Luận văn Ổ cứng máy tính và nguyên lý sáng tạo áp dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Bài tiểu luận: GVHD: GS. TSKH. Hoàng Kiếm SVTH: Nguyễn Võ Thanh Sang MSSV: CH1101036 Niên khoá 2011 - 2012 1 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 3 I. Giới thiệu 40 Nguyên tắc (thủ thuật) sáng tạo ............................................................... 4 1. Nguyên tắc Phân chia nhỏ ......................................................................................... 4 2. Nguyên tắc Tách khỏi ............................................................................................... 4 3. Nguyên tắc Chất lượng cục bộ................................................................................... 4 4. Nguyên tắc Bất đối xứng ........................................................................................... 4 5. Nguyên tắc Kết hợp ................................................................................................... 4 6. Nguyên tắc Đa năng .................................................................................................. 4 7. Nguyên tắc Lồng nhau .............................................................................................. 5 8. Nguyên tắc Phản trọng lượng .................................................................................... 5 9. Nguyên tắc Thực hiện một số thao tác ngược truớc ................................................... 5 10. Nguyên tắc Thực hiện một số thao tác trước .......................................................... 5 11. Nguyên tắc Dự phòng ............................................................................................ 5 12. Nguyên tắc Đẳng thế ............................................................................................. 5 13. Nguyên tắc Đảo ngược .......................................................................................... 5 14. Nguyên tắc Chuyển động tròn................................................................................ 6 15. Nguyên tắc Linh động ........................................................................................... 6 16. Nguyên tắc Hành động một phần hoặc quá mức .................................................... 6 17. Nguyên tắc Chuyển sang chiều mới ....................................................................... 6 18. Nguyên tắc Rung động cơ học ............................................................................... 6 19. Nguyên tắc Hành động tuần hoàn .......................................................................... 6 20. Nguyên tắc Thực hiện liên tục các họat động có hiệu quả cao ................................ 7 21. Nguyên tắc Vượt nhanh ......................................................................................... 7 22. Nguyên tắc Chuyển thiệt thành lợi ......................................................................... 7 23. Nguyên tắc Thông tin phản hồi .............................................................................. 7 24. Nguyên tắc Dùng vật môi giới ............................................................................... 7 25. Nguyên tắc Tự phục vụ .......................................................................................... 7 26. Nguyên tắc Sao chép ............................................................................................. 8 27. Nguyên tắc Dùng vật rẻ tiền, tuổi thọ ngắn thay cho vật đắt tiền, tuổi thọ dài ........ 8 28. Nguyên tắc Thay thế hệ thống cơ học .................................................................... 8 29. Nguyên tắc Dùng khí hoặc thủy lực học ................................................................ 8 2 30. Nguyên tắc Màng linh động hoặc màng mỏng ....................................................... 8 31. Nguyên tắc Dùng vật liệu xốp ................................................................................ 