固態(tài)硬盤(pán)市場(chǎng)隨電競熱潮帶動(dòng) 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(chǎng)的主流新技術(shù)，自2016年起，可以發(fā)現在市場(chǎng)上使用3D NAND Flash技術(shù)搭配N(xiāo)VMe應用的產(chǎn)品不斷增加。SSD邁向了新紀元，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(chē)載市場(chǎng)造成之影響(圖1)。

　　在SSD的內部構造中，快閃存儲器芯片顆粒是決定產(chǎn)品成本、使用壽命與讀寫(xiě)速度的技術(shù)核心，共分為SLC、MLC、TLC三種類(lèi)型。一般而言，SLC有著(zhù)最快速的程序編程與讀取、使用壽命最長(cháng)、價(jià)格最高，主要用于一些高端的軍工規或企業(yè)級SSD;MLC的速度、壽命、價(jià)格適中，是目前中高階企業(yè)級SSD的主流應用趨勢;而低價(jià)SSD則普遍采用TLC顆粒，容量較高且價(jià)格相對低廉，但在性能、穩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(chǎng)的主流新技術(shù)

　　在2016下半年度，各大品牌開(kāi)始采用可垂直堆疊數層儲存資料的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格。舉例來(lái)說(shuō)，威剛科技所推出的「SU900」SSD，就是利用3D NAND Flash技術(shù)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)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制程技術(shù)也讓TLC SSD的可抹寫(xiě)次數有所提升。在2D NAND Flash技術(shù)的時(shí)代，提升SSD的容量是要靠著(zhù)微縮每個(gè)儲存單位，來(lái)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(xiě)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改采垂直立體的堆疊方式來(lái)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(jià)格的同時(shí)，也逐漸減少與MLC SSD在使用壽命上(可抹寫(xiě)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)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」的連續讀取、寫(xiě)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(xiě)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(hù)

　　以上提及的3D NAND Flash新技術(shù)讓單位成本下降，NVMe的應用加大了頻寬的使用，將使過(guò)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(hù)、增加升級現有硬體設備之意愿。

　　舉例來(lái)說(shuō)，網(wǎng)路交易次數頻繁的商家可藉由購入SSD來(lái)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(lái)減少企業(yè)的總持有成本(TCO)?？梢灶A見(jiàn)未來(lái)在企業(yè)應用面上，SSD將逐漸分食HDD市場(chǎng)。

　　然而，市面上的企業(yè)級SSD、伺服器作業(yè)系統、及硬體設備種類(lèi)五花八門(mén)，使用者在面對以上各項主要物件相互搭配時(shí)，SSD是否會(huì )發(fā)生效能降低、錯誤率上升、或什至無(wú)法驅動(dòng)等相容性問(wèn)題，是各大廠(chǎng)商都需面臨的挑戰。在各式Server平臺運作時(shí)的應用程式負載(Workload)表現也考驗著(zhù)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(cháng)時(shí)間的穩定運作也相當重視，一般來(lái)說(shuō)，可以透過(guò)穩定性測試(Stability Test)來(lái)了解SSD的穩定性。在以下的測試案例中，在A(yíng)廠(chǎng)牌(圖3)和B廠(chǎng)牌(圖4)兩種相近規格的企業(yè)級NVMe SSD在相同的伺服器與作業(yè)系統中，以9種不同的資料區塊大小、讀寫(xiě)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(lái)了解A牌與B牌SSD在連續五次運轉過(guò)程中的反應延遲時(shí)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(guò)程中，反應延遲時(shí)間短且穩定(介于0.02~0.1毫秒間)，圖形因而呈現著(zhù)較為平穩且無(wú)太大波動(dòng)的狀態(tài)。反觀(guān)圖4的B牌SSD不但平均反應延遲時(shí)間較長(cháng)(介于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(shí)間差異也較大。例如，觀(guān)察連續五回合的藍色十字狀定點(diǎn)連線(xiàn)而成的曲線(xiàn)圖(8K 0/100RW)，在第一回合只需0.05毫秒的反應延遲時(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(chǎng)上的定位針對弱點(diǎn)加以改進(jìn)來(lái)增加市場(chǎng)競爭力。事實(shí)上，3D NAND Flash技術(shù)與NVMe的應用除了將使企業(yè)用SSD需求大幅提升外，對消費市場(chǎng)上的一般使用者亦影響深遠。

　　搶搭電競熱潮SSD進(jìn)攻一般消費市場(chǎng)

　　新世代玩家對于游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(chǎng)的大幅度成長(cháng)。過(guò)去，玩家由于對SSD的價(jià)格、品質(zhì)與效能尚有疑慮，會(huì )選擇優(yōu)先升級核心零件如CPU、記憶體，或顯示卡等來(lái)提升其PC效能。然而對于配備已非同日而語(yǔ)的現代玩家來(lái)說(shuō)，整體的游戲流暢度，除了游戲在執行中是否會(huì )遞延外，另包括安裝、啟動(dòng)游戲、及過(guò)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，是遠遠超越傳統HDD的，消費者也因此對SSD有越來(lái)越高的期待。

