IPC、Panel PC、BoxPC的小型儲存系統方案
- 毛履兆
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Small form factor(SFF)的產品越來越多，對產品設計的角度而言，面臨的不再僅是元件尺寸、載板面積、散熱方法的傳統設計挑戰，而必須針對產品的使用目的、環境、規格要求、成本等各方面因素，進一步整體考量儲存子系統合宜的設計方案，尤其在車用電子、工控單板電腦、BoxPC等不同SFF設計目標，所選用的儲存子系統方案亦會影響整體系統可用性...
小機構Small form factor的設計情境，對產品規劃設計人員來說，已經是越來越常見的設計要求，在工控應用、車用電子、醫療電子方面，原先在系統的機構空間限制也從未降低過標準，而是持續的朝性能與體積兩方面持續要求，不同於消費性電子的產品設計，工控電腦應用場合對於產品的穩定性更為重視，採取的儲存子系統設計方案要求更多。
在工控電腦應用環境下，使用單板電腦或BoxPC已能因應多項複雜要求，尤其是在PC技術推出20多年來，Desktop PC的周邊技術已經逐漸滲透到不同的嵌入式系統產品中，而在嵌入式系統採行PC架構的好處相當多，一方面有更多高穩定性、工業標準元件可以供開發商組建自己的解決方案，同時兼顧合理的開發時程與品質，同時相對較開放的系統環境，也能快速使用現有工具進行功能整合，無需大量的客製來達到產品的設計目標。
載板面積因應SFF持續縮小
而在開發相關應用需求的驅動下，單板電腦、BoxPC，尤其是BoxPC持續催生Small form factor小尺寸主機板(單板電腦的主機板原本就不會太大)，而Small form factor設計主機板可以令BoxPC的尺寸大幅縮減。Small form factor主機板視實際應用領域、用途，設置對應的I/O與功能，同時提供相對少量的擴充介面設置，藉此使BoxPC的載板面積可以進一步縮減，而載板未設置的未用介面，也不會因為設備設置環境的溫度、濕度造成接點短路、故障，減少未用I/O介面可能導致設備故障的疑慮。
業界常使用的小型尺寸(SFF)主機板，多半SSF主機板僅設置基本A/D轉換、無線通訊、儲存子系統...等所需介面I/O或連接器，除非特殊應用需求，才會增設對應擴充I/O用以銜接擴充子卡或其他功能子卡。
而在工業控制與BoxPC應用場合，多半是將設備置放於生產線或是應用功能近端，例如，經常使用BoxPC的電子看板系統，常見的作法是乾脆在電子看板的平面顯示屏後頭，利用背負掛載支架直接托住BoxPC，電腦設備與應用現場近端連接應用的部署型態，可讓部署設備的成本與工時降到最低，同時也免去繁複配線的困擾，但這種設備部署方式，卻也讓BoxPC增加許多風險。
BoxPC部署環境惡劣 儲存子系統需一併考量強化設計
尤其是BoxPC在設備部署時，通常為了防止設備遭竊，必須在機殼與固定托架上增加更多安全措施，如搭配金屬封箱僅預留通訊介面線材孔位，或是使用一體成形的金屬機殼覆蓋上鎖，同時，若設備部署環境處高溫、高濕度的戶外條件，這會導致BoxPC的散熱條件更差，SSF主機板可能遭受到的環境影響更加嚴苛，而同時因應該架構的儲存子系統，若沒有對應考量設置環境的影響，而強化如功能子模組的耐高溫、震動、潮溼的設計要求，尤其是儲存子系統設計，更須重視整體散熱條件與環境影響，避免造成儲存系統的物動作影響設備運行效果。
再來討論工控設備與BoxPC的產品要求，這類設備通常需要求產品的高度穩固性，因此，儲存子系統也是設置點蒐集資料、運行系統的關鍵零組件，不只是工控電腦用的單板電腦，或是體積小巧的BoxPC，其儲存子系統怎麼看都無法使用DesktopPC常用的硬式磁碟機儲存方案。
部分單板電腦會設置Compact Flash記憶卡插槽，其實這是早期在非關鍵核心應用的單板電腦設置時，Compact Flash儲存子系統是較低成本的設計方案，但面對較關鍵的重點應用時，通常不會有技術人員推薦採行Compact Flash Memory來擔負系統與儲存大任，通常會選用具更高穩定性、高環境耐受性的Flash Memory儲存子系統方案，例如，SSD功能模組、DOM Flash Memory模組等應用方案。
Flash Memory技術架構差異 直接影響儲存系統規格