9 32. Nguyên tắc Đổi màu .............................................................................................. 9 33. Nguyên tắc Tính đồng nhất .................................................................................... 9 34. Nguyên tắc Loại bỏ và tái sử dụng ......................................................................... 9 35. Nguyên tắc Thay đổi thông số lí hóa của đối tượng ............................................... 9 36. Nguyên tắc Chuyển pha ......................................................................................... 9 37. Nguyên tắc Giãn nở nhiệt ...................................................................................... 9 38. Nguyên tắc Sử dụng chất ô xi hóa mạnh .............................................................. 10 39. Nguyên tắc Môi trường khí trơ ............................................................................ 10 40. Nguyên tắc Vật liệu composite ............................................................................ 10 II. LỊCH SỬ PHÁT TRIỄN Ổ CỨNG MÁY TÍNH ......................................................... 10 1. Tổng quan về ổ cứng máy tính ................................................................................ 10 2. Lịch sử phát triển .................................................................................................... 11 3. Ổ cứng thể rắn (tiếng Anh: Solid State Disk, viết tắt: SSD) ..................................... 15 III. Những nguyên lý sáng tạo đã áp dụng ..................................................................... 17 1. Nguyên tắc phân chia nhỏ: ...................................................................................... 17 2. Nguyên tắc chuyển động tròn: ................................................................................. 17 3. Nguyên tắc “rẻ” thay cho “đắt” ............................................................................... 18 4. Nguyên tắc thay thế sơ đồ cơ học ............................................................................ 18 5. Nguyên tắc Đảo ngược ............................................................................................ 18 6. Nguyên tắc môi trường khí trơ ................................................................................ 18 IV. Kết luận : ................................................................................................................ 19 3 LỜI MỞ ĐẦU Hoạt động sáng tạo gắn liền với lịch sử tồn tại và phát triển của xã hội loài người. Từ việc tìm ra lửa, chế tạo công cụ bằng đá thô sơ... đến việc sử dụng năng lượng nguyên tử, chinh phục vũ trụ..., hoạt động sáng tạo của loài người không ngừng được thúc đẩy. Sáng tạo không thể tách rời khỏi tư duy - hoạt động bộ não của con người. Chính quá trình tư duy sáng tạo với chủ thể là con người đã tạo các giá trị vật chất, tinh thần, các thành tựu vĩ đại về mọi mặt trong cuộc sống và tạo ra nền văn minh nhân loại. Genrich Saulovich Altshuller (1926-1998) là người khai sinh ra phương pháp luận sáng tạo TRIZ (giúp cải tiến, sáng chế ra sản phẩm mới trong khoảng thời gian ngắn nhất). Qua thời gian làm việc ở phòng quản lý các phát minh sáng chế, ông đã tổng hợp được 40 nguyên tắc sáng tạo cơ bản. Tác giả Phan Dũng đã dịch và giới thiệu sách Các Thủ Thuật (Nguyên Tắc) Sáng Tạo Cơ Bản được xuất bản 2007. Đây có thể nói là sự tổng hợp kiến thức về phát minh, sáng chế trong thời gian qua, vì dựa vào 40 phương pháp này cộng với khả năng tư duy thì ta có thể tìm thấy lời giải cho các bài toán sáng tạo hoặc nâng cấp sản phẩm. Công nghệ thông tin cũng không nằm ngoài quy luật đó, tuy công nghệ thông tin ra đời sau so với các công nghệ khác nhưng cũng cùng chung quy luật của sự sáng tạo. Thông qua những buổi giảng dạy và sự hướng dẫn tận tình của giáo sư tiến sĩ khoa học Hoàng Kiếm, em được biết và hiểu hơn về cách vận dụng các nguyên tắc cũng như thủ thuật sáng tạo trong quá trình giải quyết các bài toán, cùng các vấn đề mang tính khoa học. Trong phạm vi bài tiểu luận này, em xin tổng hợp lại quá trình phát triễn của thiết bị phần cứng là Ổ dĩa cứng và phân tích những nguyên lý sáng tạo đã được áp dụng. 4 I. Giới thiệu 40 Nguyên tắc (thủ thuật) sáng tạo 1. Nguyên tắc Phân chia nhỏ a. Chia đối tượng thành những phần độc lập. b. Tạo một đối tượng lắp ghép. c. Tăng mức độ phân chia của đối tượng. 