檢視SSD性能、MTBF壽命表現關鍵

SSD為大量NAND Flash架構之儲存裝置，可因應載板尺寸設計，應用彈性相當高，成為目前相當具潛力的新穎儲存方案。ADLINK

固態硬碟是現有業界最熱門的儲存裝置，具備高效能讀寫與低功耗特性，尤其是IC式儲存設計完全無機械讀寫結構，讓固態硬碟具備更高的環境使用耐受力，像是高溫、震動都不致於構成固態硬碟的使用問題，但導入固態硬碟應用最令用戶擔憂的是儲存裝置穩定性與耐用度...

固態硬碟優點相當多，尤其是傳統硬碟相關設備缺點，改用固態硬碟幾乎都能一一改善，唯一在目前最具C/P值的MLC型固態硬碟，其產品讓用戶較擔憂的部份，包含平均故障間隔(Mean time between failures；MTBF)的不確定性、快閃記憶體的整體效能提升助益等關鍵問題，影響用戶導入目前價位相對較高的SSD產品決策。

MTBF為SSD耐用度關鍵指標

影響SSD市場接受度關鍵問題，可以從幾個要項進行討論，如MTBF合理且接近現況的實際估算方式、SSD讀寫性能指標評估，這些關鍵重點都是用戶選擇導入SSD的重要指標。本文將剖析SSD架構與影響性能、壽命指標的關鍵，並說明SSD架構影響整體效能表現的相關問題。

SSD被作為新一代大容量儲存媒體，相關概念與產品已經在業界發展數年，尤其在NAND Flash單位成本不斷探底、容量持續上探規格極限下，SSD產品終端價格已持續壓低，目前已達到一定經濟效益水準。觀察早期SSD無法迅速打開市場原因，不外乎SSD終端售價受NAND Flash元件報價直接牽動，若NAND Flash元件單價高則SSD產品價格勢必居高不下。

SSD除了相較於傳統儲存裝置有成本更高的問題，其產品耐用度也令多數用戶疑慮。因此如何讓MTBF估算方式更具體、精確，讓SSD性能、壽命指標更受用戶所信任，已成為推廣SSD產品重要關鍵。而SSD即使在產品技術與實際應用效用方面，受惠於低功耗、矽工藝製法讓其具備高抗震、耐惡劣使用環境的產品優勢，但實際上SSD的市場接受度表現仍有相當大的改善空間。

控制晶片表現 左右SSD整體效能

SSD為由大量NAND Flash元件所組構而成，NAND Flash元件透過SSD控制晶片(Controller)進行原有系統對大型儲存裝置讀？寫操作，而影響整體讀？寫效能的關鍵核心，即在SSD連接介面、NAND Flash元件本身性能？壽命、控制晶片設計方法等關鍵問題影響。

在SSD連接介面方面，目前SSD主流設計連接介面方案有PATA、SATA、mSATA、SAS等不同設計方式，選用不同介面取決重點在於，一方面需看SSD用在何種用途，如果是輕薄型行動產品，多半會採行mini-PCIe卡板尺寸搭配mSATA介面設計，而針對PC/NB升級市場開發產品，則有PATA與SATA介面選擇，至於針對高端伺服器應用市場，則會採取SAS介面設計方案。

視產品使用領域差異，SSD載板與設計方式會被封裝成為不同的Form Factor，設計方案也可視系統設計需求，改用對應連接介面設計。不同連接介面在終端系統表現，即會直接影響SSD相容性、效能表現與穩定性表現，若是在外接設計方案採行如IEEE1394 a/b或是USB介面，該設計方案還須考量傳輸線、連接介面與訊號轉換的訊號傳遞問題(Signal Implementation)，尤其是讀取不穩定、斷續等狀況產生。

