SSD固態硬碟應用發展趨勢

不同尺寸設計的SSD模組。SanDisk

前言：固態硬碟SSD剛推出時，即被業界視為將取代硬碟機HD，成為電腦的次世代儲存裝置。有別於硬碟是採磁性技術進行資料儲存，整體採大量機械結構運行，反觀SSD為利用半導體技術，將資料儲存在 NAND Flash快閃記憶體裡，技術上具備低功耗、小體積、耐摔/抗震...等技術優勢，整體特性更適合應用於筆記型電腦、可攜式電子產品中應用...

本文：
SSD(Solid State Drive)有別於HDD(Hard Disk Drive；HDD)，技術上前者是採取半導體的製程技術，去改善傳統HDD因為採磁性原理於碟盤上循序讀寫的技術限制，不僅沒有HDD的機械結構、磁盤轉速等限制，但實際上採半導體讀寫讓SSD在資料讀取、寫入具備更優異的隨機讀寫效能，這部份一直是SSD效能勝過HDD的技術關鍵。

SSD 2010年容量將呈倍數成長

然而，SSD在整體的儲存容量、元件耐用性...等性能表現，目前與HDD仍有段差距，成本較高也是其待突破的限制，就連作業系統對SSD的支援現況，仍有待技術持續提升，目前SSD也僅在重視輕量的高階機種，有較顯著的預裝數量，另在低價筆電所使用的SSD，雖然在SSD應用也屬多數，但此類產品多著重成本壓縮要求，效能反而不是重點。

在NAND Flash製程不斷微縮，SSD相關廠商在技術方面，持續改進，讓SSD在成本與效能雙方面要求均有長足進展，這也使SSD於2010年，預估對NB滲透率逐年攀升。此外，SSD模組化產品均朝向大容量規格(目前主流規格為128GB)趨勢下，預估2010~2011年SSD容量將以每年攀升1倍快速成長。

採DRAM打造SSD應用

雖然主流SSD大多透過NAND Flash架構，加上整體出貨攀升有助於壓低NAND Flash元件的採購成本，而用於SSD的NAND Flash，觀察全球NAND Flash使用趨勢，也將使SSD在全球NAND Flash總用量不斷向上提升，有助於壓低每GB的單位購買成本，讓SSD與HDD的成本差距持續縮小。

但畢竟SSD的模組單價，與同價位的HDD相較，若不評估效能差異、重量、功耗等因素，HDD在相同購置成本可較SSD獲得近5倍的儲存容量，模組市場也開始朝向另一種思考邏輯推出SSD產品。例如，同樣擁有SSD的耐震、耐摔特性，但NAND Flash卻改用DRAM重新架構，這類產品也如同雨後春筍不斷推出。

消費性與企業用途SSD發展分道揚鑣

當NAND Flash隨SSD需求挹注，讓價格不斷向下修正的同時，SSD控制晶片的技術也不斷提升，在現有NAND Flash技術下嘗試將Flash的效能與耐用度提升至極限，而消費性的產品在單位成本的要求前提下，多採更具性/價比的MLC(Multi- Level-Cell)型產品架構，而企業用途在耐用、穩定要求前提下，則多半應用成本較高的SLC(Single-Level-Cell)型產品，成為目前SSD市場的兩大應用範疇。

而NAND Flash為採電子式讀寫、儲存的應用架構，完全無機械結構與裝置，在重量可減至硬碟十分之一，雖然存取壽命仍有其限制，但在SLC結構的NAND Flash具至少十萬次存取次數，相對於MLC結構，SLC均有近三倍的讀寫效能差距，唯獨成本也是居高不下，目前多為伺服器或是專業商用應用，而消費性應用多採具大容量的MLC架構，搭配控制晶片的平均讀寫技術(Wear Leveling)改善MLC的壽命問題。

SSD省電效益有限

但光就硬體角度觀察SSD，其實其架構與讀寫原理，看似少了機械結構可在操作功耗大量降低，但實務針對主流SSD模組進行測試，結果卻不是如此，SSD在功耗的表現上仍有改善空間。以快閃記憶體為架構基礎的SSD，元件功耗會比DRAM小許多，SSD模組功耗普遍在1~3w左右，觀察目前主流7,200rpm轉速的2.5吋硬碟機，若是5V/0.45A的運作功耗換算，僅消耗2W上下的能源，SSD經實測比較也非據絕對省電優勢。

而實際應用中，部份SSD模組仍有省電效益不如預期的現象。觀察主要原因在於，雖然SSD在元件功率與傳統硬碟相較略小，SSD畢竟發展過程未如HDD具備大量開發經驗與相關節能技術輔助，使多數採公版設計或是類似控制晶片與相近NAND Flash元件架構的SSD模組產品，大多於產品待機、節能與省電方面出現不同的限制，影響整體的省電效益表現。

SSD耐震、低發熱、效能優勢 仍值得重視

雖說SSD省電表現並不亮眼，但是SSD最大的優勢就在減省了馬達與碟片這類機械結構，這也讓SSD在運作過程所產生的廢熱，要比HDD來得低許多，也因此，應用SSD的場合就可避免需透過風扇這類主動散熱機制來強制氣冷，讓桌上型電腦或筆記型電腦應用場合，可減省主動散熱機制的功耗，或附加得到更安靜的運作效益。

另在系統導入SSD的一大優勢，也是其對於整體系統讀寫效能提升的效益相當明顯。以目前的電腦系統應用觀察，開機過程需由磁碟讀取大量開機文件，以微軟的Windows XP、Vista等雖未針對SSD進行最佳化，在系統載入的傳輸效能可達35~40MB/s，雖然表現並未大幅勝出，但實際上已可提升開機效能甚多。若採Linux平台搭配EXT4檔案系統，採主流SSD進行測試，也可達到10~15秒即可開機進入圖形化桌面。

SSD控制IC為整體效能關鍵

在SSD模組中，成本比重最高的應屬Nand Flash，而控制也是SSD的關鍵零組件。SSD控制晶片在效能表現是很重要的環節，因為控制晶片將可決定平均讀寫的效能，若要求提升NAND Flash的使用壽命，將讓Wear Leveling演算負荷增加，使得讀寫效能受到影響，但若一昧追求效能而減低Wear Leveling效用，又會對整體耐用度大受影響，如何權衡成為各家控制IC大廠的關鍵技術。而不同NAND Flash的元件特性，即便是同廠推出的產品，都必須針對元件特性進行讀寫最佳化調整，此也是控制IC扮演的關鍵角色。