CÁC THÀNH PHẦN TẠO NÊN SSD

(Bộ nhớ NAND Flash)

Ổ cứng thể rắn (gọi tắt là SSD), và đặc biệt linh kiện lõi là Nand Flash, đã trở thành một trong số những linh kiện quan trọng nhất đối với công nghệ hiện tại. Ngày nay, SSD đã dần trở thành từ thông dụng trong giới công nghệ và nó đang được sử dụng ở phần lớn các PC và notebook, data center với mục đích lưu trữ dữ liệu thay thế cho HDD truyền thống do tốc độ nhanh gấp nhiều lần và giá thành ngày càng tiệm cận với ổ HDD truyền thống.

Vậy tóm lại SSD là gì, và nó ảnh hưởng tới đời sống của người dùng máy tính như thế nào? Bài này sẽ giải thích về SSD trên phương diện các linh kiện cần thiết để tạo ra nó, với trọng tâm nằm ở linh kiện lõi Nand Flash. Mặc dù công nghệ này đã trở nên phổ biến, tốc độ tăng trưởng của nó nhanh đến mức mà nó đã gần đạt tới giới hạn vật lý của các vật tư hiện tại. Chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về các vật liệu sản xuất và các phương pháp tạo ra SSD, và có cái nhìn sơ lược về những thách thức- cải tiến trong lĩnh vực này.

Trước khi đi vào thế giới của những khái niệm phức tạp của chuyên ngành máy tính, chúng ta hãy cùng tìm hiểu kiến thức cơ bản về công nghệ thể rắn. Trong vài thập kỷ trở lại đây, ổ HDD truyền thống vẫn được coi là tiêu chuẩn của lưu trữ máy tính: một đĩa từ quay lưu trữ được dữ liệu. Lợi thế của HDD là rẻ và lưu trữ được dung lượng lớn dữ liệu, nhưng gần đây nó đã đạt đến giới hạn vật lý khá là khó chấp nhận: tốc độ. Một ổ cứng chỉ có thể quay rất nhanh nếu như nó chỉ đọc dữ liệu tuần tự. Đó chính là lý do xuất hiện SSD, và cái tên thể rắn thực sự chứng minh được lợi thế của nó. SSD được làm từ hàng ngàn tỷ bóng bán dẫn NAND siêu nhỏ vốn được dùng để lưu trữ dữ liệu mỗi khi được cắm nguồn điện, không cần sử dụng bộ phận quay để đọc dữ liệu. Thêm vào đó, nó có thể đọc tuần tự từ bất cứ điểm nào trong cùng một thời điểm chứ không giống như cơ chế hoạt động của HDD truyền thống. Những lợi thế này giúp tăng tốc độ của SSD nhanh gấp nhiều lần so với HDD truyền thống, nhưng đó vẫn chưa phải là tất cả. SSD cũng có những trở ngại riêng, tất cả đều phụ thuộc trực tiếp vào các nguyên vật liệu được sử dụng để tạo ra nó. SSD tính về dung lượng vẫn đắt hơn nhiều và tuổi thọ ngắn hơn so với HDD truyền thống, mặc dù chẳng có trở ngại nào là đúng trong một thời gian dài do các nhà sản xuất liên tục cải tiến để tạo ra những bộ nhớ nhanh hơn và mạnh hơn, chi phí rẻ hơn trong tương lai.

SSD bắt đầu được tạo ra như mọi con chip máy tính khác- từ tấm wafer silicon. Tấm silicon này bắt nguồn từ tinh thể thạch anh, được tạo ra từ tinh chế và nung chảy cát dựa vào các phản ứng hóa học. Nó được khai thác từ dưới các mỏ quặng đặc biệt, và có độ tinh khiết cao với trị giá ước tính lên đến 50 ngàn đô la cho 1 tấn nguyên liệu (theo đánh giá của Nelson). Một khi được tinh chế, thạch anh được nung chảy và sau đó tinh luyện  thành mầm tinh thể và được rót vào một xi-lanh hình trụ tròn. Người ta sử dụng lưỡi kim cương cắt xi-lanh này thành lát để tạo ra tấm wafer.  Lúc này, các tấm wafer được phân phối đến các nhà máy chuyên dụng hơn để tạo ra nhiều loại linh kiện máy tính khác nhau. SSD được tạo ra ở các nhà máy chuyên dụng được gọi là các fab ( nhà máy tinh chế). Các nhà máy tinh chế này thực chất là các phòng sạch, với không khí có độ tinh khiết hơn gấp 100 lần so với các phòng  phẫu thuật bệnh viện nhằm đảm bảo silicon không thể bị nhiễm tạp chất (nguồn dẫn từ Micron- nhà sản xuất chip lớn thứ 3 thế giới).

