3D NAND Flash與PCIe/NVMe的革命性突破
本文將探討最新3D NAND Flash的技術應用與傳輸介面(例如SAS、SATA)大量改採PCIe/NVMe後對SSD在企業/消費端、及車載市場造成之影響(圖1)。
在SSD的內部構造中，快閃記憶體晶片顆粒是決定產品成本、使用壽命與讀寫速度的技術核心，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，主要用於一些高端的軍工規或企業級SSD；MLC的速度、壽命、價格適中，是目前中高階企業級SSD的主流應用趨勢；而低價SSD則普遍採用TLC顆粒，容量較高且價格相對低廉，但在性能、穩定度與使用壽命上卻略顯不足。
在2016下半年度，各大品牌開始採用可垂直堆疊數層儲存資料的3D NAND Flash技術使單位儲存成本大幅下降後，SSD便突破傳統平面式快閃記憶體的物理極限，擴大了以往因顧及製造工藝而受限的容量規格。舉例來說，威剛科技所推出的「SU900」SSD，就是利用3D NAND Flash技術開發的產品，使其即便在使用MLC顆粒的狀況下，也可達到2TB的超大容量。
此外，3D NAND Flash製程技術也讓TLC SSD的可抹寫次數有所提升。在2D NAND Flash技術的時代，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的可抹寫次數降低，造成容量較大的TLC SSD在耐用程度上，遠遠不及SLC/MLC SSD。但在3D NAND Flash改採垂直立體的堆疊方式來擴增容量後，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)的差距。
而NVMe的應用更讓SSD突破了傳統SATA Gen3的最大頻寬限制，如SSD龍頭之一的東芝(TOSHIBA)於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」的連續讀取、寫入速度大幅提升至3,000MB/s和2,100MB/s。這樣的連續讀取效能已是傳統6Gb/s SATA介面的5.4倍，連續寫入速度也快了3.8倍。
技術革新影響企業級SSD用戶
以上提及的3D NAND Flash新技術讓單位成本下降，NVMe的應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、增加升級現有硬體設備之意願。
舉例來說，網路交易次數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的總持有成本(TCO)。可以預見未來在企業應用面上，SSD將逐漸分食HDD市場。
然而，市面上的企業級SSD、伺服器作業系統、及硬體設備種類五花八門，使用者在面對以上各項主要物件相互搭配時，SSD是否會發生效能降低、錯誤率上升、或甚至無法驅動等相容性問題，是各大廠商都需面臨的挑戰。在各式Server平台運作時的應用程式負載(Workload)表現也考驗著這些新型的企業級NVMe SSD。
此外，企業用Server對其選購的SSD能否維持長時間的穩定運作也相當重視，一般來說，可以透過穩定性測試(Stability Test)來了解SSD的穩定性。在以下的測試案例中，在A廠牌(圖3)和B廠牌(圖4)兩種相近規格的企業級NVMe SSD在相同的伺服器與作業系統中，以9種不同的資料區塊大小、讀寫組合的負載量(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在連續五次運轉過程中的反應延遲時間。
從圖3可以看出，A牌SSD在連續5次處理9種不同資料量的過程中，反應延遲時間短且穩定(介於0.02~0.1毫秒間)，圖形因而呈現著較為平穩且無太大波動的狀態。反觀圖4的B牌SSD不但平均反應延遲時間較長(介於0.05~0.2毫秒間)；同種資料負載量在不同回合所需要的反應延遲時間差異也較大。例如，觀察連續五回合的藍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毫秒的反應延遲時間，卻在第二回合需要0.2毫秒。
藉由上述測試報告，企業級SSD製造商可更了解其產品品質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技術與NVMe的應用除了將使企業用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。
搶搭電競熱潮 SSD進攻一般消費市場
新世代玩家對於遊戲感官刺激及內容豐富度近乎苛求，造就了高規格電競PC及其周邊升級零件市場的大幅度成長。過去，玩家由於對SSD的價格、品質與效能尚有疑慮，會選擇優先升級核心零件如CPU、記憶體，或顯示卡等來提升其PC效能。然而對於配備已非同日而語的現代玩家來說，整體的遊戲流暢度，除了遊戲在執行中是否會遞延外，另包括安裝、啟動遊戲、及過關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，是遠遠超越傳統HDD的，消費者也因此對SSD有越來越高的期待。
