固態(tài)硬盤市場隨電競熱潮帶動 SSD將成儲存主流技術(shù)

　　固態(tài)硬碟(SSD)已是目前儲存產(chǎn)品市場的主流新技術(shù)，自2016年起，可以發(fā)現(xiàn)在市場上使用3D NAND Flash技術(shù)搭配NVMe應(yīng)用的產(chǎn)品不斷增加。SSD邁向了新紀(jì)元，將以更大的容量、更高的效能與更低的單位儲存成本逐漸取代傳統(tǒng)硬碟(HDD)。

　　3D NAND Flash與PCIe/NVMe的革命性突破

　　本文將探討最新3D NAND Flash的技術(shù)應(yīng)用與傳輸介面(例如SAS、SATA)大量改采PCIe/NVMe后對SSD在企業(yè)/消費端、及車載市場造成之影響(圖1)。

　　在SSD的內(nèi)部構(gòu)造中，快閃存儲器芯片顆粒是決定產(chǎn)品成本、使用壽命與讀寫速度的技術(shù)核心，共分為SLC、MLC、TLC三種類型。一般而言，SLC有著最快速的程序編程與讀取、使用壽命最長、價格最高，主要用于一些高端的軍工規(guī)或企業(yè)級SSD;MLC的速度、壽命、價格適中，是目前中高階企業(yè)級SSD的主流應(yīng)用趨勢;而低價SSD則普遍采用TLC顆粒，容量較高且價格相對低廉，但在性能、穩(wěn)定度與使用壽命上卻略顯不足。

　　圖1 固態(tài)硬碟(SSD)已是目前儲存產(chǎn)品市場的主流新技術(shù)

　　在2016下半年度，各大品牌開始采用可垂直堆疊數(shù)層儲存資料的3D NAND Flash技術(shù)使單位儲存成本大幅下降后，SSD便突破傳統(tǒng)平面式快閃記憶體的物理極限，擴大了以往因顧及制造工藝而受限的容量規(guī)格。舉例來說，威剛科技所推出的「SU900」SSD，就是利用3D NAND Flash技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品，使其即便在使用MLC顆粒的狀況下，也可達(dá)到2TB的超大容量。

　　此外，3D NAND Flash制程技術(shù)也讓TLC SSD的可抹寫次數(shù)有所提升。在2D NAND Flash技術(shù)的時代，提升SSD的容量是要靠著微縮每個儲存單位，來增加儲存密度。然而微縮儲存單位的作法，卻也令SSD的可抹寫次數(shù)降低，造成容量較大的TLC SSD在耐用程度上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及SLC/MLC SSD。但在3D NAND Flash改采垂直立體的堆疊方式來擴增容量后，每一層儲存單位微縮程度不需太大，使TLC SSD能在保持低廉價格的同時，也逐漸減少與MLC SSD在使用壽命上(可抹寫次數(shù))的差距。

　　而NVMe的應(yīng)用更讓SSD突破了傳統(tǒng)SATA Gen3的最大頻寬限制，如SSD龍頭之一的東芝(TOSHIBA)于2017年COMPUTEX在百佳泰攤位上首度曝光的「XG5」系列消費級NVMe SSD(圖2)，除了使用64層3D堆疊技術(shù)使其在NAND Flash晶片體積不變的情況下容量提升至1TB，更運用PCIe Gen3 x4 通道，NVMe Revision 1.2.1，使「XG5」的連續(xù)讀取、寫入速度大幅提升至3,000MB/s和2,100MB/s。這樣的連續(xù)讀取效能已是傳統(tǒng)6Gb/s SATA介面的5.4倍，連續(xù)寫入速度也快了3.8倍。

　　圖2 東芝「XG5」系列消費級NVMe SSD

　　技術(shù)革新影響企業(yè)級SSD用戶

　　以上提及的3D NAND Flash新技術(shù)讓單位成本下降，NVMe的應(yīng)用加大了頻寬的使用，將使過去因成本考量而未使用SSD、或目前是以HDD和SSD互相搭配使用的用戶、增加升級現(xiàn)有硬體設(shè)備之意愿。

　　舉例來說，網(wǎng)路交易次數(shù)頻繁的商家可藉由購入SSD來加快伺服器(Server)的資料處理速度以減少使用者的等待時間;或利用SSD耐震動、低功耗、尺寸小的特性來減少企業(yè)的總持有成本(TCO)?？梢灶A(yù)見未來在企業(yè)應(yīng)用面上，SSD將逐漸分食HDD市場。

　　然而，市面上的企業(yè)級SSD、伺服器作業(yè)系統(tǒng)、及硬體設(shè)備種類五花八門，使用者在面對以上各項主要物件相互搭配時，SSD是否會發(fā)生效能降低、錯誤率上升、或什至無法驅(qū)動等相容性問題，是各大廠商都需面臨的挑戰(zhàn)。在各式Server平臺運作時的應(yīng)用程式負(fù)載(Workload)表現(xiàn)也考驗著這些新型的企業(yè)級NVMe SSD。

