2013 年SSD評測-Overview

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2013年SSD,新觀點大群測
回顧過去五年多來的3C產品市場動態,SSD(固態硬碟;Solid-State Drive)的應用可以說是業界成長最俱話題性的產品。透過提供電腦系統在載入主要軟體與快取資料時,可以提供超越傳統硬碟機數十倍的隨機讀寫效率,加以主要的供應商陸續加入這個市場的推波助瀾、Flash memory〈快閃記憶體〉的價位向下持續調整,使得固態硬碟在短短的幾年內,成為市場上解決部分效能瓶頸的新寵兒。

在市場日漸成熟的今日,我們不免俗地,整理現在市面上的固態硬碟產品效能數據供大家參考外,同時也幫助大家回顧一下過去幾年中比較重要的固態硬碟應用演進,希望透過這次的整理,能幫助大家進一步的認識SSD這個東西。並在這個暑假,找到一顆最合適的固態硬碟,並讓它在你的電腦內,成為最棒的效能支援。

從零件來看SSD
固態硬碟市場裡的供應商相當地多,雖然看似群雄割據,但進一步從主要零件的分類,我們仍能從中整理出一些端倪。

一顆固態硬碟其實最重要的零件,不外乎是快閃記憶體和控制器兩者;若從快閃記憶體的供應商來分類,目前世界上最主要的快閃記憶體供應商仍可區分為Samsung、Toshiba還有Intel這三大族系,而控制器的部分,在過去兩年多來的諸多報告中,我們都不否認控制器其實才是決定固態硬碟效能的重要關鍵,但也因為前者的陣營分類,我們很少看到同時可以完美支援三家快閃記憶體的控制器出現,因為供應商主要的快閃記憶體來源通常只有其中1~2兩個,以致控制器在對應不同的快閃記憶體上,得到的效能表現也會有所差異。

現行的高階固態硬碟介紹產品,幾乎可說是SanForce、Marvell、Indilinx三強的天下,而其所採用的Flash memory也會有所不同,要說是Intel的快閃記憶體比較快嗎?其實也不盡然,主要是看控制器廠商與該快閃記憶體的配合度,而使用相同組合的硬體,效能差異通常不會太大,這種時候消費者對供應商品牌與售後服務的表現,將是這些SSD是否可以持續得到消費者青睞的另一關鍵。

什麼是Toggle?什麼是ONFI?
一如我們人與人之間的溝通,今天我在這裡打的是中文,而讀者們可以從文字中得知我所表達的意思,我們可以簡單的把「中文」與「這個網站」,它們規類為溝通的「協定」與「介面」。

一樣的道理,在這些SSD控制器與Flash memory之間,一樣有所謂的傳輸介面與通訊標準。而所謂的Toggle和ONFI,在邏輯上是極為類似的,皆是指當控制器傳來訊號,Flash memory可以對應在訊號波段的上緣與下緣皆可以接收控制器讀寫的動作指令來執行。這種概念和DDR〈Double Data Rate〉記憶體十分相似,讓控制器與Flash memory 之間的傳輸頻寬可以達到以往兩倍的效果,而實際的頻率不用太高,如200MT/s的傳輸次數,只要100MHz的頻率即可。也意味著支援這些介面的控制器與Flash memory,可以組合出一顆速度逼近兩倍快的SSD。兩者關鍵的差異,只在於提出的陣營不同─Toggle Mode是Samsung與Toshiba陣營提出的介面模式,而ONFI的全名是Open NAND Flash Interface,提出組織包括有Intel、Micron、Phison、SanDisk、Hynix、Sony,以及Spansion,寫到這裡,相信大家稍微可以理解Flash memory陣營體系的重要性,雖然這些控制器廠商中不乏兩邊通吃的高手,但不同零件介面的組合對工程師來說,其實並不是相同的兩件事,其發生的效能差異往往還是在於雙方合作的成功度。

目前在ONFI 3.1以及Toggle 2.0的規範中,這些Flash memory都已經可以支援400MT/s的傳輸頻率,若以八顆Flash晶片為一個記憶體組織,這些介面其實對現有的傳輸頻寬早已是撮撮有餘,只等Flash memory自身的讀寫速度再跟進而已。