Ngay khi các đĩa silicon được đưa vào nhà máy, chúng phải trải qua hàng loạt quy trình xử lý nhúng và mạ hóa học. Chỉ riêng quá trình chuẩn bị tạo ra con chip, wafer silicon phải đi qua nhiều công đoạn tinh chế. Công đoạn tinh chế đầu tiên là ngâm bằng axit sulfuric và nước oxy già (hydrogen peroxide) để làm sạch. Công đoạn tiếp theo là làm sạch bằng nước khử i-on, dung dịch amoniac, và nước oxy già để loại bỏ tạp chất siêu nhỏ còn sót lại trên thân wafer. Sau đó người ta sử dụng axít flo hydric và nước khử i-on để loại bỏ bề mặt oxit, đây là một công đoạn đặc biệt quan trọng do oxit sau đó sẽ được tạo thành một phần của mạch điện tử. Công đoạn khử tạp chất cuối cùng là sản phẩm được ngâm trong nước khử i-on, axit clo hydric và nước oxy già (nguồn dẫn từ Công ty sản xuất bán dẫn Virginia). Tất cả các hóa chất này thông thường được tạo ra từ các sản phẩm phụ của các chuỗi phản ứng hóa học khác. Axít clo hydric được chế tạo từ hydro và clo, còn axít flo hydric được tạo nên từ phản ứng tự nhiên của canxi florua và axit sulfuric có nguồn gốc hóa học từ lưu huỳnh hoặc pyrit sắt.

Ngay khi hoàn tất các công đoạn làm sạch, tấm wafer silicon đã có thể sử dụng để tạo nên mạch điện tử. Không giống như sơ đồ mạch mà chúng ta thường thấy, Nand Flash không phải là một nhóm các linh kiện được hàn với nhau trên tấm wafer. Bởi vì một inch vuông của mạch điện tử có thể chứa đến hàng trăm nghìn tỷ bóng bán dẫn, việc gắn từng linh kiện rời vào tấm wafer mất rất nhiều thời gian và không hề rẻ.  Các nhà sản xuất SSD đang đạt tới giới hạn vật lý về việc gắn số lượng bóng bán dẫn silicon, do chúng tiếp tục làm chậm quy trình sản xuất khi linh kiện ở tiệm cận kích  thước của nguyên tử. Điều này đã thôi thúc việc cần phát triển công nghệ chip đa lớp, cho phép tăng mật độ chip lưu trữ dữ liệu hơn. Việc tạo ra bảng mạch cũng giống như quá trình tạo ra chip đa lớp hoặc chip đơn lớp . Quy trình được sử dụng được gọi là khắc axit, khi thiết kế mạch, cùng với tất cả các bóng bán dẫn được khắc hoặc vẽ trên bảng mạch. Chất cảm quang được đổ đều trên tấm wafer, và sau đó người ta sử dụng bức xạ ánh sáng làm biến đổi các chất cảm quang phủ trên bề mặt để tạo ra mẫu mạch. Sau đó, vật liệu khắc được phủ lên tấm wafer sẽ ăn mòn những vị trí mà chất cảm quang bị bức xạ ánh sáng. Hóa chất được sử dụng trong công đoạn khắc thường là kali hydroxit (nguồn Công ty sản xuất bán dẫn Virginia). Chất kali hydroxit này, thường được gọi là potash ăn da, được hình thành từ quá trình điện phân của kali clorua, một chất có thể khai thác từ quặng mỏ. Hóa chất này biến con chip silicon tạo thành lớp oxit của silic dioxit. Silic dioxit có tên gọi là điện môi, một lớp không dẫn điện giúp ngăn cách các màng mạch. Chip nhớ sau đó được phủ nhiều màng khắc dẫn điện và silic dioxit điện môi. Các màng dẫn điện có thể là những kim loại khác nhau, nhưng thường là các chất dẫn điện tốt như đồng hoặc nhôm. Ở điểm này, các con chip đã hoàn thiện và được cắt bằng nước.