　　關(guān)于SSD以及HDD兩種硬碟在游戲執行時(shí)的表現，可以透過(guò)以下測試結果來(lái)加以分析，測試的樣本分別為一HDD以及不同廠(chǎng)牌、規格之SSD來(lái)執行，兩種硬碟皆安裝了最低需求容量40GB的熱門(mén)第一人稱(chēng)射擊游戲Call of Duty:Ghosts來(lái)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

　　由圖5可知，基本安裝容量需求40GB的游戲在傳統SATA Gen3介面HDD和四種不同廠(chǎng)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硬體上執行，必定會(huì )較SSD硬體的資料載入時(shí)間更長(cháng)，進(jìn)而會(huì )影響到使用者體驗。

　　看準這股對于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(zhuān)為職業(yè)玩家設計的「XPG」系列電競用SSD。此外，創(chuàng )見(jiàn)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(chǎng)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。由于市售來(lái)自各廠(chǎng)牌的PC系統、平板電腦、RAID、晶片組以及作業(yè)系統的組合有近千種，制造商在產(chǎn)品上市前，應透過(guò)嚴格的相容性測試來(lái)確保其在市場(chǎng)的多元產(chǎn)品組合下仍能發(fā)揮應有的功能與效能。此外，NVMe SSD有自動(dòng)切換功耗狀態(tài)的功能，能使設備在不同工作需求下(閑置/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(dòng)設備的續航能力，也為其電池帶來(lái)更長(cháng)的使用壽命，對市場(chǎng)上的一般消費者來(lái)說(shuō)，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(wú)法被準確辨認或驅動(dòng)，因此，廠(chǎng)商應透過(guò)完整的功耗測試，來(lái)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(dòng)的SSD制造成本下降，除了將對企業(yè)、消費級用戶(hù)產(chǎn)生巨大影響外，也將讓SSD在車(chē)載市場(chǎng)持續開(kāi)疆辟土。

　　圖6 SSD的溫度測試流程圖

車(chē)用SSD降臨資訊娛樂(lè )系統

　　汽車(chē)資訊娛樂(lè )系統(In-Vehicle Infotainment System, IVI System)的快速發(fā)展，使得人們在車(chē)內的多媒體應用種類(lèi)越來(lái)越多。今天的IVI系統除了能播放音樂(lè )、影片、及透過(guò)GPS衛星來(lái)分析路況并提供駕駛最佳路線(xiàn)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(guò)聲控的方式來(lái)更安全的撥打電話(huà)或收發(fā)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(lè )、視訊、及語(yǔ)音辨識等相關(guān)文件能否被快速讀取、整合、并執行，都考驗著(zhù)車(chē)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(guò)傳統HDD的。而在面對車(chē)內常有因經(jīng)過(guò)烈日曝曬、風(fēng)雪覆蓋而形成的高、低溫環(huán)境;或某些車(chē)輛可能需時(shí)常行駛于低氣壓、高濕度、高緯度等特殊地區、甚至在行車(chē)過(guò)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(méi)有機械讀取頭(抗震動(dòng)、抗沖擊)的特性，是讓其較HDD更為穩定與耐用的關(guān)鍵優(yōu)勢?？梢灶A期車(chē)載SSD在成功導入3D NAND Flash技術(shù)并降低制造成本后，也將被各汽車(chē)大廠(chǎng)大量使用。

　　對于前述車(chē)載SSD在使用過(guò)程中可能遭遇的各種嚴峻環(huán)境，車(chē)廠(chǎng)一般會(huì )透過(guò)可靠性測試(Reliability Test)來(lái)模擬各種情境以檢驗產(chǎn)品能否運作正常。然而，各大車(chē)廠(chǎng)對于其車(chē)載SSD的耐用程度皆有不一樣的要求;業(yè)界也沒(méi)有制定標準的測試規范，如何針對不同需求設計完整的測試計畫(huà)以確保產(chǎn)品品質(zhì)、對相關(guān)測試設備的投資、與對測試結果的后續分析等，遂成為令廠(chǎng)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，在這個(gè)測試情境中，同時(shí)將受測SSD置入復合式環(huán)境試驗系統中進(jìn)行最高攝氏85度、最低攝氏-30度的連續八小時(shí)溫度測試(Temperature Test)，來(lái)檢驗SSD在經(jīng)歷八小時(shí)的溫度變化與不同震動(dòng)幅度的嚴峻環(huán)境考驗后，在資料讀取/寫(xiě)入的速度及資料載入的完整性上，是否會(huì )因長(cháng)時(shí)間處于不穩定的工作環(huán)境下，發(fā)生遞延、錯誤率上升及系統故障等問(wèn)題。

　　其他重要的可靠性測試如模擬車(chē)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下的資料保護機制等測試項目，也是同步會(huì )依照車(chē)廠(chǎng)需求來(lái)制定相關(guān)的測試計畫(huà)。

　　SSD成為必備電腦周邊零件

　　從2017年各廠(chǎng)推出的最新SSD可看出，3D NAND Flash技術(shù)與NVMe的應用在不久的將來(lái)全面取代傳統2D NAND Flash、SATA Gen3介面后，SSD將以快速、穩定、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(chē)載系統市場(chǎng)。在消費市場(chǎng)方面，全球電競熱潮也正帶動(dòng)著(zhù)SSD成為一般使用者必備的電腦周邊升級零件之一。