　　此外，企業(yè)用Server對其選購的SSD能否維持長時間的穩(wěn)定運作也相當(dāng)重視，一般來說，可以透過穩(wěn)定性測試(Stability Test)來了解SSD的穩(wěn)定性。在以下的測試案例中，在A廠牌(圖3)和B廠牌(圖4)兩種相近規(guī)格的企業(yè)級NVMe SSD在相同的伺服器與作業(yè)系統(tǒng)中，以9種不同的資料區(qū)塊大小、讀寫組合的負(fù)載量(8K 100/0RW;4K 100/0RW;0.5K 100/0RW;8K 65/35RW;4K 65/35RW;0.5K 65/35RW;8K 0/100RW;4K 0/100RW ;0.5K 0/100RW)來了解A牌與B牌SSD在連續(xù)五次運轉(zhuǎn)過程中的反應(yīng)延遲時間。

　　從圖3可以看出，A牌SSD在連續(xù)5次處理9種不同資料量的過程中，反應(yīng)延遲時間短且穩(wěn)定(介于0.02~0.1毫秒間)，圖形因而呈現(xiàn)著較為平穩(wěn)且無太大波動的狀態(tài)。反觀圖4的B牌SSD不但平均反應(yīng)延遲時間較長(介于0.05~0.2毫秒間);同種資料負(fù)載量在不同回合所需要的反應(yīng)延遲時間差異也較大。例如，觀察連續(xù)五回合的藍(lán)色十字狀定點連線而成的曲線圖(8K 0/100RW)，在第一回合只需0.05毫秒的反應(yīng)延遲時間，卻在第二回合需要0.2毫秒。

　　圖3 A牌企業(yè)級NVMe SSD

　　圖4 B牌企業(yè)級NVMe SSD

　　藉由上述測試報告，企業(yè)級SSD制造商可更了解其產(chǎn)品品質(zhì)在市場上的定位針對弱點加以改進來增加市場競爭力。事實上，3D NAND Flash技術(shù)與NVMe的應(yīng)用除了將使企業(yè)用SSD需求大幅提升外，對消費市場上的一般使用者亦影響深遠(yuǎn)。

　　搶搭電競熱潮SSD進攻一般消費市場

　　新世代玩家對于游戲感官刺激及內(nèi)容豐富度近乎苛求，造就了高規(guī)格電競PC及其周邊升級零件市場的大幅度成長。過去，玩家由于對SSD的價格、品質(zhì)與效能尚有疑慮，會選擇優(yōu)先升級核心零件如CPU、記憶體，或顯示卡等來提升其PC效能。然而對于配備已非同日而語的現(xiàn)代玩家來說，整體的游戲流暢度，除了游戲在執(zhí)行中是否會遞延外，另包括安裝、啟動游戲、及過關(guān)載入其他場景的時間也漸受重視，而SSD在這些面向的資料處理速度上，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)HDD的，消費者也因此對SSD有越來越高的期待。

　　關(guān)于SSD以及HDD兩種硬碟在游戲執(zhí)行時的表現(xiàn)，可以透過以下測試結(jié)果來加以分析，測試的樣本分別為一HDD以及不同廠牌、規(guī)格之SSD來執(zhí)行，兩種硬碟皆安裝了最低需求容量40GB的熱門第一人稱射擊游戲Call of Duty:Ghosts來了解其在效能上的差異(圖5)。

　　圖5 由射擊游戲Call of Duty:Ghosts測試分析SSD/HDD效能表現(xiàn)

　　由圖5可知，基本安裝容量需求40GB的游戲在傳統(tǒng)SATA Gen3介面HDD和四種不同廠牌之SATA Gen3 SDD，在安裝時間上平均差了2倍以上;與最新NVMe Gen3 x 4 SSD更相差將近10倍，更遑論日后更高容量需求的游戲大作，高容量游戲在HDD硬體上執(zhí)行，必定會較SSD硬體的資料載入時間更長，進而會影響到使用者體驗。

　　看準(zhǔn)這股對于SSD需求的趨勢，各大品牌也紛紛推出以最新技術(shù)3D NAND Flash打造的消費型NVMe SSD。除了前述的TOSHIBA 64層3D TLC NVMe SSD「XG5」系列外，威剛科技也有多款專為職業(yè)玩家設(shè)計的「XPG」系列電競用SSD。此外，創(chuàng)見資訊更于近期加入卡位，推出最新的3D MLC NVMe SSD「MTE 850」，期望搶占電競市場大餅。

