Bộ nhớ fash

1. Vài điều cần nhớ về bộ nhớ

Ta đã biết ở kỹ thuật số (xem VL&TT số tháng 9/2010) người ta dùng hệ nhị phân chỉ có hai số 0 và 1 và mọi thông tin đều có thể biểu diễn theo quy ước thành chuỗi các 0 và 1. Vì vậy để nhớ thông tin người ta làm bộ nhớ gồm các phần tử nhớ sắp xếp theo một thứ tự nhất định, mỗi phần tử nhớ có hai trạng thái quy ước là 0 và trạng thái 1.

Mỗi phần tử nhớ chỉ có thể ở một trong hai trạng thái tức là chỉ có thể ghi được 1 bit thông tin (ký hiệu là b). Bộ nhớ có bao nhiêu phần tử nhớ là chứa được bấy nhiêu bit thông tin. Cứ 8 bit thông tin là một byte (ký hiệu là B). Bộ nhớ dung lượng 8 bit hay 1 byte là rất nhỏ, chỉ nhớ được một con số, một chữ viết v.v… Để nhớ các chữ viết trên một trang giấy phải cần đến hàng chục nghìn byte, để nhớ được một bức ảnh chụp phải cần đến cỡ năm triệu byte v.v… do đó khi nói đến bộ nhớ, người ta hay dùng những đơn bị kilobyte (kB = 10 ³B nghìn byte), megabyte (MB = 10 ⁶B-triệu byte), gigabyte (GB = 10 ⁹B-tỷ byte) terabyte (TB = 10 ¹²B-nghìn tỷ byte).

Khi nói đến bộ nhớ, người ta thường chú ý đến những đặc điểm sau đây:

- Bộ nhớ nhớ được nhiều hay ít, nói cách khác dung lượng bộ nhớ là bao nhiêu byte. Thí dụ bộ nhớ là đĩa CD có dung lượng cỡ 0,7GB, đĩa DVD có dung lượng cỡ 4,7GBa còn ổ cứng ở máy tính có dung lượng 3TB.

- Ghi và đọc ở bộ nhớ như thế nào. Có bộ nhớ khi chế tạo người ta đã ghi sẵn, chỉ có thể dùng để đọc những thông tin đã ghi gọi là ROM (read only memory), có bộ nhớ chỉ ghi được một lần thí dụ đĩa W-CD (Writable CD), có bộ nhớ ghi đi ghi lại được nhiều lần, thí dụ RW-CD (ReWritable CD). Ổ cứng ở máy tính có cấu tạo gồm nhiều đĩa từ (bộ 5 đĩa) là một bộ nhớ dung lượng rất lớn (cỡ 3TB) và ghi đi ghi lại được rất nhiều lần.

Do đó ở máy tính, ổ cứng là bộ nhớ quan trọng nhất.

Ở các bộ nhớ như đĩa CD, DVD, đĩa từ ổ cứng, để ghi cũng như để đọc người ta phải dùng phương pháp cơ điện: dùng động cơ cho đĩa quay nhanh và đầu ghi cũng như đầu đọc dịch chuyển vào ra heo hướng xuyên tâm. Nhờ vậy đầu ghi cũng như đầu đọc chuyển động theo một đường xoắn ốc rất dài trên đĩa (có thể dài từ 5-10km), các phần tử nhớ là các điện tích rất nhỏ cỡ micromet vuông màng từ (ổ đĩa từ) hoặc màng kim loại phản xạ (ổ đĩa CD) nằm dọc theo đường xoắn ốc rất dài này nên ghi, đọc được rất nhiều thông tin.

Tuy dung lượng lớn, ghi đi ghi lại được nhiều lần nhưng bộ nhớ theo kiểu đĩa từ hay đĩa quang có một nhược điểm quan trọng là trong cách ghi và đọc phải dùng chuyển động cơ học (quay đĩa, dịch chuyển cơ học đầu ghi, đầu đọc) nên chiếm nhiều thể tích, không chịu được rung động mạnh khi di chuyển và độ ghi đọc không thể thật nhanh được.

