固态硬盘市场随电竞热潮带动 SSD将成储存主流技术

　　固态硬碟(SSD)已是目前储存产品市场的主流新技术，自2016年起，可以发现在市场上使用3D NAND Flash技术搭配NVMe应用的产品不断增加。SSD迈向了新纪元，将以更大的容量、更高的效能与更低的单位储存成本逐渐取代传统硬碟(HDD)。

　　3D NAND Flash与PCIe/NVMe的革命性突破

　　本文将探讨最新3D NAND Flash的技术应用与传输介面(例如SAS、SATA)大量改采PCIe/NVMe后对SSD在企业/消费端、及车载市场造成之影响(图1)。

　　在SSD的内部构造中，快闪存储器芯片颗粒是决定产品成本、使用寿命与读写速度的技术核心，共分为SLC、MLC、TLC三种类型。一般而言，SLC有着最快速的程序编程与读取、使用寿命最长、价格最高，主要用于一些高端的军工规或企业级SSD;MLC的速度、寿命、价格适中，是目前中高阶企业级SSD的主流应用趋势;而低价SSD则普遍采用TLC颗粒，容量较高且价格相对低廉，但在性能、稳定度与使用寿命上却略显不足。

　　图1 固态硬碟(SSD)已是目前储存产品市场的主流新技术

　　在2016下半年度，各大品牌开始采用可垂直堆叠数层储存资料的3D NAND Flash技术使单位储存成本大幅下降后，SSD便突破传统平面式快闪记忆体的物理极限，扩大了以往因顾及制造工艺而受限的容量规格。举例来说，威刚科技所推出的「SU900」SSD，就是利用3D NAND Flash技术开发的产品，使其即便在使用MLC颗粒的状况下，也可达到2TB的超大容量。

　　此外，3D NAND Flash制程技术也让TLC SSD的可抹写次数有所提升。在2D NAND Flash技术的时代，提升SSD的容量是要靠着微缩每个储存单位，来增加储存密度。然而微缩储存单位的作法，却也令SSD的可抹写次数降低，造成容量较大的TLC SSD在耐用程度上，远远不及SLC/MLC SSD。但在3D NAND Flash改采垂直立体的堆叠方式来扩增容量后，每一层储存单位微缩程度不需太大，使TLC SSD能在保持低廉价格的同时，也逐渐减少与MLC SSD在使用寿命上(可抹写次数)的差距。

　　而NVMe的应用更让SSD突破了传统SATA Gen3的最大频宽限制，如SSD龙头之一的东芝(TOSHIBA)于2017年COMPUTEX在百佳泰摊位上首度曝光的「XG5」系列消费级NVMe SSD(图2)，除了使用64层3D堆叠技术使其在NAND Flash晶片体积不变的情况下容量提升至1TB，更运用PCIe Gen3 x4 通道，NVMe Revision 1.2.1，使「XG5」的连续读取、写入速度大幅提升至3,000MB/s和2,100MB/s。这样的连续读取效能已是传统6Gb/s SATA介面的5.4倍，连续写入速度也快了3.8倍。

　　图2 东芝「XG5」系列消费级NVMe SSD

　　技术革新影响企业级SSD用户

　　以上提及的3D NAND Flash新技术让单位成本下降，NVMe的应用加大了频宽的使用，将使过去因成本考量而未使用SSD、或目前是以HDD和SSD互相搭配使用的用户、增加升级现有硬体设备之意愿。

　　举例来说，网路交易次数频繁的商家可藉由购入SSD来加快伺服器(Server)的资料处理速度以减少使用者的等待时间;或利用SSD耐震动、低功耗、尺寸小的特性来减少企业的总持有成本(TCO)。可以预见未来在企业应用面上，SSD将逐渐分食HDD市场。