關於SSD以及HDD兩種硬碟在遊戲執行時的表現，可以透過以下測試結果來加以分析，測試的樣本分別為一HDD以及不同廠牌、規格之SSD來執行，兩種硬碟皆安裝了最低需求容量40GB的熱門第一人稱射擊遊戲Call of Duty:Ghosts來了解其在效能上的差異(圖5)。
由圖5可知，基本安裝容量需求40GB的遊戲在傳統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，更遑論日後更高容量需求的遊戲大作，高容量遊戲在HDD硬體上執行，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。
看準這股對於SSD需求的趨勢，各大品牌也紛紛推出以最新技術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玩家設計的「XPG」系列電競用SSD。此外，創見資訊更於近期加入卡位，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等挑戰。由於市售來自各廠牌的PC系統、平板電腦、RAID、晶片組以及作業系統的組合有近千種，製造商在產品上市前，應透過嚴格的相容性測試來確保其在市場的多元產品組合下仍能發揮應有的功能與效能。此外，NVMe SSD有自動切換功耗狀態的功能，能使設備在不同工作需求下(閒置/低度/中度/高度運轉)切換至不同的用電模式(Power Status)，除了可提升行動設備的續航能力，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一樣，NVMe SSD的不同耗電模式也可能因為與系統不相容而無法被準確辨認或驅動，因此，廠商應透過完整的功耗測試，來避免日後可能發生的消費糾紛。另外，由3D NAND Flash技術日漸成熟所帶動的SSD製造成本下降，除了將對企業、消費級用戶產生巨大影響外，也將讓SSD在車載市場持續開疆闢土。
車用SSD降臨資訊娛樂系統
汽車資訊娛樂系統(In-Vehicle Infotainment System, IVI System)的快速發展，使得人們在車內的多媒體應用種類越來越多。今天的IVI系統除了能播放音樂、影片、及透過GPS衛星來分析路況並提供駕駛最佳路線的導航外，還能利用如Android Auto、Apple CarPlay等系統與智慧型手機同步，讓駕駛人能透過聲控的方式來更安全的撥打電話或收發訊息。在這樣支援多種功能的IVI系統下，不論是GPS系統中的大量地圖資料庫；抑或智慧型裝置內的音樂、視訊、及語音辨識等相關文件能否被快速讀取、整合、並執行，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，是遠遠超過傳統HDD的。而在面對車內常有因經過烈日曝曬、風雪覆蓋而形成的高、低溫環境；或某些車輛可能需時常行駛於低氣壓、高濕度、高緯度等特殊地區、甚至在行車過程中會產生的不斷震動、或偶發的較大衝擊等狀況，SSD低耗能(發熱度低)及沒有機械讀取頭(抗震動、抗衝擊)的特性，是讓其較HDD更為穩定與耐用的關鍵優勢。可以預期車載SSD在成功導入3D NAND Flash技術並降低製造成本後，也將被各汽車大廠大量使用。
對於前述車載SSD在使用過程中可能遭遇的各種嚴峻環境，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品能否運作正常。然而，各大車廠對於其車載SSD的耐用程度皆有不一樣的要求；業界也沒有制定標準的測試規範，如何針對不同需求設計完整的測試計畫以確保產品品質、對相關測試設備的投資、與對測試結果的後續分析等，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境變數，在這個測試情境中，同時將受測SSD置入複合式環境試驗系統中進行最高攝氏85度、最低攝氏-30度的連續八小時溫度測試(Temperature Test)，來檢驗SSD在經歷八小時的溫度變化與不同震動幅度的嚴峻環境考驗後，在資料讀取/寫入的速度及資料載入的完整性上，是否會因長時間處於不穩定的工作環境下，發生遞延、錯誤率上升及系統故障等問題。
其他重要的可靠性測試如模擬車輛行駛於高濕度、高緯度的環境，遭受較大的衝擊、或檢驗在SSD在接受不正常斷電或電力供輸不穩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技術與NVMe的應用在不久的將來全面取代傳統2D NAND Flash、SATA Gen3介面後，SSD將以快速、穩定、耐用、大容量等特性與日漸平民化的價格席捲企業及車載系統市場。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。