尤其是工控應用，過去幾年來，在越來越多在生產線部署應用、或是設施監控的工控電腦部署，會採行SSD架構單板電腦或是BoxPC的儲存子系統，尤其是直接取代傳統硬碟驅動器(HDD)的趨勢更是相當明顯。
在工業市場應用領域，SSD正大量取代傳統的儲存介質，其中，也有採用低成本的CF卡或SD卡設計方案，但實際上透過卡槽轉接的控制終端，大多只能用於對系統穩定性要求低的工作，例如，數位機上盒、多媒體播放器、平板電腦等嵌入式系統應用，即便設備出現功能異常，強制系統重置也沒多大影響。若設備是作為控制產線運作、產線的電子視覺檢測設備等，如果設備故障就會造成產線停擺，可能工控設備為了省錢選用了廉價的Flash Memory儲存子系統，卻賠上了產線停擺的高額損失。
而在工控設備，漸漸出現多種工業用的SSD組件，讓開發者可以用以建構更穩妥的架構儲存子系統，而工控用SSD與一般常規SSD差異不大，通常由PCB印刷電路板、Flash Memory控制器、SSD韌體、緩衝記憶體等構成，只是因應工控要求的高穩定性、高壽命，Flash Memory的要求等級明顯高於常規SSD甚多。
SSD體積小 適合因應SFF設計減少儲存系統佔用空間
SSD是以全電子化的存儲方式運行，與傳統利用磁性碟盤旋轉與讀/寫頭運作機制的傳統HDD不同，SSD在提取資料對整體儲存空間的存取速度要比HDD要快得多(SSD可直接定址提取指定區域資料，而HDD要靠碟盤旋轉、讀取臂定位循序讀取資料)，加上SSD工作時完全不需要活動零件，因此，更適合用於使用環境有高度震動的汽車電子、工控電腦應用環境。
和傳統硬式磁碟比較，SSD無噪音、資料提取更快速、可靠，另具備高抗衝擊與防震特點，相較HDD的壽命易受使用環境影響，而SSD的使用週期可以達到將近10年，唯一較大的缺點在於，SSD的價格/密度比目前仍遠遜於HDD，即便目前標準工業SSD的成本已可達到每GB約20~30美元，即便Flash Memory的元件製程已從60nm微縮至20~40nm，但相較於目前HDD每GB單位成本僅0.10美元顯得較為弱勢一些，但在導入SSD應用上，SSD則有工控應用的絕對優勢。
SSD是較對固態硬碟較通泛的名詞，實際上SSD在使用Flash Memory技術的差異，也會連帶影響SSD的使用壽命、效能與元件特性差異！基本上Flash Memory大致分為MLC(Multi-Level Cell)、SLC(Single-Level Cell)與TLC(3 bits per cell)3種不同的固態儲存方案，三者在可因應的產品壽命週期、可靠性、速度與耐用度各有差異。
SLC單位成本高 但耐用度與穩定性表現俱佳
SLC型態的SSD產品，由於為每個快閃記憶體單元僅儲存一位元資料，因此在元件的單位體積方面相對顯得較為弱勢，尤其是在相同的晶片尺寸上所能置放的儲存單元，就顯得沒有MLC或TLC來得高。SLC英文全稱為Single Level Cell，即代表其設計結構為單層式儲存架構，技術特點在於架構上為在浮置閘極(Floating Gate)、源極間氧化薄膜製作得更薄，而在寫入該儲存單元資料時，透過對閘極施加電壓、再透過源極處理，即可將所儲存的電荷(資料)清除，利用這種電荷轉移機制即可進行1個單元的資料儲存。
SLC技術能提供較簡潔的方法來進行資料讀取與寫入，而SLC要發揮效能方面的優勢，仍須考量 Silicon efficiency(矽效率)問題，這部份的效能技術提升，必須搭配更先進的製程優化技術(Process enhancement)，才能再讓SLC的讀/寫效能表現提升。SLC主要是由Samsung、Hynix、Micron與Toshiba等業者使用。
MLC具成本優勢 常規SSD使用最為大宗
較SLC不同的是，MLC型SSD再Flash記憶體上每個單元能儲存兩位的資料記錄。MLC的英文全稱為Multi Level Cell即多層式儲存結構，此技術由Toshiba、Samsung等業者使用，Intel在1997年最先開發MLC技術，也是將資料存入浮置閘極(Floating Gate)中儲存，只是是將兩個單位資料存入單個Floating Gate，再利用不同Level(電位)電荷改變記錄狀態，利用電壓的精確控制進行讀出或寫入動作。
MLC的每個單元儲存空間可以記錄兩組資料，因此資料的儲存密度相對較高！而SLC架構可以令其單位儲存空間記錄0與1兩個值，但在MLC架構下可以一次儲存00/01/10/11等4個值，因此MLC架構能有更高的資料儲存密度。