　　然而，市面上的企业级SSD、伺服器作业系统、及硬体设备种类五花八门，使用者在面对以上各项主要物件相互搭配时，SSD是否会发生效能降低、错误率上升、或什至无法驱动等相容性问题，是各大厂商都需面临的挑战。在各式Server平台运作时的应用程式负载(Workload)表现也考验着这些新型的企业级NVMe SSD。

　　此外，企业用Server对其选购的SSD能否维持长时间的稳定运作也相当重视，一般来说，可以透过稳定性测试(Stability Test)来了解SSD的稳定性。在以下的测试案例中，在A厂牌(图3)和B厂牌(图4)两种相近规格的企业级NVMe SSD在相同的伺服器与作业系统中，以9种不同的资料区块大小、读写组合的负载量(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)来了解A牌与B牌SSD在连续五次运转过程中的反应延迟时间。

　　从图3可以看出，A牌SSD在连续5次处理9种不同资料量的过程中，反应延迟时间短且稳定(介于0.02~0.1毫秒间)，图形因而呈现着较为平稳且无太大波动的状态。反观图4的B牌SSD不但平均反应延迟时间较长(介于0.05~0.2毫秒间);同种资料负载量在不同回合所需要的反应延迟时间差异也较大。例如，观察连续五回合的蓝色十字状定点连线而成的曲线图(8K 0/100RW)，在第一回合只需0.05毫秒的反应延迟时间，却在第二回合需要0.2毫秒。

　　图3 A牌企业级NVMe SSD

　　图4 B牌企业级NVMe SSD

　　藉由上述测试报告，企业级SSD制造商可更了解其产品品质在市场上的定位针对弱点加以改进来增加市场竞争力。事实上，3D NAND Flash技术与NVMe的应用除了将使企业用SSD需求大幅提升外，对消费市场上的一般使用者亦影响深远。

　　抢搭电竞热潮SSD进攻一般消费市场

　　新世代玩家对于游戏感官刺激及内容丰富度近乎苛求，造就了高规格电竞PC及其周边升级零件市场的大幅度成长。过去，玩家由于对SSD的价格、品质与效能尚有疑虑，会选择优先升级核心零件如CPU、记忆体，或显示卡等来提升其PC效能。然而对于配备已非同日而语的现代玩家来说，整体的游戏流畅度，除了游戏在执行中是否会递延外，另包括安装、启动游戏、及过关载入其他场景的时间也渐受重视，而SSD在这些面向的资料处理速度上，是远远超越传统HDD的，消费者也因此对SSD有越来越高的期待。

　　关于SSD以及HDD两种硬碟在游戏执行时的表现，可以透过以下测试结果来加以分析，测试的样本分别为一HDD以及不同厂牌、规格之SSD来执行，两种硬碟皆安装了最低需求容量40GB的热门第一人称射击游戏Call of Duty:Ghosts来了解其在效能上的差异(图5)。

　　图5 由射击游戏Call of Duty:Ghosts测试分析SSD/HDD效能表现

　　由图5可知，基本安装容量需求40GB的游戏在传统SATA Gen3介面HDD和四种不同厂牌之SATA Gen3 SDD，在安装时间上平均差了2倍以上;与最新NVMe Gen3 x 4 SSD更相差将近10倍，更遑论日后更高容量需求的游戏大作，高容量游戏在HDD硬体上执行，必定会较SSD硬体的资料载入时间更长，进而会影响到使用者体验。

　　看准这股对于SSD需求的趋势，各大品牌也纷纷推出以最新技术3D NAND Flash打造的消费型NVMe SSD。除了前述的TOSHIBA 64层3D TLC NVMe SSD「XG5」系列外，威刚科技也有多款专为职业玩家设计的「XPG」系列电竞用SSD。此外，创见资讯更于近期加入卡位，推出最新的3D MLC NVMe SSD「MTE 850」，期望抢占电竞市场大饼。

