Ổ cứng SSD, thẻ nhớ hoạt động thế nào?

 Có lẽ nhiều bạn thắc mắc rằng, tại sao một cái vật vô tri vô giác như cái thẻ nhớ, ổ cứng SSD được chế tạo từ đất đá và kim loại lại có thể lưu trữ được dữ liệu? Tại sao nó còn lưu được rất nhiều dữ liệu, dữ liệu nó lưu có thể lớn bằng cả một cái thư viện? Ở bài viết trước, chúng tôi đã giải thích về CPU (nếu bạn chưa xem thì có thể xem tại đây: CPU hoạt động thế nào?). Như vậy, nếu dùng điện và sử dụng bóng bán dẫn, các thiết bị điện tử (như CPU, Ram) có thể lưu và xử lý dữ liệu. Nhưng cái thẻ nhớ, nó chẳng cần dùng điện mà vẫn có thể lưu được dữ liệu, tại sao lại như vậy? Chúng ta cùng tìm hiểu trong bài viết này các bạn nhé.

Thẻ nhớ SD, ổ cứng HDD và ổ cứng SSD

 Như những bài viết trước, chúng tôi đã chia sẻ về kiến thức tổng quan của mã nhị phân (bạn chưa xem có thể bấm vào đây để đọc: Tìm hiểu về mã nhị phân, ký tự mã hoá 0 và 1). Do đó, việc lưu dữ liệu sẽ được tiến hành bằng 2 bước. Đầu tiên là mã hoá dữ liệu thành mã nhị phân gồm các số 0 và 1, và bước thứ 2 là lưu dãy số 0 và 1 này.

Dữ liệu được chuyển sang mã nhị phân và lưu lên các ô nhớ của ổ cứng SSD hoặc thẻ nhớ

 Cũng như đĩa quang và đĩa từ thì ổ cứng SSD hoặc thẻ nhớ đều có các ô nhớ để lưu các giá trị 0 và 1 (nếu bạn chưa tìm hiểu về cách ổ cứng từ HDD hoạt động như nào thì có thể xem tại đây: Ổ cứng HDD hoạt động thế nào?). Bạn nhìn cái thẻ nhớ 128 Gb bé xíu vậy thôi nhưng có thể các bạn không biết rằng trong nó được cấu tạo bởi 1.100 tỷ ô nhớ. Và các ô nhớ của thẻ nhớ đó chính là các bóng bán dẫn Transistor. Như các bạn đã biết, bóng bán dẫn Transistor là một công tắc điện tử, nghĩa là nó dùng chính dòng điện để bật tắt, cho phép dòng điện đi qua hoặc không đi qua. Đối với ổ cứng SSD hay thẻ nhớ SD thì dòng điện đi qua được quy ước kí tự 1 trong mã nhị phân, và dòng điện bị chặn sẽ được quy ước ký tự 0 trong mã nhị phân. Với ổ cứng SSD thì có đầu dây cấp nguồn điện riêng, nhưng với thẻ nhớ SD thì không có nguồn điện riêng để cấp cho nó. Vậy tại sao thẻ nhớ SD lại lưu được dữ liệu ngay cả khi không có nguồn điện cấp cho nó? Và nguyên lý ở đây là, người ta sẽ nhốt electron lại, để khi rút thẻ nhớ ra khỏi nguồn điện electron vẫn không chạy mất được. Nhờ đó nó vẫn quyết định trạng thái của bóng bán dẫn Transistor là có cho dòng điện chạy qua hay không. Điều đó có nghĩa là nó sẽ lưu lại được thông tin. Vậy làm sao người ta nhốt được electron trong thẻ nhớ SD? Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu sâu hơn về cấu tạo của bóng bán dẫn trong thẻ nhớ SD. Loại bóng bán dẫn này nó hơi khác một chút so với loại bóng bán dẫn bình thường.

Cấu tạo bóng bán dẫn trong thẻ nhớ SD

 Bóng bán dẫn trong thẻ nhớ SD sẽ có một lớp bán dẫn P làm nền (như hình bên trên), ở 2 bên của bán dẫn P sẽ là 2 điện cực được ký hiệu là A và B được nối với 2 bán dẫn loại N. Trên bán dẫn P có một lớp Oxit cách điện, trên lớp Oxit là một lớp kim loại (người ta gọi là cổng trôi và là bức ngăn để nhốt Electron), trên cổng trôi lại là một lớp oxit cách điện, và trên cùng nó sẽ là một lớp kim loại nữa (hay còn gọi là cổng điều khiển, chính cổng điều khiển này sẽ điều khiển việc nhốt electron).

