tạo nên công nghệ flash NAND - từ 90 nanomet (nm) cách đây vài năm xuống còn 34nm và cuối cùng là 10nm. Nhưng khi mạch được thu nhỏ, vấn đề bắt đầu phát sinh. Các electron bị rò rỉ từ cell này qua cell khác, tạo ra lỗi dữ liệu. Do đó, các nhà sản xuất phải thiết kế mã sửa lỗi phức tạp để loại bỏ vấn đề này.
Tuy nhiên, cuối cùng các nhà chế tạo flash NAND phải đối mặt với một thử thách: Họ có rất ít không gian để thu nhỏ mật độ của mạch hơn nữa.
Giống như PMR đã đánh dấu một kỷ nguyên mới cho ổ cứng vào giữa những năm 2000, V-NAND (vertical NAND - NAND dọc, hay còn gọi NAND 3D) gần đây cho phép các nhà chế tạo bộ nhớ phá vỡ giới hạn dung lượng của flash NAND phẳng (một lớp).
Samsung, Intel, Micron và những công ty khác bắt đầu nghiên cứu cách xếp chồng các lớp bộ nhớ flash NAND.
Công nghệ NAND 3D sử dụng một kỹ thuật được gọi là Through Silicon Via (TSV), tạo ra các lỗ có kích thước micron xuyên qua chip silicon theo chiều dọc thay vì theo chiều ngang để cho phép truyền dữ liệu. Kết quả là thiết bị flash NAND sử dụng năng lượng ít hơn 45%, hiệu suất và độ bền gấp đôi so với NAND phẳng. Nhiều lớp bóng bán dẫn tạo nên một "tòa nhà cao tầng" cell flash cực nhỏ, có thể lên đến 64 "tầng".
Kỹ thuật TSV được sử dụng trong công nghệ bộ nhớ NAND 3D.
"Diện tích bề mặt của silicon dần dần trở thành loại bất động sản đắt đỏ nhất, khoảng 3,5 tỷ USD một mẫu Anh (xấp xỉ 4.000 mét vuông)", phó chủ tịch phụ trách công nghệ bộ nhớ của WD - công ty sở hữu nhà sản xuất SSD SanDisk - Siva Sivaram nói. "Vì vậy, khi phải bỏ ra hàng tỷ đô la cho một mẫu Anh, bạn đừng mua những căn nhà kiểu trang trại California. Hay đầu tư theo kiểu Manhattan".
"Chúng tôi giới thiệu sản phẩm flash 3D đầu tiên vào năm 2005, với 4 lớp. Bây giờ chúng tôi đang ở mức 64 lớp. Tôi có thể cho bạn biết rằng không có giới hạn vật lý nào về chiều cao mà chúng tôi có thể đạt tới", Sivaram nói. "Trên cả ba trục, chúng tôi không gặp bất kỳ giới hạn trực tiếp nào cản trở chúng tôi, đây là nơi có không gian rất rộng lớn để phát triển".
Năm nay, Intel và Micron đã công bố kế hoạch bắt đầu cho ra cải tiến mới nhất trong bộ nhớ bất biến - 3D Xpoint, một lớp bộ nhớ mới mà họ cho rằng ở khoảng giữa flash NAND và DRAM. Nghĩa là nó có hiệu suất gấp 1.000 lần so với ổ đĩa flash điển hình.
Công nghệ 3D XPoint của Intel được cho rằng ở khoảng giữa flash NAND và DRAM. Nghĩa là nó có hiệu suất gấp 1.000 lần so với ổ đĩa flash điển hình.
Micron sẽ bán ra thị trường bộ nhớ 3D XPoint với tên QuantX, còn Intel lấy tên Optane.
Từ IBM đến ngày nay
Trong 5 thập kỷ qua, khởi đầu là một nhà sản xuất ổ cứng duy nhất - IBM - đã phát triển thành ngành công nghiệp mà có thời điểm lên đến 262 công ty ổ cứng. Ngày nay, sau nhiều năm hợp nhất và sáp nhập, chỉ còn 3 nhà sản xuất ổ cứng (WD, Seagate và Toshiba).
Ngày nay, sau nhiều năm hợp nhất và sáp nhập, chỉ còn 3 nhà sản xuất ổ cứng (WD, Seagate và Toshiba).
Khi công nghệ tiến bộ và biến đổi, giá thành tiếp tục giảm xuống. Từ năm 2000 đến 2016, giá ổ cứng giảm 28% mỗi năm, trong khi giá bộ nhớ flash NAND giảm 48% mỗi năm, theo Rydning.
Trong thập kỷ tiếp theo, ngành công nghiệp có thể nhìn thấy những đột phá liên quan đến khoa học đời sống và sử dụng DNA để lưu trữ dữ liệu vô hạn.
Nền tảng mà lĩnh vực lưu trữ tạo ra cho ngành công nghệ là "hết sức ấn tượng", Rydning nói. Nó đặt nền móng cho điện toán đám mây, các ứng dụng chúng ta chạy trên điện thoại thông minh, Facebook và nhạc kỹ thuật số, ông nói thêm. "Tất cả mọi thứ đã có được nhờ những tiến bộ trong công nghệ ổ đĩa".