固態(tài)硬盤市場(chǎng)隨電競(jìng)熱潮帶動(dòng) SSD將成儲(chǔ)存主流技術(shù)

　　固態(tài)硬碟(SSD)已是目前儲(chǔ)存產(chǎn)品市場(chǎng)的主流新技術(shù)，自2016年起，可以發(fā)現(xiàn)在市場(chǎng)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(chǔ)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(duì)SSD在企業(yè)/消費(fèi)端、及車載市場(chǎng)造成之影響(圖1)。

　　在SSD的內(nèi)部構(gòu)造中，快閃存儲(chǔ)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(zhǎng)、價(jià)格最高，主要用于一些高端的軍工規(guī)或企業(yè)級(jí)SSD;MLC的速度、壽命、價(jià)格適中，是目前中高階企業(yè)級(jí)SSD的主流應(yīng)用趨勢(shì);而低價(jià)SSD則普遍采用TLC顆粒，容量較高且價(jià)格相對(duì)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(chǔ)存產(chǎn)品市場(chǎng)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(chǔ)存資料的3D NAND Flash技術(shù)使單位儲(chǔ)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(kuò)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(shí)代，提升SSD的容量是要靠著微縮每個(gè)儲(chǔ)存單位，來增加儲(chǔ)存密度。然而微縮儲(chǔ)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(kuò)增容量后，每一層儲(chǔ)存單位微縮程度不需太大，使TLC SSD能在保持低廉價(jià)格的同時(shí)，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(fèi)級(jí)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(yùn)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(fèi)級(jí)NVMe SSD

　　技術(shù)革新影響企業(yè)級(jí)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(jí)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(gòu)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(shí)間;或利用SSD耐震動(dòng)、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(chǎng)。

　　然而，市面上的企業(yè)級(jí)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(duì)以上各項(xiàng)主要物件相互搭配時(shí)，SSD是否會(huì)發(fā)生效能降低、錯(cuò)誤率上升、或什至無法驅(qū)動(dòng)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(tái)運(yùn)作時(shí)的應(yīng)用程式負(fù)載(Workload)表現(xiàn)也考驗(yàn)著這些新型的企業(yè)級(jí)NVMe SSD。

　　此外，企業(yè)用Server對(duì)其選購(gòu)的SSD能否維持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)作也相當(dāng)重視，一般來說，可以透過穩(wěn)定性測(cè)試(Stability Test)來了解SSD的穩(wěn)定性。在以下的測(cè)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(jí)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(yùn)轉(zhuǎn)過程中的反應(yīng)延遲時(shí)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(shí)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(dòng)的狀態(tài)。反觀圖4的B牌SSD不但平均反應(yīng)延遲時(shí)間較長(zhǎng)(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(shí)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(diǎn)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(shí)間，卻在第二回合需要0.2毫秒。

　　圖3 A牌企業(yè)級(jí)NVMe SSD

　　圖4 B牌企業(yè)級(jí)NVMe SSD

　　藉由上述測(cè)試報(bào)告，企業(yè)級(jí)SSD制造商可更了解其產(chǎn)品品質(zhì)在市場(chǎng)上的定位針對(duì)弱點(diǎn)加以改進(jìn)來增加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。事實(shí)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(duì)消費(fèi)市場(chǎng)上的一般使用者亦影響深遠(yuǎn)。

　　搶搭電競(jìng)熱潮SSD進(jìn)攻一般消費(fèi)市場(chǎng)

　　新世代玩家對(duì)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(jìng)PC及其周邊升級(jí)零件市場(chǎng)的大幅度成長(zhǎng)。過去，玩家由于對(duì)SSD的價(jià)格、品質(zhì)與效能尚有疑慮，會(huì)選擇優(yōu)先升級(jí)核心零件如CPU、記憶體，或顯示卡等來提升其PC效能。然而對(duì)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(huì)遞延外，另包括安裝、啟動(dòng)游戲、及過關(guān)載入其他場(chǎng)景的時(shí)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(fèi)者也因此對(duì)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(shí)的表現(xiàn)，可以透過以下測(cè)試結(jié)果來加以分析，測(cè)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(cè)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(shí)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(huì)較SSD硬體的資料載入時(shí)間更長(zhǎng)，進(jìn)而會(huì)影響到使用者體驗(yàn)。

　　看準(zhǔn)這股對(duì)于SSD需求的趨勢(shì)，各大品牌也紛紛推出以最新技術(shù)3D NAND Flash打造的消費(fèi)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(jì)的「XPG」系列電競(jìng)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(jìng)市場(chǎng)大餅。

　　新型的NVMe消費(fèi)級(jí)SSD也將面對(duì)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(cè)試來確保其在市場(chǎng)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(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn))切換至不同的用電模式(Power Status)，除了可提升行動(dòng)設(shè)備的續(xù)航能力，也為其電池帶來更長(zhǎng)的使用壽命，對(duì)市場(chǎng)上的一般消費(fèi)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?yàn)榕c系統(tǒng)不相容而無法被準(zhǔn)確辨認(rèn)或驅(qū)動(dòng)，因此，廠商應(yīng)透過完整的功耗測(cè)試，來避免日后可能發(fā)生的消費(fèi)糾紛。另外，由3D NAND Flash技術(shù)日漸成熟所帶動(dòng)的SSD制造成本下降，除了將對(duì)企業(yè)、消費(fèi)級(jí)用戶產(chǎn)生巨大影響外，也將讓SSD在車載市場(chǎng)持續(xù)開疆辟土。

　　圖6 SSD的溫度測(cè)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?cè)谲噧?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(jī)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(kù);抑或智慧型裝置內(nèi)的音樂、視訊、及語音辨識(shí)等相關(guān)文件能否被快速讀取、整合、并執(zhí)行，都考驗(yàn)著車用儲(chǔ)存裝置的效能。

　　從前面的測(cè)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(duì)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(shí)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(huì)產(chǎn)生的不斷震動(dòng)、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(jī)械讀取頭(抗震動(dòng)、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(shì)?？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(duì)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(huì)透過可靠性測(cè)試(Reliability Test)來模擬各種情境以檢驗(yàn)產(chǎn)品能否運(yùn)作正常。然而，各大車廠對(duì)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(cè)試規(guī)范，如何針對(duì)不同需求設(shè)計(jì)完整的測(cè)試計(jì)畫以確保產(chǎn)品品質(zhì)、對(duì)相關(guān)測(cè)試設(shè)備的投資、與對(duì)測(cè)試結(jié)果的后續(xù)分析等，遂成為令廠商費(fèi)解的重要課題。

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

　　其他重要的可靠性測(cè)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(yàn)在SSD在接受不正常斷電或電力供輸不穩(wěn)下的資料保護(hù)機(jī)制等測(cè)試項(xiàng)目，也是同步會(huì)依照車廠需求來制定相關(guān)的測(cè)試計(jì)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(jià)格席卷企業(yè)及車載系統(tǒng)市場(chǎng)。在消費(fèi)市場(chǎng)方面，全球電競(jìng)熱潮也正帶動(dòng)著SSD成為一般使用者必備的電腦周邊升級(jí)零件之一。