2. Nguyên tắc Tách khỏi a. Trích bỏ hoặc tách khỏi các thành phần hoặc tính chất gây nhiễu ra khỏi đối tượng b. Chỉ trích các thành phần hoặc tính chất cần thiết. 3. Nguyên tắc Chất lượng cục bộ a. Chuyển cấu trúc (của đối tượng hoặc môi trường/tác động bên ngoài) từ đồng nhất sang không đồng nhất (để khai thác tối đa hiệu suất từng phần tử) b. Làm cho những bộ phận khác nhau thực hiện những chức năng khác nhau c. Đặt mỗi bộ phận của đối tượng dưới các điều kiện thích hợp cho các họat động của đối tượng. 4. Nguyên tắc Bất đối xứng a. Thay một hình đối xứng thành một hình không đối xứng b. Nếu đối tượng đã bất đối xứng rồi thì tăng độ bất đối xứng 5. Nguyên tắc Kết hợp a. Kết hợp về không gian những đối tượng đồng nhất hoặc những đối tượng có những thao tác kề nhau. b. Kết hợp về thời gian những thao tác đồng nhất hoặc kề nhau 6. Nguyên tắc Đa năng Cho một đối tượng hoạt động đa chức năng do đó có thể loại bỏ một số đối tượng khác 5 7. Nguyên tắc Lồng nhau a. Để một đối tượng trong lòng một đối tượng khác, đối tượng khác này lại để trong lòng một đối tượng thứ ba b. Đưa một đối tượng qua một khoảng trống của một đối tượng khác 8. Nguyên tắc Phản trọng lượng a. Bù trừ trọng lượng của đối tượng bằng cách nối với một đối tượng khác có sức đẩy b. Bù trừ trọng lượng của đối tượng bằng tương tác với môi trường có sức đẩy khí hoặc thủy động lực 9. Nguyên tắc Thực hiện một số thao tác ngược truớc a. Thực hiện phản hoạt động trước tiên b. Nếu vật thể chịu áp lực thì cung cấp cung cấp một phản áp lực trước đó 10. Nguyên tắc Thực hiện một số thao tác trước a. Thực hiện tất cả hoặc một phần các thao tác cần thiết trước khi thực hiện b. Sắp xếp các đối tượng sao cho chúng có thể đi vào hoạt động trong một khoảng thời gian hợp lí và từ một vị trí thích hợp 11. Nguyên tắc Dự phòng Dự trù cho tính không tin cậy của đối tượng bằng biện pháp phòng chống. 12. Nguyên tắc Đẳng thế Thay đổi điều kiện làm việc sao cho không phải nâng lên hoặc hạ xuống 13. Nguyên tắc Đảo ngược a. Thay cho một hành động được chỉ định trước, áp dụng một hành động ngược lại b. Làm cho phần chuyển động của đối tượng hoặc môi trường bên ngoài của đối tượng trở nên bất động và những phần bất động trở thành chuyển động c. Lật úp đối tượng 6 14. Nguyên tắc Chuyển động tròn a. Thay những đối tượng thẳng hoặc bề mặt bằng phẳng thành những mặt cong ; thay thế hình lập phương thành hình cầu b. Sử dụng con lăn, vật hình xoắn ốc c. Thay thế chuyển động thẳng bằng chuyển động quay ; tận dụng lực li tâm 15. Nguyên tắc Linh động a. Làm cho đối tượng hay môi trường của nó tự động điều chỉnh tới chế độ tối ưu tại mỗi trạng thái hoạt động. b. Chia vật thể thành những phần nhỏ mà có thể thay đổi vị trí tương đối với nhau c. Nếu vật thể bất động thì làm cho nó chuyển động và có thể trao đổi được 16. Nguyên tắc Hành động một phần hoặc quá mức Nếu khó có thể đạt 100% hiệu quả mong muốn thì cố đạt đến cái đơn giản nhất 17. Nguyên tắc Chuyển sang chiều mới a. Loại bỏ các bài toán bằng cách dịch chuyển một đối tượng trong một chuyển động hai chiều (tức là dọc theo mặt phẳng) b. Sắp xếp các đối tượng trên nhiều lớp thay cho một lớp c. Làm nghiêng đối tượng hoặc quay nó lên cạnh của nó 18. Nguyên tắc Rung động cơ học a. Đặt đối tượng vào thế rung động b. Nếu đã rung động rồi thì tăng tần số, thậm chí đến tận tần số sóng siêu âm c. Sử dụng tần số cộng hưởng d. Thay áp rung cho rung cơ học e. Dùng rung động siêu âm với từ trường 19. Nguyên tắc Hành động tuần hoàn a. Thay một hành động liên tục thành một hành động tuần hoàn (xung). 