在控制晶片方面，其實可以說是SSD最核心的重要關鍵，控制晶片不僅直接左右SSD本身效能表現，同時不同設計方法也會影響其產品MTBF表現！控制晶片主要處理SSD資料管理(Data Shaping)、空間回收(Garbage Collection)、平均抹寫技術(Wear Leveling)、輸入？輸出指令(I/O Command)、快取(Cache)記憶體管理、損壞區塊(Bad Block)管理、電源供應等控制能力。

NAND Flash元件特性差異

尤其是在TRIM指令集支援性，與NAND Flash ECC(Error Checking and Correcting)設計機制整合等，均需透過控制晶片搭配進行運行，來優化整體SSD的穩定性與性能表現，尤其在平均抹寫技術整合方面，透過控制晶片直接對NAND Flash記憶體顆粒最佳化驅動控制，搭配智慧型資料寫入區塊與記錄管理形式，避免SSD在特定資料區間進行大量資料讀寫，而影響了MTBF表現數據。

而在NAND Flash快閃記憶體本身元件選用，先前也提過，SSD基本上是由大量NAND Flash快閃記憶體組成，NAND Flash為承載SSD儲存資料最底層的單元，NAND Flash不同製程與設計方案，則會大幅影響SSD性能表現與相關規格。

例如，NAND Flash不同Cell Type，如SLC、MLC與TLC設計方案，即左右單一Cell可儲存的資料量，尤其是單一Cell可儲存的資料量增加，即代表該單元可被抹寫次數與壽命相對縮短，同時也影響了整體SSD模組可靠度，當NAND Flash選用資料密度高MLC、TLC元件，這也代表製成模組的SSD壽命與性能表現也會受到NAND Flash元件特性所限制。

在此同時，針對不同NAND Flash廠商出產的記憶體品質、驅動電氣特性、功耗(Power Consumption)表現也不同，在實際導入設計時，通常也必須透過控制晶片進行驅動NAND Flash記憶體最佳化設計，以求讓SSD表現達到優化水準。

TRIM指令支援優化程度 是應用效能、壽命表現關鍵

至於SSD整體設計除了先前提過NAND Flash元件問題外，控制晶片的技術能力，則是影響SSD產品表現重要關鍵。因為控制晶片驅動NAND Flash能力，會直接影響NAND Flash壽命表現，同時控制晶片所進行的平均抹寫演算法，若演算效率與處理區塊讀寫程序過度繁瑣，即會直接造成SSD讀寫效能表現不彰，甚至若為了提升性能表現而犧牲部分區塊讀寫優化程序，雖然看似SSD性能提高了，但實際上也可能因為未優化的抹寫策略，造成NAND Flash區塊資料提早出現損壞與故障問題。

對SSD來說另一個較大的問題，在於整體儲存裝置效能退化問題，其實效能隨著使用時間增加而表現趨於低落，主要成因在於控制晶片TRIM指令集設計與區塊空間回收設計問題造成，因為SSD無法適時回收可用空間，維持SSD具足夠大的空間提供平均抹寫資料區塊處理時，或是SSD本身無提供夠大的Space Provisioning備用資料空間，即會讓單一NAND Flash區塊出現過度頻繁寫入狀況，造成SSD提早出現NAND Flash區塊讀寫故障問題，整體SSD讀寫效率也會因此顯得逐漸劣化。

尤其是TRIM指令支援能力方面，TRIM指令是ATA對SSD應用制定的指令集，在Microsoft Windows 7與更新的作業系統開始在系統提供原生支援，可為採行SSD系統平台上提供效能與壽命最佳化應用基礎。具最佳化TRIM指令支援之SSD產品，可在用戶不用自行定期搬移SSD存儲資料的維護型態下，讓控制晶片自行清除SSD不用之資料區塊、空間回收等動作，不僅可以增加SSD可使用空間，也能維持SSD本身效能表現。

至於SSD產品對TRIM指令支援是否已最佳化設計，像是執行TRIM指令之SSD回應速度、執行TRIM指令之SSD I/O Latency影響，與利用測試方法驗證SSD本身效能衰減程度，都可以測出SSD產品的TRIM指令支援優化程度。