Vật liệu cuối cùng của chiếc SSD là mạch in, còn gọi là PCB. Đây là hình khối lớn nhất trong cấu trúc SSD, và bảng mạch được làm bằng nhựa polyme tráng kính có in các mạch dẫn bằng đồng. Các chip nhớ NAND Flash được đặt lên bảng mạch này, và hàn chết bằng thiếc hàn và dây vàng. Các con chip được bọc vỏ nhựa để bảo vệ chúng, và toàn bộ thành phẩm này được đóng gói trong vỏ nhôm. Vỏ này được cho vào các túi tĩnh điện đặc biệt được làm bằng nhựa PET. Chiếc túi này sau đó đươc cho vào hộp carton đúc, và khi đó SSD đã sẵn sàng để vận chuyển đến nhà sản xuất máy tính hoặc khách hàng.

Trong thành phẩm, thì silicon không phải là một nguyên liệu nổi trội, mà nó là một màng siêu mỏng của một bộ phận siêu nhỏ trên bảng mạch nhựa. Tuy vậy, các nguyên liệu chính sử dụng trong chế tạo cũng như là phần chính tạo ra điện đều nằm ở các con chip silicon. Kết hợp các màng oxit và kim loại, những con chip này bao gồm hàng ngàn tỷ bóng bán dẫn là nơi lưu trữ hàng trăm triệu gigabyte trong các file PC của bạn.

Trong bài nghiên cứu này, có một yếu tố rất khó thay thế- đó là các nguyên liệu đặc biệt được sử dụng bên trong các con chip silicon để tạo ra NAND Flash. Đây là lý do khá đơn giản, và cũng là điều chúng ta thấy trong thế giới sản xuất chip nhớ flash, chỉ có rất ít các công ty công nghệ sản xuất chip silicon là : Intel, Micron, SK Hynix, Samsung, SanDisk và Kioxia( trước đây là Toshiba). Mặc dù vậy, tất cả những điện thoại hay máy tính đều phải sử dụng chip nhớ flash. Khu vực công nghệ gần như độc quyền này có nghĩa là các công ty kể trên có thể dễ dàng che giấu các quy trình sản xuất chính xác mà họ đang sử dụng nhằm để duy trì vị thế cạnh tranh trên thị trường. Do chỉ có sáu công ty công nghệ trên thế giới sử dụng bất cứ bất cứ công đoạn sản xuất chip, nên họ khá dễ dàng kiểm soát mức độ dữ liệu được công bố rộng rãi. Họ có thể mập mờ đưa ra các danh mục vật tư đặc biệt được sử dụng để sản xuất silicon chip, nhưng lại đưa ra những bức tranh chắp vá về các vật tư trong quy trình sản xuất nên một chiếc SSD.

Với những chiếc SSD ngày càng trở nên phổ biến và là tiêu chuẩn lưu trữ mới, mức giá thành ngày càng phù hợp quy mô thị trường của sản phẩm này cực kỳ lớn và có tốc độ tăng trưởng rất nhanh, và HDD truyền thống ngày càng không có lý do gì để tồn tại trong những chiếc PC mà chúng ta đang sử dụng nữa. Nếu PC của bạn đang sử dụng HDD truyền thống, thì hy vọng sau khi đọc xong bài viết này, bạn không ngần ngại mà sắm cho mình một chiếc SSD có dung lượng phù hợp với nhu cầu của mình để giúp cho máy tính của bạn có tốc độ khởi động và xử lý tác vụ cực kỳ khác biệt.

Theo: designlife-cycle.com

Bài viết liên quan

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Scroll to top