增強SSD耐用度/效能 控制器韌體演算法定成敗

作者: 陳敏豪
2014 年 03 月 10 日

增強SSD耐用度/效能 控制器韌體演算法定成敗
固態硬碟(SSD)獲得蘋果(Apple)MacBook Air導入後,由於在加強電腦效能上功不可沒,再加上價格漸趨合理,市場接受度持續上升,除筆記型電腦(NB)內建的型態之外,2.5吋SATA固態硬碟因介面與傳統硬碟相容,也持續侵蝕傳統硬碟市場,漸漸成為市場的主流。
 



這樣的市場無不兵家必爭,從獨立SSD廠商、儲存型快閃(NAND Flash)記憶體大廠自己投入、再到傳統硬碟業者加入戰局,市場競爭非常激烈。在這些廠商中,要能為自己的產品找到競爭力,產生清楚的市場定位關鍵就在於控制器的選擇。控制器為SSD的核心,所有的工作皆仰賴一顆功能強大的SSD控制器。
 



SSD的構成項目主要係NAND Flash與控制器,其中控制器的工作是負責控制各廠牌與不同性質的NAND Flash。由於NAND Flash種類繁多且持續演進;再加上與主機板間介面規格不斷推陳出新,SSD控制器因而必須持續精進,才能符合市場要求。換言之,介面或NAND Flash一個世代的進展,可以導致控制器生態改朝換代。
 



傳輸速度再升級 SSD介面迭有進展 



SATA 3Gbit/s在2004年正式推出之後,在往後的幾年持續成為主流規格,直至2009年SATA 6Gbit/s規格確認後,開始新舊規格間的選擇與拉鋸,而SATA介面的好處就是可以跟傳統硬碟相容,但傳輸速度卻不如PCI Express(PCIe),因此在最新的高階應用中,是以PCIe為主流。對於控制器來說,不同的傳輸介面代表著一個全新的控制器架構,但單一供應商不能只有單一核心介面技術,否則無法提出一個完整的產品方案,此將迫使各廠商需有更高的研發經費投入,亦需有更龐大的研發團隊。
 



SATA 6Gbit/s一般以SATA 3稱之,可說是第三代的SATA規格,速度從上一代的3Gbit/s提升至6Gbit/s,且耗電量更低,是目前各市場最重要的主流。控制器的設計方面,由於頻率大幅提升,在數位訊號的傳遞上,更加容易受到干擾,訊號處理需有不一樣的考量,差動電路設計是基本的要求。另外發射端的眼圖(Eye Diagram)測試與訊號的干擾,接收端對於訊號接收的敏感度有更高的要求。此外,在測試及量測儀器上,也都有更多的要求,如以往點針治具的測試方式在高頻的狀況下,訊號往往有失真的現象,所以測試上會更繁複。
 



另外,頻率提高會導致的耗電增加,控制器為符合低耗電標準,勢必須要選擇更先進的製程,此將意味著更大的資本投資。在靜電保護(ESD)及電磁干擾(EMI)的設計中,也因為頻率提高會有更大的設計挑戰。
 



若再繼續發展,介面將更進階到PCIe,以PCIe Gen2 ×2為例,頻寬可以到達1GB/s,2013年年中所推出的MacBook Air已搭載PCIe Gen2 ×2之SSD,將消費性市場的介面傳輸規格提升到另一個境地,實際上效果也相當顯著,讓其他個人電腦(PC)品牌都有不得不跟上的壓力,而在英特爾(Intel)下一代Broadwell晶片組也將內建支援PCIe Gen2 SSD,這都讓傳輸介面有很大的機會從SATA進展到PCIe,這對於現有控制器而言,又是一個全新的領域,不只是頻率又再一步提升,對於先前只有SATA技術的廠商來說,又是一個新的進入門檻。而在市場規格進展飛速的狀態下,控制器廠商的腳步只有跟上,不然就是被淘汰。
 



降低單位成本 NAND Flash朝更先進製程推進
降低單位成本 NAND Flash朝更先進製程推進 



NAND Flash的發展亦是非常迅速,從單層式儲存(SLC)、多層式儲存(MLC)發展到2014年的三層式儲存(TLC),其中SLC為一個記憶體單元存放1位元的資料,相較於一個記憶體單元存放兩個位元資料的MLC,SLC傳輸速度快,功率消耗比較低,儲存單元的壽命長,但因每一儲存單元可存放的資料較少,因此需要較高的儲存成本,於是市場很自然的會走向較低儲存成本的MLC,以求成本再降低。2013年三星(Samsung)開始推廣TLC已獲得PC原始設備製造商(OEM)採用,表示TLC SSD已可使用在一般消費者的PC中,TLC SSD在2014年將會成為更令人矚目的產品,主因係在同樣的製程中,TLC的單位成本會比MLC低。
 