控制器與效能的選擇固然重要,但這同時也挑戰著供應商對品牌經營的理念,以及產品品質要求的比較。但Flash Memory先天就是一個有使用壽命的零件,如何選擇與應用,以及同步和非同步Flash memory的應用,其實還有進一步的學問可以探索。

SLC和MLC的新認知
看到這個標題,也許諸君會覺得這個講到爛的東西還有什麼好提的呢?其實從2011年開始,這已經成為值得大家觀注的新議題,我們接下來就要從製程與應用這兩個角度,來和大家分享一下。雖然時間點有點晚,但相信對大家看完後,對未來如何判斷固態硬碟的零件好壞,會有全然不同的認知。

所謂的SLC〈Single-Level Cell〉與MLC〈Multi-Level Cell〉是指快閃記憶體的資料記錄的形式與層次的不同。在SLC的資料讀寫中,每個Cell的資料其實就是最單純的0與1的資料儲存模式。這有兩個重要的好處:一是讀寫資料時的延遲幾乎可以無視、耐用性高,可以長時間支援資料的讀寫,二是電力的消耗低,可以支援行動應用與小型系統的安裝應用。但它也有致命的缺點,也就是在相同的空間大小下,SLC能達到的容量大小也相對有限,即使以最新的製程來製作,SLC的單位容量成本似乎還是不足以符合一般系統應用的需求。

MLC則是把Cell的空間分成四層,每一層可以寫入2位元的資料,並以每個Cell內的電子數來判定資料的內容。而控制器透過電壓的控制,在每個Cell裡面進行資料的讀、寫與抹寫動作。如此一來,同樣的空間下,MLC邏輯上可以比SLC的容量再提高8倍,也真的造就了現在市面上諸多的快閃記憶體應用。但它也同時引生出的問題有兩個,一是Flash memory的資料讀寫是控制器透過電壓,讓一定數量的電子穿過浮動匣極膜〈Floating Gate〉後,進行資料的抹寫。在這種一塊當四塊用,加上還要作八倍的工作量,壽命會減短似乎已經是天命,更不要說TLC〈3-bit-per-cell了〉。

再者,控制器在讀寫這些資料時,每一層所需要花的辯識延遲也很可觀,一般SLC的讀取延遲大約是10ns,MLC的平均值就大約需要到44ns左右,寫入時更是要將近400ns,比SLC多出將近3倍的時間,是以效率與耐用性的差異常讓許多玩家維持觀望。不幸的是,壽命不長的問題可能會因為製程的精進而更嚴重,主因也是在於浮動匣極膜的微化,以及Cell內部材質實際體積的縮小,這也是有待材料科技的進步來解決。

當然啦,工程師們仍提出了一些方案來解決這樣的問題,其中就硬體來說,最著名的方案便是eMLC〈Enterprise MLC〉與MLC-SLC mode這兩個名詞。我們從MLC-SLC mode來開始和大家說明;簡而言之,標準的MLC是每個Cell以四層為單位進行資料的儲存,而MLC的SLC mode則是把這四層的空間改為兩層來應用,也就是每個Cell只有兩個記錄2bit資料的空間,如此一來,資料讀寫時的延遲可以明顯縮短,耐用性也能有顯著的提升。但有一好沒兩好,儲存資料的層數少了一半,可以使用的容量自然也只有原本的1/2,換言之,如果本來是顆128GB容量的儲存裝置,也就直接腰斬成64GB,這是一種以空間換取時間的戰術,它也確實提供了更可靠安心的選擇。

至於什麼是eMLC?有人說是經過特殊設計,千鎚百鍊,過得了十八銅人陣的高水準MLC,也有人說其實就是MLC-SLC mode的商品化稱呼。兩者常常混淆,如何解之?其實可以從產品的耐用次數來判斷,一般的產品再怎麼嚴格的品管,耐用性的差異畢竟有限,一般MLC每個Cell的平均抹寫次數大約都維持在3000次左右,品質好一點或是製程較舊可以定為5000,報高到8,000左右的十之八九都是MLC-SLC mode,至於真正的SLC款,相信您看到它的價錢也會先想想該不該買下去。不管是哪一種方案,其實都不會有完美的答案,但在這裡也為苦思解決方案的先趨至上敬意,他們的努力,的確提供了更多的可行方案與巧思。
 

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