Mỗi khi người dùng gõ một phím bấm, một bit dữ liệu bên trong máy tính sẽ lập tức đổi trạng thái giữa số không và số một. Bản chất của bit thông tin không phải là những con số được viết ra trên giấy tờ, mà là sự hiện diện hoặc vắng mặt của một cụm điện tích siêu nhỏ.
Từ nguyên lý căn bản này, hai linh kiện quan trọng nhất của máy tính là bộ nhớ RAM và ổ cứng thể rắn SSD đã chọn hai lối đi hoàn toàn trái ngược để nắm giữ dữ liệu, tạo nên một sự chênh lệch tuổi thọ đầy kinh ngạc.
Để giữ điện tích, bộ nhớ RAM sử dụng một cấu trúc gồm bóng bán dẫn đóng vai trò như một chiếc van dẫn nước, đặt ngay phía trước một chiếc thùng chứa là tụ điện siêu nhỏ. Khi cần ghi dữ liệu, chiếc van mở ra ở mức điện áp thấp thông thường để dòng điện chảy vào hoặc rút cạn khỏi thùng chứa rồi đóng lại.
Quá trình này diễn ra êm ả trên các đường dẫn kim loại mà không phải vượt qua bất kỳ rào cản cách điện nào, đồng nghĩa với việc các linh kiện hoàn toàn không phải chịu áp lực phá hủy vật lý.
Tuy nhiên, chiếc thùng chứa của RAM lại liên tục rò rỉ. Nếu không có dòng điện can thiệp, ô nhớ RAM chỉ giữ được trạng thái trong vài phần nghìn giây. Nhằm duy trì dữ liệu, hệ thống bắt buộc phải thực hiện thao tác làm mới định kỳ với quy tắc nghiêm ngặt: không ô nhớ nào được phép bị bỏ quên quá sáu mươi tư mili giây.
Phép tính số học tạo ra một con số khổng lồ khi mỗi ô nhớ trên thanh RAM phải được nạp lại khoảng mười lăm lần mỗi giây, tương đương gần nửa tỷ lần mỗi năm. Nhưng nghịch lý ở chỗ, dù bị nạp xả liên tục với cường độ khủng khiếp như vậy, RAM lại không hề có bất kỳ chỉ số hao mòn ghi chép nào khi xuất xưởng.
Trái ngược hoàn toàn với RAM, ô nhớ của ổ cứng SSD lại phong tỏa các hạt electron trên một hòn đảo dẫn điện biệt lập được gọi là cổng nổi. Hòn đảo này bị cô lập tứ phía bởi các lớp cách điện silicon dioxide - cùng chất liệu với thủy tinh thông thường - với độ dày bên dưới chỉ khoảng bảy nanômét.
Nhờ sự bao bọc kín kẽ đó, các electron có thể nằm yên tại chỗ suốt nhiều ngày đến nhiều năm ngay cả khi máy tính đã tắt nguồn hoàn toàn. Tiêu chuẩn công nghiệp quy định một ổ SSD thông thường phải giữ an toàn dữ liệu trong vòng một năm khi ngắt điện ở nhiệt độ ba mươi độ C.
Thế nhưng, cái giá phải trả cho việc giam giữ dữ liệu vĩnh viễn là vô cùng đắt đỏ. Do không có chiếc van mở đường như RAM, ổ cứng SSD buộc phải sử dụng mức điện áp cao từ mười lăm đến hai mươi vôn để cưỡng ép các hạt electron đi xuyên thẳng qua lớp kính cách điện bằng hiệu ứng đường hầm lượng tử. Mỗi lần bị cưỡng bức vượt rào, lớp kính mỏng manh lại bị tổn thương vi mô và giữ lại một vài hạt electron mắc kẹt bên trong.
Càng nhiều chu kỳ ghi và xóa diễn ra, lượng điện tích kẹt lại càng dày đặc, đồng thời các vết nứt li ti bắt đầu mở đường cho điện tích rò rỉ ra ngoài. Khi các tổn hại tích tụ vượt quá ngưỡng kiểm soát của thuật toán sửa lỗi, ô nhớ sẽ không còn đáng tin cậy để lưu trữ dữ liệu an toàn. Đó là lý do các ô nhớ flash vào giữa những năm 2010 chỉ được xếp hạng chịu đựng khiêm tốn từ một nghìn đến ba nghìn lần ghi lại trong toàn bộ vòng đời.
Áp lực này càng trở nên nặng nề hơn khi các nhà sản xuất tìm cách giảm giá thành sản phẩm bằng việc tăng mật độ lưu trữ. Nếu như công nghệ SLC thời kỳ đầu chỉ chia dải điện áp làm hai mức để lưu một bit dữ liệu với độ bền lên tới một trăm năm mươi nghìn lần ghi, thì các thế hệ MLC, TLC và QLC hiện đại đã lần lượt chia nhỏ cùng một dải điện áp thành bốn, tám và mười sáu khoảng để nhồi nhét tối đa bốn bit dữ liệu trên một ô nhớ duy nhất. Việc phân biệt mười sáu nấc điện thế cực kỳ sít sao khiến biên độ an toàn bị thu hẹp đáng kể, khiến ổ cứng dễ dàng phát sinh sai số chỉ sau một lượng nhỏ hư hại trên lớp cách điện.
Dù vậy, người dùng phổ thông không cần quá hoảng loạn trước các con số hao mòn lý thuyết. Các ổ SSD hiện đại được trang bị thuật toán dàn trải độ mòn thông minh cùng dung lượng bộ nhớ dự phòng vật lý để thay thế cho các khối ô nhớ bị kiệt sức.
Thử làm một phép tính với ổ cứng dung lượng một terabyte có hạn mức ghi sáu trăm terabyte: nếu một chiếc máy tính xách tay trung bình ghi khoảng bốn mươi gigabyte mỗi ngày, người dùng sẽ phải mất tới khoảng mười lăm nghìn ngày - tức hơn bốn mươi năm - mới có thể dùng cạn hạn mức này.
Mặc dù vậy, nghiên cứu kéo dài sáu năm trên hàng triệu ổ cứng của Google đã chỉ ra một sự thật quan trọng: ổ SSD không chỉ già đi theo bộ đếm số lần ghi mà còn lão hóa theo thời gian thực vận hành trên lịch biểu. Bản thân bộ nhớ RAM dù không bị hao tổn bởi thao tác ghi chép nhưng cũng ghi nhận hơn tám phần trăm thanh nhớ gặp lỗi vật lý vĩnh viễn sau mười đến mười tám tháng hoạt động trong môi trường máy chủ.
Cả hai công nghệ đều không thể thoát khỏi quy luật suy thoái tự nhiên của vật liệu bán dẫn, và một chiếc ổ SSD ngắt điện cất trong ngăn kéo chưa bao giờ là một nơi lưu trữ an toàn trọn đời.
Đức Khương