在降低單位儲存成本的手段上,NAND Flash除單位儲存資料量增加之外,同時製程也不斷進展,從2009年的4x奈米、2010年的3x奈米、2011年的2x奈米、2012年的2y奈米至2013年的1x奈米,再到2014年的1y奈米,一年進展一個世代的步調快速,讓NAND Flash的成本降至可讓市場接受的程度。
 



2014年3D NAND Flash也出現在各家Flash廠商的量產時程表中,其可達到更高的單位儲存密度,並可提升NAND Flash的可靠度及讀寫速度,且能減少功耗,不過在相對更大的資本投入和量產難度的大增之下,初期的推廣可能還是有些障礙,但在降低成本且技術成熟之後,至2015年3D NAND的市場滲透率將會越來越高。
 



對應於NAND Flash的快速進展,控制器需要有同步的進展,產品才有可能量產,除各Flash廠商自有之控制器之外,其餘獨立控制器廠商為更有競爭力,須能支援各家不同世代種類的NAND Flash。
 



一般來說,NAND Flash是否可量產取決於控制器的技術是否可與其搭配,當Flash從SLC進展至MLC與TLC,其耐用度和效能其實都是下降的趨勢,在在須透過控制器晶片韌體技術來彌補,並提升到可量產的水準,如搭配MLC Flash使用的控制器多使用BCH碼(Bose Chaudhuri Hocquengham Code)的錯誤修正碼,若用來搭配TLC Flash,其錯誤修正能力將不足以彌補TLC Flash可能產生的更多資料錯誤量。LDPC(Low Density Parity Check code)就是一種控制器韌體演算法針對錯誤修正的一種更強技術,TLC Flash要能量產,沒有更強的錯誤修正技術是不可行的,而控制器廠商若不能發展出更強的錯誤修正功能,也無法搭配TLC Flash量產。
 



至於未來的3D NAND,會需要怎樣的技術目前尚未完全清楚,但可確定的是,若3D NAND成為主流,控制器廠商勢必要有對應之技術。
 



SSD控制器挑選重效能 韌體演算法高下立判 



平時選購SSD時所著重的各項性能大概都跟控制器直接相關,控制器決定SSD支援的功能,也影響各項性能數據的表現。
 



前一段提到的錯誤修正就是最重要的一項控制器技術,直接影響SSD資料的正確性與穩定性,並關係到新一代NAND Flash的支援。清除未使用區塊(TRIM)和垃圾資料回收(Garbage Collection)關係到NAND Flash中各區塊寫入清除的管理,這跟我們常聽到的平均抹寫技術(Wear Leveling)也有相關性,都是對於記憶體區塊抹寫狀態及次數的管理。
 



另外,NCQ(Native Command Queue)可以讓主端(Host)同時處理最多三十二個指令,大大縮減系統等待的時間。若控制器管理記憶體能以4KB為處理單位,針對Windows NTFS檔案格式,將能有飛快的開機效果。SSD讀寫表現都建立在這所有機制的優化上,而不同控制器廠商在其韌體演算法都有其特殊之處,這也就讓我們在採購SSD時,必須仔細比較各個硬碟的優劣強弱,即使用同樣的控制器,韌體不同也會有表現上的差異。
 



此外,控制器所採用製程,為因應介面頻率的持續提升和耗電的要求,持續往更先進製程靠攏,亦將構成新廠商進入的障礙。
 



價差大幅拉近 SSD加速取代傳統硬碟 



從各方報告都顯示出,市場對於SSD的需求持續攀升,在未來幾年都將持續成長,不只消費性市場,各式產品應用遍布各個角落。在網路環境成熟,物聯網興起的今日,各式各樣物品都可能有儲存的需求,從終端設備到企業伺服器,高效能且穩定的儲存設備皆不可或缺。SSD從控制器到NAND Flash,皆持續發展更先進技術,以滿足市場需求,預期在價格更合理與技術更成熟的狀況下,傳統硬碟汰換成固態硬碟的趨勢,在未來幾年會持續且更明顯的發生。
 



(本文作者為慧榮產品企劃部專案副理)

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