2. Từ bộ nhớ điện tử tự xóa và không tự xóa đến bộ nhớ flash

Muốn có được bộ nhớ kích thước nhỏ cơ động, ghi nhanh, đọc nhanh thì phải hoàn toàn tránh sử dụng chuyển động cơ học, làm thế nào điều khiển mọi quá trình theo kiểu điện tử. Thực ra từ những năm 1960 người ta đã biết cách chế tạo transito trường, dùng transito trường làm phần tử nhớ với hai trạng thái ứng với 0 và 1 là trạng thái transito đóng (không có điện thế tác dụng lên cổng) và trạng thái transito mở (có điện thế tác dụng lên cổng). Tuy nhiên khi đang nhớ mà mất điện hoặc tắt điện thì bao nhiêu dữ liệu nhớ đều bị xóa, bị bay hết (volatile). Bộ nhớ loại này gọi là bộ nhớ tự xóa (volatile memory) rất hay được dùng để lưu trữ thông tin tạm thời trong quá trình xử lý, không lưu trữ thông tin lâu dài được.

Chính quá trình tìm tòi làm bộ nhớ điện tử nhưng không tự xóa, nghĩa là không có điện vẫn lưu trữ được (non volatile memory) đã dẫn đến bộ nhớ flash hiện nay.

Bộ nhớ xem như là tiền thân của bộ nhớ flash có tên là EPROM (erasable programmable ROM- bộ nhớ xóa được, lập trình được). Phần tử nhớ ở đây là transito trường cổng nổi. Khi tác dụng lên cực cổng một điện thế thích hợp đủ cao thì điện tử có thể phun qua lớp điện môi mỏng vào cổng nổi làm cho cổng nổi chứa điện tích âm (điện tử) làm cho transito trường luôn luôn đóng (quy ước là trạng thái 0) dẫu cho có điện thế (cỡ +5V) tác dụng vào cổng. Như vậy transito trường lúc đó ghi được trạng thái 0. Khi không tác dụng điện thế cao thì điện tử không phun qua lớp điện môi mỏng, nếu tác dụng điện thế cỡ +5V vào cổng transito trường sẽ mở, quy ước là trạng thái 1. Như vậy bằng cách dùng điện thế cao (cỡ 12V) tác dụng hoặc không tác dụng lên cổng của transito trường cổng nổi, ta có thể làm cho transito trường cổng nổi đó ghi 0 hay là 1. Điện tử chui vào trong cổng nổi bị giữ lại lâu trong đó nên nếu tắt điện, trạng thái 0 hay 1 vẫn giữ nguyên. Vậy có thể dùng làm một phần tử nhớ của bộ nhớ không tự xóa. Muốn xóa ta phải chủ động chiếu tia tử ngoại vào transito trường cổng nổi, photon tia tử ngoại có năng lượng lớn xuyên qua các lớp oxyt cách điện làm cho điện tử bị giam giữ trong cổng nổi bật ra ngoài, cổng nổi không chứa điện tử nữa, tức là đã xóa được trạng thái 0 đã ghi. Người ta thực hiện việc xóa này bằng một đèn chớp phát ra tia tử ngoại trong một thời gian ngắn tương tự như đèn chớp chụp ảnh. Do đó bộ nhớ này có tên là bộ nhớ flash nghĩa là bộ nhớ chớp sáng. Bộ nhớ EPROM, tương đối thuận tiện vì ghi bằng điện, hoàn toàn không dùng cơ, nhưng có nhược điểm là khi xóa để ghi lại phải dùng đèn chớp tử ngoại vừa cồng kềnh vừa bất tiện là đã xóa phải xóa tất cả không được xóa từng bit hoặc từng phần một. Chính vì lẽ đó các nhà khoa học đã cải tiến chế tạo ra transito trường cổng nổi loại mới, ghi 0 bằng cách tác dụng điện thế vào cỡ +12V lên cực cổng để cho điện tử phun vào, chứa trong cực cổng, ghi 1 bằng cách không tác dụng điện thế lên cực cổng. Khi đọc người ta lần lượt dùng điện thế (cỡ +5V) tác dụng lên các cực cổng để dò biết transito trường cổng nổi nào mở, transito nào đóng. Điều khác biệt và mới ở đây là để xóa, người ta không dùng flash tia tử ngoại để xóa đồng loạt mà là dùng điện thế âm (cỡ -12V) tác dụng lên cực cổng để tạo ra điện trường kéo theo điện tử chứa trong cổng nổi ra ngoài. Ban đầu bộ nhớ như vậy được đặt tên là EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM – Bộ nhớ lập trình được, xóa được bằng điện).

