Bit và byte: từ hai trạng thái 0 và 1 đến ổ cứng terabyte, máy tính đếm dữ liệu ra sao | Viết bởi sonradio

Mọi bức ảnh, bài hát hay tin nhắn trong điện thoại đều được lưu thành một chuỗi rất dài các số 0 và 1. Mỗi chữ số như vậy là một bit, đơn vị thông tin nhỏ nhất của máy tính và truyền thông số. Gom 8 bit lại, ta có một byte, đơn vị mà RAM, ổ cứng hay gói cước 4G dùng để tính dung lượng.

Hai đơn vị này có lịch sử riêng, và chuyện 1 kilobyte bằng 1.000 hay 1.024 byte vẫn khiến nhiều người thắc mắc khi thấy ổ cứng 1 TB chỉ hiện khoảng 931 GB trên Windows.

Bộ nhớ lõi từ (magnetic-core memory): mỗi vòng ferrite nhỏ lưu một bit bằng chiều từ hóa của nó, công nghệ phổ biến trong thập niên 1950 và 1960

Bit là viết tắt của binary digit , tức chữ số nhị phân. Một bit chỉ nhận một trong hai giá trị, thường ghi là 1 và 0, cũng có thể hiểu là đúng hoặc sai, bật hoặc tắt. Theo Britannica, trong bộ nhớ máy tính, 1 có thể ứng với điện áp cao và 0 với điện áp thấp; Wikipedia lưu ý việc gán giá trị nào cho trạng thái vật lý nào chỉ là quy ước.

Từ "bit" lần đầu lên ấn phẩm trong bài báo A Mathematical Theory of Communication năm 1948 của Claude Shannon. Shannon ghi rằng từ này do John W. Tukey đề xuất; Tukey đã rút gọn "binary digit" thành "bit" trong một bản ghi nhớ tại Bell Labs ngày 9/1/1947.

Một bit nằm ở đâu trong thiết bị

Thứ gì có hai trạng thái phân biệt rõ ràng đều có thể chứa một bit:

Thẻ đục lỗ : mỗi vị trí có lỗ hoặc không, ý tưởng đã dùng trong máy dệt từ thế kỷ 18. Bộ nhớ lõi từ, băng từ, ổ đĩa cứng : chiều từ hóa của một vùng vật liệu. DRAM và SSD : mức điện tích trong tụ điện hoặc transistor cổng nổi. Đĩa CD, DVD : có hoặc không có một hố cực nhỏ trên mặt phản xạ.

Hai bit cho 4 tổ hợp (00, 01, 10, 11), ba bit cho 8, mỗi bit thêm vào lại nhân đôi số tổ hợp. Với 8 bit, ta có 2⁸ = 256 tổ hợp, đủ biểu diễn các số từ 0 đến 255. Mỗi vị trí mang giá trị là một lũy thừa của 2, từ 128 bên trái đến 1 bên phải; cộng các vị trí đang bật là ra con số.

Sơ đồ minh họa: 8 bit đếm từ 0 trở lên, rồi đến 65 (chữ A trong bảng mã ASCII) và giá trị lớn nhất 255

Từ "byte" do kỹ sư Werner Buchholz của IBM đặt ra vào tháng 6/1956, khi thiết kế máy tính IBM Stretch. Ông cố ý biến "bite" (miếng cắn) thành "byte" để khỏi bị nhầm với "bit". Lúc đầu, byte của Stretch dài từ 1 đến 6 bit tùy mục đích.

Nhiều máy thập niên 1960 còn dùng byte 6 hoặc 9 bit. Bước ngoặt là dòng IBM System/360 ra mắt năm 1964, cố định byte ở 8 bit và đánh địa chỉ bộ nhớ theo từng byte. Sự phổ biến của System/360, rồi các vi xử lý 8 bit thập niên 1970, đưa 8 bit thành chuẩn trên thực tế.

Máy IBM System/360 Model 30 tại Bảo tàng Lịch sử Máy tính (Mỹ). Dòng System/360 góp phần biến byte 8 bit thành chuẩn chung

Một byte đủ chứa một ký tự Latin cơ bản: theo bảng mã ASCII, chữ "A" là số 65, tức 01000001. Chữ tiếng Việt có dấu tốn hơn: trong mã UTF-8, chữ "ă" chiếm 2 byte, chữ "ệ" chiếm 3 byte.

Kilobyte bằng 1.000 hay 1.024 byte

Vì bộ nhớ được tổ chức theo lũy thừa của 2, và 2¹⁰ = 1.024 rất gần 1.000, giới tin học từ sớm đã gọi 1.024 byte là một kilobyte. Theo NIST, cách gọi này ổn khi chỉ người trong nghề dùng, nhưng khi dung lượng lên tới gigabyte, terabyte, khoảng chênh lớn dần: 2,4% ở bậc kilo, gần 10% ở bậc tera.

Tháng 12/1998, Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) thông qua bộ tiền tố riêng cho bội số nhị phân: kibi (Ki, 2¹⁰), mebi (Mi, 2²⁰), gibi (Gi, 2³⁰), tebi (Ti, 2⁴⁰), còn kilobyte (kB) chỉ dùng cho đúng 1.000 byte. Trên thực tế, hai cách đếm vẫn song song:

Ổ cứng, SSD, thẻ nhớ : nhà sản xuất dùng hệ 10, tức 1 GB là 1 tỷ byte và 1 TB là 1.000 tỷ byte. Tốc độ mạng : cũng tính theo hệ 10 và theo bit, nên gói cước 100 Mbps tương đương tối đa 12,5 MB mỗi giây. Windows và dung lượng RAM : vẫn đếm theo hệ 2 nhưng ghi ký hiệu KB, MB, GB. macOS và iOS : Apple dùng hệ 2 đến OS X Leopard và iOS 10, sau đó chuyển sang hệ 10.

Sơ đồ minh họa: chênh lệch giữa cách đếm hệ 10 và hệ 2 tăng dần theo từng bậc tiền tố, lý do ổ 1 TB hiện khoảng 931 GB trên Windows

Vì vậy, ổ ghi 1 TB (10¹² byte) hiện khoảng 931 "GB" trên Windows, thực chất là 931 GiB. Không byte nào bị mất; phần dung lượng thực sự bị chiếm đến từ định dạng ổ đĩa và hệ điều hành, như Apple giải thích. Các vụ kiện ở Mỹ quanh chuyện này, theo Wikipedia, phần lớn kết thúc có lợi cho nhà sản xuất.

Từ một vòng ferrite đổi chiều từ hóa đến chiếc SSD vài terabyte hôm nay, mọi thứ vẫn quy về hai trạng thái 0 và 1. Thứ thay đổi chỉ là cách gom chúng lại và cách con người đặt tên cho những con số ngày càng lớn.

Nguồn: Wikipedia (Bit) , Wikipedia (Byte) , Britannica , NIST , Apple Support