 Về nguyên lý hoạt động của bóng bán dẫn trong thẻ nhớ SD sẽ diễn ra như sau. Khi có nhu cầu đọc dữ liệu, người ta sẽ nối 2 đầu A và B của bóng bán dẫn với một dòng điện, và nối thêm một điện cực dương vào cổng điều khiển D. Bây giờ sẽ có 2 trường hợp xảy ra như sau:

- Trường hợp 1: Là trong cổng trôi C không có electron, bình thường thì dòng điện sẽ không chạy qua 2 đầu bán dẫn A và B vì lớp P ở giữa cản trở chúng. Tuy nhiên khi đặt điện áp dương (+) vào cổng điều khiển D, điện áp dương sẽ tạo ra một điện từ trường khiến cho các electron đi từ A xuyên qua P và về B. Như vậy dòng điện chạy qua được bóng bán dẫn và người ta hiểu nó mang giá trị là 1.

- Trường hợp 2: Tại cổng C có nhiều electron, lúc này dù có dòng điện dương đặt vào D, nhưng do electron ở C mang điện tích âm, nên đã triệt tiêu tác dụng của dòng điện dương tại D. Vì thế không có điện từ trường dương tác dụng vào P và sẽ không có electron chạy từ A qua B. Do dòng điện không chạy qua bóng bán dẫn nên người ta hiểu nó mang giá trị là 0.

 Vậy từ đây các bạn sẽ thấy việc dữ liệu được lưu với giá trị là 0 hay 1 sẽ phụ thuộc vào lớp kim loại (hay gọi là cổng trôi C có chứa electron hay không). Muốn bóng bán dẫn lưu dữ liệu với mã nhị phân là 1 thì cổng trôi C sẽ không nhốt electron, còn nếu muốn bóng bán dẫn lưu giá trị là 0 thì cổng trôi C sẽ phải nhốt electron.

 Về cấu tạo, cổng trôi C hoàn toàn cách ly với xung quanh thì làm sao electron chui vào trong đó được? Người ta đã áp dụng một công nghệ, công nghệ đó gọi là hiện tượng "xuyên hầm". Cụ thể là, bình thường các electron không thể đi xuyên qua lớp Oxit (vì nó là chất cách điện). Tuy nhiên khi người ta đặt vào cổng D một điện áp dương (khoảng 12V) và đồng thời đặt vào 2 đầu A, B một điện áp thì sẽ có dòng electron dịch chuyển từ A qua B. Đồng thời trong quá trình dịch chuyển, một lượng electron mang điện tích âm sẽ bị cực dương D hút và chuyển động về phía D. Mặc dù lớp Oxit ngăn cách, nhưng dưới tác dụng của lực hút mạnh giúp các hạt electron chui qua lớp Oxit và đi vào cổng trôi C. Người ta đã cố tình thiết kế lớp Oxit cách điện thật mỏng để các hạt electron có thể chui qua. Nhưng các hạt electron này sẽ không dịch chuyển được đến cổng D, vì lớp Oxit cách điện thứ 2 được thiết kế quá dày.

 Như vậy, chúng ta đã hiểu được nguyên lý các electron được đưa vào cổng trôi C và nhốt chúng ở đó là như thế nào rồi, và cái bóng bán dẫn bây giờ mang giá trị là 0. Ngược lại, muốn đổi nó sang giá trị là 1 thì chỉ cần đặt một điện cực âm mạnh vào D, nó sẽ đẩy hết các electron từ cổng C ra ngoài.

 Tóm lại, thẻ nhớ lưu dữ liệu bằng cách nhốt electron trong cổng trôi hoặc đẩy nó ra, tương ứng với giá trị 0 hoặc 1. Việc nhốt được electron là do hiện tượng "xuyên hầm", có điện thì tạo ra lực hút tác động đẩy electron chui qua, nhưng ngắt điện thì electron không chui qua được. Các nhà sản xuất cho biết, cổng trôi có thể nhốt được electron trong khoảng 15 năm, nếu dùng công nghệ và vật liệu chất lượng cao thì có thể lên tới 100 năm. Nghĩa là chiếc thẻ nhớ SD hay ổ cứng SSD có độ bền lên đến 15 năm hoặc lâu hơn tuỳ thuộc vào vật liệu sản xuất.