7 b. Nếu một hành động đã tuần hoàn rồi thì thay đổi tần số c. Sử dụng xung giữa các xung lực để cung cấp hành động bổ sung 20. Nguyên tắc Thực hiện liên tục các họat động có hiệu quả cao a. Thực hiện một hành động liên tục (không nghỉ) trong đó tất cả các phần của đối tượng hoạt động hết công suất. b. Loại bỏ các hành động không hiệu quả và trung gian 21. Nguyên tắc Vượt nhanh Thực hành các thao tác có hại hoặc mạo hiểm với tốc độ thật nhanh 22. Nguyên tắc Chuyển thiệt thành lợi a. Sử dụng những yếu tố có hại hoặc các tác động môi trường để thu những hiệu quả tích cực b. Loại bỏ những yếu tố có hại bằng việc kết hợp nó với một yếu tố có hại khác c. Tăng tác động có hại đến khi nó tự triệt tiêu tính có hại của nó 23. Nguyên tắc Thông tin phản hồi a. Sử dụng thông tin phản hồi b. Nếu đã có thông tin phản hồi thì đảo ngược nó. 24. Nguyên tắc Dùng vật môi giới a. Dùng một vật thể trung gian để truyền hay thực hiện một hành động. b. Tạm thời nối một vật thể với một vật thể khác mà nó dễ dàng được tháo bỏ đi. 25. Nguyên tắc Tự phục vụ a. Làm cho vật thể tự phục vụ và thực hiện những thao tác bổ sung và sửa chữa b. Tận dụng vật liệu và năng lượng bỏ đi 8 26. Nguyên tắc Sao chép a. Dùng một bản sao đơn giản và rẻ tiền thay cho một vật thể phức tạp, đắt tiền, dễ vỡ hay bất tiện b. Thay thế một vật thể bằng bản sao hoặc hình ảnh của nó, có thể dùng thước để tăng hoặc giảm kích thước c. Nếu các bản sao quang học đã được dùng, thay chúng bằng những bản sao hồng ngoại hoặc tử ngoại 27. Nguyên tắc Dùng vật rẻ tiền, tuổi thọ ngắn thay cho vật đắt tiền, tuổi thọ dài Thay một vật thể đắt tiền bằng nhiều những vật thể rẻ tiền có ít ưu điểm hơn (ví dụ tuổi thọ kém đi) 28. Nguyên tắc Thay thế hệ thống cơ học a.Thay thế hệ cơ học bằng hệ quang, âm hoặc khứu giác (mùi) b.Dùng điện, từ, điện từ trường để tương tác với vật thể c.Thay thế các trường: - Trường tĩnh bằng các trường động - Trường cố định bằng trường thay đổi theo thời gian - Trường ngẫu nhiên bằng trường cấu trúc - Dùng một trường kết hợp với các hạt sắt từ 29. Nguyên tắc Dùng khí hoặc thủy lực học Thay thế các phần cứng rắn của đối tượng bằng khí hoặc chất lỏng. Các phần này có thể dùng không khí hoặc nước để phồng lên, hoặc dùng đệm hơi hay đệm thủy tĩnh 30. Nguyên tắc Màng linh động hoặc màng mỏng a. Thay cấu trúc truyền thống bằng cấu trúc làm từ màng linh động hoặc màng mỏng b. Cô lập đối tượng ra khỏi môi trường xung quanh bằng cách sử dụng màng linh động hoặc màng mỏng 9 31. Nguyên tắc Dùng vật liệu xốp a. Dùng vật thể xốp hoặc các yếu tố xốp (chèn, phủ, …) b. Nếu một vật thể đã xốp thì làm đầy các lỗ chân lông trước bằng một vài chất liệu 32. Nguyên tắc Đổi màu a. Đổi màu của đối tượng hoặc những thứ quanh nó. b. Đổi độ trong suốt của đối tượng hoặc quá trình mà khó có quan sát. c. Dùng bổ sung màu để quan sát các đối tượng hoặc quá trình khó quan sát. d. Nếu đã dùng bổ sung màu thì dùng các yếu tố khác để theo dõi. 33. Nguyên tắc Tính đồng nhất Làm các vật thể tương tác với vật thể đầu tiên bằng cùng loại vật liệu hoặc vật liệu rất gần với vật thể đầu tiên đó 34. Nguyên tắc Loại bỏ và tái sử dụng a. Một yếu tố của đối tượng sau khi hoàn thành chức năng hoặc trở nên vô dụng thì hãy loại bỏ hoặc thay đổi nó (vứt bỏ, phân hủy, làm bay hơi, …). b. Loại bỏ ngay lập tức những phần của đối tượng không còn tác dụng. 35. Nguyên tắc Thay đổi thông số lí hóa của đối tượng Thay đổi trạng thái kết tập, phân bố mật độ, độ linh động, nhiệt độ của đối tượng. 