TLC具低成本優勢 消費性電子產品首選
TLC型Flash Memory為每個快閃記憶體單元儲存3位元資料，即X3(3-bit-per-cell)架構。其實TLC Flash Memory技術是MLC和TLC技術的綜合體，也是這兩種技術的延伸產物，TLC的存取表現速度慢、壽命短，但其技術架構優勢在於成本極低，元件的單價便宜，但壽命週期僅有500~1,000次資料抹/寫壽命。
而TLC為2009年開發的Flash Memory技術，至2010年Toshiba、SanDisk、Samsung開始銷售基於此技術的Flash Memory元件，而TLC晶片雖然可在儲存容量變大許多、成本亦更為低廉，但也因效能不佳，大多僅使用在低階NAND Flash應用產品，例如，低速Flash Memory Card、microSD與隨身碟產品。反而是嵌入式行動裝置或是SSD產品，大多不會採行TLC，而會以SLC、MLC技術架構產品為主要儲存子系統的架構技術。
MLC/SLC SSD使用Flash Memory元件大宗
如果就相同的元件尺寸觀察，MLC和TLC元件兩種技術，均可以較SLC技術架構保存更多記錄資料，因為MLC、TLC的單位資料儲存密度更高，加上晶片面積尺寸通常也會決定了Flash Memory的製作成本，MLC與TLC架構的SSD產品均在價格低於SLC架構的SSD，即便TLC也可搭配製作SSD，但因為SSD需面對更頻繁的寫入/讀出操作，壽命的限制導致多數SSD不會以TLC作為Flash Memory的儲存子單元。目前MLC SSD的成本平均是每GB約2~3美元，工業用的產品單位GB容量還會略增1美元左右，SLC架構的SSD的則每GB容量約為8~10美元，即便MLC極具成本優勢，但也必須在SSD產品什l加更嚴密的ECC糾錯設計，來強化延長產品的可靠度，同時利用控制晶片與快取記憶體設計，來強化其速度表現。
多數SLC Flash Memory抹寫次數為100,000次，至於MLC元件僅有1,000~3,000次，雖然MLC元件可以利用控制晶片的平均抹寫技術(wear leveling)、4bit ECC校驗技術整合，都可讓MLC Flash Memory元件能有更好的使用效果，儘可能讓Flash Memory的單位資料不會過度備抹寫導致記錄失效，藉此延長單位儲存體的使用壽命週期，但此種方法最多也能提升3至5倍的命週期，相形之下SLC的Flash Memory方案的抹寫壽命週期表現就顯得更為亮眼，同時SLC儲存的資料亦具備超過10年的保存效果，相對的MLC的資料儲存時間最長才為一年。
SLC Flash Memory 工業應用更適合
在目前技術條件下，Flash Memory的能源消耗雖然極低，但MLC讀/寫的能源消耗仍較SLC高，在完全近似的運行條件下，MLC會比SLC技術架構多出10~15%能源消耗。由於MLC、TLC記憶體相對比SLC更便宜，加上MLC與TLC Flash Memory可在單位體積內儲放更多資料，因此，低價、高容量特性令其元件更適用於消費性電子產品的儲存子系統設計應用，例如，MP3播放器、數位相機、數位攝影機、隨身碟或智慧型手機等產品，一方面消費性電子產品未如工業電腦需頻繁讀/寫磁碟資料，同時消費性電子產品對於終端產品價格十分敏感，在可靠性、耐用性方面的要求並未如工業電腦般重視，因此採行MLC、TLC方案相當常見。
反而是需要高度穩定、高速讀寫的工業用電腦設計方案中，即需要SLC Flash Memory這種技術架構，來為存儲資料提供更有效的保障。即便是SLC方案至少都是MLC裝置的兩到三倍價格，但在工業用電腦與單板電腦應用領域，為需最高的可靠性、低錯誤率的設備要求，加上工業電腦往往是得因應24hr/7Day non-stop運行支援，對高頻度的讀寫支援也只有選用SLC才能發揮工控設備的最佳應用效果，否則為了儲存子系統的成本省單位GB的幾美金價格，卻令設備蒙受系統停機影響，關鍵應用應以SLC為優選方案。
針對超小型裝置，使用離散式的儲存子系統設計會面對載板空間不足問題，若採行高度整合之Flash儲存子系統單晶片，不只設計變簡潔，零件佔位空間也相對減少許多。(microchip)
ZIF介面的SSD載板模組，在連接器使用薄型設計，同時傳輸線材也採用軟性電路板連接，讓有限的機構空間做最大發揮。(KingSpec)