　　新型的NVMe消费级SSD也将面对诸如相容性或功耗表现等挑战。由于市售来自各厂牌的PC系统、平板电脑、RAID、晶片组以及作业系统的组合有近千种，制造商在产品上市前，应透过严格的相容性测试来确保其在市场的多元产品组合下仍能发挥应有的功能与效能。此外，NVMe SSD有自动切换功耗状态的功能，能使设备在不同工作需求下(闲置/低度/中度/高度运转)切换至不同的用电模式(Power Status)，除了可提升行动设备的续航能力，也为其电池带来更长的使用寿命，对市场上的一般消费者来说，可谓尤其重要。但就像在相容性上可能遇到的挑战一样，NVMe SSD的不同耗电模式也可能因为与系统不相容而无法被准确辨认或驱动，因此，厂商应透过完整的功耗测试，来避免日后可能发生的消费纠纷。另外，由3D NAND Flash技术日渐成熟所带动的SSD制造成本下降，除了将对企业、消费级用户产生巨大影响外，也将让SSD在车载市场持续开疆辟土。

　　图6 SSD的温度测试流程图

车用SSD降临资讯娱乐系统

　　汽车资讯娱乐系统(In-Vehicle Infotainment System, IVI System)的快速发展，使得人们在车内的多媒体应用种类越来越多。今天的IVI系统除了能播放音乐、影片、及透过GPS卫星来分析路况并提供驾驶最佳路线的导航外，还能利用如Android Auto、Apple CarPlay等系统与智慧型手机同步，让驾驶人能透过声控的方式来更安全的拨打电话或收发讯息。在这样支援多种功能的IVI系统下，不论是GPS系统中的大量地图资料库;抑或智慧型装置内的音乐、视讯、及语音辨识等相关文件能否被快速读取、整合、并执行，都考验着车用储存装置的效能。

　　从前面的测试案例中，可以看出SSD在资料处理上的效能，是远远超过传统HDD的。而在面对车内常有因经过烈日曝晒、风雪覆盖而形成的高、低温环境;或某些车辆可能需时常行驶于低气压、高湿度、高纬度等特殊地区、甚至在行车过程中会产生的不断震动、或偶发的较大冲击等状况，SSD低耗能(发热度低)及没有机械读取头(抗震动、抗冲击)的特性，是让其较HDD更为稳定与耐用的关键优势。可以预期车载SSD在成功导入3D NAND Flash技术并降低制造成本后，也将被各汽车大厂大量使用。

　　对于前述车载SSD在使用过程中可能遭遇的各种严峻环境，车厂一般会透过可靠性测试(Reliability Test)来模拟各种情境以检验产品能否运作正常。然而，各大车厂对于其车载SSD的耐用程度皆有不一样的要求;业界也没有制定标准的测试规范，如何针对不同需求设计完整的测试计画以确保产品品质、对相关测试设备的投资、与对测试结果的后续分析等，遂成为令厂商费解的重要课题。

　　此外，「温度」也是另一项重要的环境变数，在这个测试情境中，同时将受测SSD置入复合式环境试验系统中进行最高摄氏85度、最低摄氏-30度的连续八小时温度测试(Temperature Test)，来检验SSD在经历八小时的温度变化与不同震动幅度的严峻环境考验后，在资料读取/写入的速度及资料载入的完整性上，是否会因长时间处于不稳定的工作环境下，发生递延、错误率上升及系统故障等问题。

　　其他重要的可靠性测试如模拟车辆行驶于高湿度、高纬度的环境，遭受较大的冲击、或检验在SSD在接受不正常断电或电力供输不稳下的资料保护机制等测试项目，也是同步会依照车厂需求来制定相关的测试计画。

　　SSD成为必备电脑周边零件

　　从2017年各厂推出的最新SSD可看出，3D NAND Flash技术与NVMe的应用在不久的将来全面取代传统2D NAND Flash、SATA Gen3介面后，SSD将以快速、稳定、耐用、大容量等特性与日渐平民化的价格席卷企业及车载系统市场。在消费市场方面，全球电竞热潮也正带动着SSD成为一般使用者必备的电脑周边升级零件之一。