36. Nguyên tắc Chuyển pha Ứng dụng các hiệu ứng trong quá trình chuyển pha của vật liệu. Ví dụ trong khi thay đổi thể tích, bậc tự do hay hấp thụ nhiệt 37. Nguyên tắc Giãn nở nhiệt a. Dùng vật liệu có thể co giãn theo nhiệt độ b. Sử dụng các vật liệu khác nhau với các hệ số giãn nở nhiệt khác nhau 10 38. Nguyên tắc Sử dụng chất ô xi hóa mạnh a. Thay không khí thường bằng môi trường nhiều không khí b. Thay môi trường giàu không khí bằng ô xi c. Xử lí vật thể trong môi trường giàu không khí hoặc ô xi bằng phóng xạ ion hóa d. Sử dụng ô xi ion hóa 39. Nguyên tắc Môi trường khí trơ a. Thay môi trường thường bằng môi trường khí trơ b. Thực hiện quá trình trong chân không 40. Nguyên tắc Vật liệu composite Thay vật liệu đồng nhất bằng vật liệu composite II. LỊCH SỬ PHÁT TRIỄN Ổ CỨNG MÁY TÍNH Ổ đĩa cứng, hay còn gọi là ổ cứng (tiếng Anh: Hard Disk Drive, viết tắt: HDD) là thiết bị dùng để lưu trữ dữ liệu trên bề mặt các tấm đĩa hình tròn phủ vật liệu từ tính. Ổ đĩa cứng là loại bộ nhớ "không thay đổi" (non-volatile), có nghĩa là chúng không bị mất dữ liệu khi ngừng cung cấp nguồn điện cho chúng. Ổ đĩa cứng là một thiết bị rất quan trọng trong hệ thống bởi chúng chứa dữ liệu thành quả của một quá trình làm việc của những người sử dụng máy tính. Những sự hư hỏng của các thiết bị khác trong hệ thống máy tính có thể sửa chữa hoặc thay thế được, nhưng dữ liệu bị mất do yếu tố hư hỏng phần cứng của ổ đĩa cứng thường rất khó lấy lại được. Ổ đĩa cứng là một khối duy nhất, các đĩa cứng được lắp ráp cố định trong ổ ngay từ khi sản xuất nên không thể thay thế được các "đĩa cứng" như với cách hiểu như đối với ổ đĩa mềm hoặc ổ đĩa quang. 1. Tổng quan về ổ cứng máy tính Ổ cứng thường được gắn liền với máy tính để lưu trữ dữ liệu cho dù chúng xuất hiện muộn hơn so với những chiếc máy tính đầu tiên. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, ổ đĩa cứng ngày nay có kích thước càng nhỏ đi đến các chuẩn thông dụng với dung lượng thì ngày càng tăng lên. Những thiết kế đầu tiên ổ đĩa cứng chỉ dành cho các máy 11 tính thì ngày nay ổ đĩa cứng còn được sử dụng trong các thiết bị điện tử khác như máy nghe nhạc kĩ thuật số, máy ảnh số, điện thoại di động thông minh (SmartPhone), máy quay phim kĩ thuật số, thiết bị kỹ thuật số hỗ trợ cá nhân... Không chỉ tuân theo các thiết kế ban đầu, ổ đĩa cứng đã có những bước tiến công nghệ nhằm giúp lưu trữ và truy xuất dữ liệu nhanh hơn: ví dụ sự xuất hiện của các ổ đĩa cứng lai giúp cho hệ điều hành hoạt động tối ưu hơn, giảm thời gian khởi động của hệ thống, tiết kiệm năng lượng, sự thay đổi phương thức ghi dữ liệu trên các đĩa từ làm cho dung lượng mỗi ổ đĩa cứng tăng lên đáng kể. 2. Lịch sử phát triển Các thiết bị lưu trữ là một trong những bộ phận phát triển nhanh nhất trong ngành công nghệ thông tin, đã có thời điểm người ta tưởng chừng như không thể vượt qua những giới hạn về dung lượng ổ cứng 1TB nhưng giờ thì chúng ta sắp đạt đến dung lượng 10TB và còn có thể tăng hơn nữa trong thời gian tới. Mặt khác, ngoài HDD truyền thống thì người dùng còn được tận hưởng tốc độ vượt trội của SSD hay các giao tiếp SCSI, SATA thế hệ mới... Năm 1956: Ổ cứng đầu tiên: 305 RAMAC hoạt động theo nguyên lý tính toán và điều khiển truy cập ngẫu nhiên tới dữ liệu. Toàn bộ hệ thống ổ cứng cần tới 50 đĩa có đường kính 24 inch (61 cm) và được phủ một lớp oxide sắt. Nó chứa 5 MB dữ liệu. Có thể thiết bị lưu trữ của IBM này không nằm trong một chiếc máy tính nhưng hầu hết đều thừa nhận nó là ổ cứng đầu tiên trên thế giới. 12 Năm 1980: Ổ cứng đầu tiên được thiết kế cho máy tính cá nhân nhỏ gọn: Shugart ST506 ST506 có tốc độ quay 3600 vòng/phút, tốc độ tìm kiếm 85ms và sử dụng 2 phiến đĩa. Không giống như các ổ cứng hiện đại tích hợp luôn mạch điều khiển (controller card) thì mạch điều khiển của ST506 được tách rời ra. Đây cũng là thiết kế cho các ổ cứng của 5 năm sau đó. Hãng Shugart sau này đổi tên thành Seagate. Ổ cứng Shugart ST506 Năm 1983: Ổ cứng 3,5 inch đầu tiên trên thế giới: Rodime Ổ cứng Rodime 13 Năm 1985: ổ cứng Hardcard của Quantum sử dụng giao tiếp SCSI mới. Ổ cứng Hardcard của Quantum sử dụng giao tiếp SCSI mới. Nă