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IoT物聯網刺激SSD應用增加

  • DIGITIMES企劃

基於NVMe採不同介面設計的SSD產品。Western Digital

物聯網應用在業者積極推動與投放應用端點後,相關應用逐步成形,因應物聯網終端仍須扮演驅動連線或是終端感測或資料預處理角色,也使得在IoT終端仍需佈建穩定與具高可靠度的儲存媒體,在眾儲存方案選項中,SSD高效能、高容量與低功耗特性,也讓SSD應用逐步滲透至工控與IoT重點應用方案中。

用於工廠自動化或智能化的IoT終端,大多會透過搭載的各式感測器,進行環境參數、製程數據搜集與擷取,再經由IoT運算能力為資料進行初步處理,透過系統匯集各資料端點形成大數據分析的重要資料來源。

SSD可依不同用途組構存儲單元與控制器配置,搭配傳輸介面差異便能有極大產品定位差異,圖為Samsung SZ985 Z-NAND Z-SSD。Samsung

固態硬碟常見形式與使用介面差異表

然而,這些資料量巨大且即時產出、傳送,IoT終端本身為了降低成本,一般會用上效能表現一般的嵌入式處理核心,但對於擷取數據的錄入、初步分析或運算、提取轉存等動作,驅動網路傳送就會極大考驗儲存單元本身的效能與功耗表現。

IoT與嵌入式工控設備  SSD用量越來越多

尤其是生產現場或是交通設施的IoT設備,不僅大數據產出資料多變且來源複雜,存取速度要求快,對於所儲存的數據正確性要求極高,加上裝設IoT終端的環境多半較為惡劣,讓機械式硬碟裝置的實用性受到極大考驗,反而在消費性電子市場逐漸站穩腳跟的SSD儲存裝置逐步,也成為IoT設備的儲存方案首選。

但實際的設備與存儲應用場域,商用市場與工業用或IoT部署應用條件本來就有極大不同,商用SSD基本上無法滿足IoT設備的需求,除結構上的需求差異外,工業應用或嵌入式運算環境用途中,對資料正確性要求更高,同時又需要滿足大量部署的成本要求,部署後需能因應多達數年的長時間低功耗運作,考量的層面遠比商用SSD更加複雜。

Kiosk、ATM等嵌入式自助機  使用SSD單位容量非首要要求

若從商業用途的嵌入式平台觀察,例如常見的Kiosk自助服務機、Pos機、ATM終端設備等,應用用途可能是自動化售票、信用卡金流、自動化存/提款等,系統運行過程不僅需要存取用戶個資,甚至還需要經由用戶操作完成資金移轉、帳務資料拋轉等程序,此類裝置通常需要常年不間斷運作使用且長時間僅運行單一任務,基本上其端點的單機儲存資料量就不會太大,多數資料也不會在終端設備上留下快取紀錄,帳務金流資料會以遠端異動機房中資料庫的數據,而不會留存在終端設備中。

這類設備需求僅需要低容量作為作業系統預載,或是預留部分資料處理暫存數據,可能僅需小容量對速度效能要求中上便可,對於這類用途,儲存市場有開發採用2通道DRAM-Less的SSD控制器,控制器結構本身單純自然成本就能更加壓縮,同時穩定性也能獲得提升,主要存儲單元為此使用具成本效益的3D NAND搭配組構整個SSD儲存模組。

為了進一步優化儲存效益,甚至可以透過韌體優化存取行為,例如在一般資料寫入時透過韌體進行資料即時壓縮處理,藉此縮減實際3D NAND存儲單元的需求量,而當提取SSD內部資料時,也透過控制器韌體進行即時解壓縮或進階處理。

雖然這些程序透過作業系統層級也能做得到,但先前提過在減輕嵌入式系統的運算負荷下,能由控制器韌體完成的壓縮/解壓縮程序,也能為提升系統反應與穩定性達到優化效用。

IoT存儲設備  產品生命週期要求高

另一種作法為針對需高速運行的IoT終端或商用終端設備,儲存單元除要求產品生命週期需較一般商用SSD更長外,SSD本身的運作環境溫度要求範圍要更廣、穩定性要求更高,這類提升效能要求的SSD多半可以透過控制器內建多個運作核心,透過多核處理器優勢提升SSD本身的讀/寫效能,多核控制器也能讓SSD可以因應多用戶、或大量感測器資料來源擷取數據錄入的多路頻繁寫入應用情境,滿足高性能IoT應用的儲存單元應用要求。

而在擴展SSD單位儲存容量要求方面,或許可以使用3D NAND Flash高密度、多層堆疊,來換取單位體積下更高的SSD存儲容量提升,甚至大量高密度堆疊也能讓SSD在單位儲存成本的表現更加凸顯,但實際上也會因為儲存模組因為堆疊層數增加、致使SSD儲存晶片結構趨向立體構型,將導致單位Block的Page數增加。

為改善SSD因應隨機寫入必須進行的資料碎片化的整好改善程序,也會因此讓系統花更多時間進行Garbage Collection Function程序,一般會於NAND控制器的韌體進行Garbage Collection Function的處理優化,藉此改善SSD讀/寫體驗的延遲問題,提供低延遲(Lower Latency)的讀寫機制,讓SSD更能因應大量頻繁的隨機寫入亦可維持高效能體驗。

監控應用SSD  控制器韌體ECC提升資料正確性表現

另一種常見應用在如監控系統終端,這類結合智能監控應用的IoT端點,對於儲存SSD的要求,反而需要高性價比的高容量要求,此外對其存儲資料的正確性也有極高要求,這類用途即需要借助3D NAND Flash高容量特性建構SSD儲存單元,再搭配附加高階錯誤自動校正的ECC讀寫控制晶片,提升儲存模組的資料正確性。

考量SSD存儲單元架構差異與使用3D NAND Flash高容量特性外,其實另一個需要考量的重點即在SSD模組使用的傳輸介面特性。目前SSD主流傳輸介面,仍延續自商用SSD的SATA介面為主,SATA用於SSD存儲模組來說,具備單一組I/O的6Gbit/s存取效能,若要有效提升擴展讀/寫效率,就必須選用更高階的介面傳輸方案,例如可應用PCI-e介面方案的新界面方案進行整合。

一般來說PCI-e方案下提供的資料傳輸條件,可以透過增加多個平行通道倍數擴展資料傳輸效能,若用一組PCI-e Gen3(8Gbps)的×4 Lane通道為例子,基本上可以大幅突破SATA介面的傳輸極限,讀/寫SSD的效能會有極大化的改善效益。

但須注意的是,即便能透過採行高速匯流排的PCI-e方案快速獲得提升讀/寫效能的巨幅改善,實際上高頻化讀寫運作下,也會導致SSD本身模組的發熱量激增,對於IoT應用可能就必須花更多心思或成本在改善終端的發熱與功耗問題,一般也可以透過SSD控制器設置溫控調頻設計,當SSD達到設定的警戒高溫,便可以透過調整SSD模組的運作時脈減低運作溫度,尤其在無風扇設計的IoT應用終端方案中,能因應高溫調整模組運行狀態可達到更好的設備運作條件。

即便目前商用SSD多半仍以SATA介面為主流,但實際上性能與應用彈性更高、基於PCI-e匯流排方案的新界面如M.2、U.2等,都有可能繼SATA介面後成為後起之秀,業界預估PCI-e介面搭配高容量3D NAND方案,將會成為未來應用主流。