　　新型的NVMe消費級SSD也將面對諸如相容性或功耗表現(xiàn)等挑戰(zhàn)。由于市售來自各廠牌的PC系統(tǒng)、平板電腦、RAID、晶片組以及作業(yè)系統(tǒng)的組合有近千種，制造商在產(chǎn)品上市前，應(yīng)透過嚴(yán)格的相容性測試來確保其在市場的多元產(chǎn)品組合下仍能發(fā)揮應(yīng)有的功能與效能。此外，NVMe SSD有自動切換功耗狀態(tài)的功能，能使設(shè)備在不同工作需求下(閑置/低度/中度/高度運轉(zhuǎn))切換至不同的用電模式(Power Status)，除了可提升行動設(shè)備的續(xù)航能力，也為其電池帶來更長的使用壽命，對市場上的一般消費者來說，可謂尤其重要。但就像在相容性上可能遇到的挑戰(zhàn)一樣，NVMe SSD的不同耗電模式也可能因為與系統(tǒng)不相容而無法被準(zhǔn)確辨認(rèn)或驅(qū)動，因此，廠商應(yīng)透過完整的功耗測試，來避免日后可能發(fā)生的消費糾紛。另外，由3D NAND Flash技術(shù)日漸成熟所帶動的SSD制造成本下降，除了將對企業(yè)、消費級用戶產(chǎn)生巨大影響外，也將讓SSD在車載市場持續(xù)開疆辟土。

　　圖6 SSD的溫度測試流程圖

車用SSD降臨資訊娛樂系統(tǒng)

　　汽車資訊娛樂系統(tǒng)(In-Vehicle Infotainment System, IVI System)的快速發(fā)展，使得人們在車內(nèi)的多媒體應(yīng)用種類越來越多。今天的IVI系統(tǒng)除了能播放音樂、影片、及透過GPS衛(wèi)星來分析路況并提供駕駛最佳路線的導(dǎo)航外，還能利用如Android Auto、Apple CarPlay等系統(tǒng)與智慧型手機同步，讓駕駛?cè)四芡高^聲控的方式來更安全的撥打電話或收發(fā)訊息。在這樣支援多種功能的IVI系統(tǒng)下，不論是GPS系統(tǒng)中的大量地圖資料庫;抑或智慧型裝置內(nèi)的音樂、視訊、及語音辨識等相關(guān)文件能否被快速讀取、整合、并執(zhí)行，都考驗著車用儲存裝置的效能。

　　從前面的測試案例中，可以看出SSD在資料處理上的效能，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)HDD的。而在面對車內(nèi)常有因經(jīng)過烈日曝曬、風(fēng)雪覆蓋而形成的高、低溫環(huán)境;或某些車輛可能需時常行駛于低氣壓、高濕度、高緯度等特殊地區(qū)、甚至在行車過程中會產(chǎn)生的不斷震動、或偶發(fā)的較大沖擊等狀況，SSD低耗能(發(fā)熱度低)及沒有機械讀取頭(抗震動、抗沖擊)的特性，是讓其較HDD更為穩(wěn)定與耐用的關(guān)鍵優(yōu)勢?？梢灶A(yù)期車載SSD在成功導(dǎo)入3D NAND Flash技術(shù)并降低制造成本后，也將被各汽車大廠大量使用。

　　對于前述車載SSD在使用過程中可能遭遇的各種嚴(yán)峻環(huán)境，車廠一般會透過可靠性測試(Reliability Test)來模擬各種情境以檢驗產(chǎn)品能否運作正常。然而，各大車廠對于其車載SSD的耐用程度皆有不一樣的要求;業(yè)界也沒有制定標(biāo)準(zhǔn)的測試規(guī)范，如何針對不同需求設(shè)計完整的測試計畫以確保產(chǎn)品品質(zhì)、對相關(guān)測試設(shè)備的投資、與對測試結(jié)果的后續(xù)分析等，遂成為令廠商費解的重要課題。

　　此外，「溫度」也是另一項重要的環(huán)境變數(shù)，在這個測試情境中，同時將受測SSD置入復(fù)合式環(huán)境試驗系統(tǒng)中進行最高攝氏85度、最低攝氏-30度的連續(xù)八小時溫度測試(Temperature Test)，來檢驗SSD在經(jīng)歷八小時的溫度變化與不同震動幅度的嚴(yán)峻環(huán)境考驗后，在資料讀取/寫入的速度及資料載入的完整性上，是否會因長時間處于不穩(wěn)定的工作環(huán)境下，發(fā)生遞延、錯誤率上升及系統(tǒng)故障等問題。

　　其他重要的可靠性測試如模擬車輛行駛于高濕度、高緯度的環(huán)境，遭受較大的沖擊、或檢驗在SSD在接受不正常斷電或電力供輸不穩(wěn)下的資料保護機制等測試項目，也是同步會依照車廠需求來制定相關(guān)的測試計畫。

　　SSD成為必備電腦周邊零件

　　從2017年各廠推出的最新SSD可看出，3D NAND Flash技術(shù)與NVMe的應(yīng)用在不久的將來全面取代傳統(tǒng)2D NAND Flash、SATA Gen3介面后，SSD將以快速、穩(wěn)定、耐用、大容量等特性與日漸平民化的價格席卷企業(yè)及車載系統(tǒng)市場。在消費市場方面，全球電競熱潮也正帶動著SSD成為一般使用者必備的電腦周邊升級零件之一。