Khoảng hơn mười năm nay với nhiều cải tiến trong việc chế tạo transito trường cổng nổi đồng thời với những tiến bộ của công nghệ vi điện tử, thu nhỏ được kích thước các transito nhỏ vào cỡ dưới 100 nanomet nên có thể trên một diện tích cỡ centimet vuông chế tạo được hàng chục, hàng trăm triệu transito, nhờ đó làm được những bộ nhớ kiểu như EEPROM với dung lượng từ hàng chục megabyte đến hàng chục gigabyte. Để cho gọn và để nhớ lại lịch sử người ta gọi đó là bộ nhớ flash chứ thực tế ở đây không cần dùng gì đến flash tử ngoại cả.

3. Chế tạo bộ nhớ flash như thế nào?

Các bộ nhớ flash hiện nay đều được chế tạo trên cơ sở bán dẫn silic. Người ta nuôi các đơn tinh thể silic to hình trụ đường kính 150mm, 200mm hoặc 300mm, cưa cắt ra thành những lát mỏng bề dày cỡ nửa milimet, mài phẳng, đánh bóng làm sạch, mỗi lát như vậy gọi là một phiến bán dẫn.

Dùng công nghệ vi điện tử người ta chế tạo hàng triệu hàng triệu transito trường cổng nổi trên từng diện tích nhất định của một phiến bán dẫn. Thực sự một phần tử nhớ không phải chỉ là một transito trường cổng nổi mà còn kèm theo một số transito nữa và nhiều đường dây dẫn vào ra để làm nhiệm vụ ghi và đọc. Thí dụ một bộ nhớ flash có dung lượng 64Mb có đến 75 triệu transito các loại, mỗi transito có kích thước cỡ 50 – 60 nanomet, tất cả transito của bộ nhớ chiếm diện tích cỡ centimet vuông, gọi là một chip nhớ. Trên một phiến silic có thể làm đến hàng chục, hàng trăm chip nhớ như vậy (hình 2). Người ta cắt phiến bán dẫn ra từng chip, đưa ra đóng gói, nối dây dẫn ra ngoài và các bộ phận phụ khác tạo thành USB, thẻ nhớ ở máy ảnh, ở máy quay phim, ở điện thoại di động v.v. (hình 3).

Bộ nhớ flash có được ưu điểm của hầu hết các bộ nhớ hiện có, một số mặt có ưu điểm vượt trội. Có thể tóm tắt lại như sau:

- Ghi, đọc, xóa đều theo phương pháp điện, hoàn toàn không dùng phương pháp cơ nên kích thước nhỏ, gọn nhẹ dễ dàng lưu động.

- Dung lượng nhớ rất lớn, chỉ thua dung lượng của bộ nhớ ổ cứng. Hiện nay trên thị trường đã có thẻ USB dung lượng 120GB.

- Là bộ nhớ không tự xóa. Điện tử có thể bị nhốt trong cổng lâu đến 15-20 năm nên có thể nhớ được lâu đến chừng ấy năm. Tuy không nhớ lâu bằng bộ nhớ quang (đĩa CD, DVD) hay bộ nhớ từ (đĩa từ, ổ cứng) nhưng thực tế như vậy là quá đủ cho nhiều mục đích thông thường.

- Tiêu thụ rất ít điện so với bất cứ bộ nhớ nào khác cùng dung lượng.

- Kích thước rất nhỏ, tùy theo dung lượng thực tế diện tích chỉ từ 1 đến 4 cm ², dày chỉ từ 1/2 đến 1 milimet.

Chính nhờ những ưu điểm đặc biệt nổi trội của bộ nhớ flash mà trong mươi năm trở lại đây xuất hiện những máy móc rất hiện đại nhưng nhỏ xíu như USB, máy ảnh số, điện thoại di động.