宜鼎國際：SSD製造商應善用各項技術　解決其在嵌入式系統裝置所遇到的問題

宜鼎國際研發部協理吳錫熙。

工業用固態硬碟(SSD)─特別是MLC Flash由於價格便宜，目前已經在嵌入式業界廣泛被運用做為設備的主要資料儲存裝置，但其朝向小型化的發展趨勢，使得SSD在資料保存期間(Data Retention)、錯誤檢查及校正(Error Checking and Correcting；ECC)與抹寫次數(Programming/Erase Cycle, P/E Cycle)…等方面遇到嚴重的問題。為此有業者提出相關的SSD解決技術，以有效提高產品的表現品質，並能延長其可正常使用的壽命。

目前工業用固態硬碟(Solid State Drive, SSD)已經廣泛應用於不同類型的嵌入式機器設備上，像是工業電腦(Industrial Personal Computer, IPC)工業電腦、Kiosk、POS、自動提款機、醫療用設備 …等上。長期深耕於工業控制業者快閃記憶體儲存裝置供應製造領域的宜鼎國際(InnoDisk)，其研發部協理吳錫熙表示，與一般PC用晶片不同，由於嵌入式機器設備通常所處的作業環境較為特殊，因此對於其所使用的SSD於品質、耐震、防塵、效能、可靠度、即時回應速度、較大的溫度忍受範圍(在高溫或低溫環境下仍可正常運作)、客製化屬性 …等方面的要求多半會較嚴格。

舉例來說，「像是安裝在行車記錄器上的SSD記憶卡，如果無法承受車輛震動、高低溫差的狀況，很容易就會發生所記錄的影像資料遺失的問題。」而另一方面，也隨著現在智慧型手機、平板電腦…等行動裝置的快速興起，未來SSD繼續朝高速、穩定、低耗能與小型化的方向發展也成為主要趨勢。吳錫熙說：「像宜鼎國際所推出世界體積最小超微型的CF(CompactFlash)卡、CFast、PCIeDOM、mSATA、SATA SSD、SATA Slim、SATADOM、USB Embedded Disk Card(USB EDC)...等產品，都是SFF(Small Form Factor) SSD的典型代表。」

為因應新興嵌入式系統裝置的需求 SSD小型化是趨勢

我們由Flash晶片製程的演進歷史中亦可得到SSD往小型化發展證明。吳錫熙表示，根據資料顯示，Flash的製程自2006年開始即快速由60奈米演進到2011年的20奈米，並預計到2013年可達到1X奈米的水準。「Flash雖然越做越小、成本也越來越低─2011年每GB容量的價格僅1美元，但在效能方面卻變得越來越好，使得SFF SSD類型產品有很好的功能展現。」吳錫熙認為，這是因為SFF SDD產品在嵌入式系統平台上的傳輸接口多半都是以SATA(Serial Advanced Technology Attachment)為大宗所造成。

他解釋，傳統的PATA(Parallel ATA)介面資料傳輸速度到了133MB/s已是極限，但SATA I規格的速度為1.5Gb/s，而最新的SATA III更可高達6Gb/s，兩者之間存在著極大的差距，這使得現在業界最新的SFF SDD產品普遍都以採用SATA介面為主。「像是用做攜帶型電子設備資料存儲設備CF卡，現在宜鼎國際為因應工業控制廠商的需求，也設計出CF-SATA的版本規格，在保留其原有的連接線之餘，在內部增加SATA介面的pin腳，以減少設備搖動/震動的影響，提高整體可靠性，並同提升資料傳輸的速度。」而由於一個插槽中擁有兩種介面，在無形之中也讓設計人員能保有更多的彈性可供選擇。

不過即便解決了效能上的問題，但隨著SDD產品小型化的發展，在其資料保存期間(Data Retention)、錯誤檢查及校正(Error Checking and Correcting, ECC)與抹寫次數(Programming/Erase Cycle, P/E Cycle)…等項目中卻面臨了相當嚴峻的挑戰。「現在SSD產品所使用的Flash晶片可分為『單級單元(Single Level Cell, SLC)』及『多級單元(Multi Level Cell, MLC)』兩種不同類型。」

吳錫熙表示，在實際的測試之下，雖然SLC Flash的讀寫速度會較MLC Flash來得更快，P/E Cycle更多(SLC Flash平均為10萬次，MLC Flash為3,000次)，資料保存期間更長(SLC Flash為10年，MLC Flash為5年)，但由於MLC產品在相同製程的Die Size, 確比SLC多出一倍的容量製造技術較為成熟，平均單價僅約為SLC的1/3甚至1/4，因此有不少輕度抹寫的嵌入式裝置(像是POS及Kiosk…等產品)，已經開始逐漸在採用MLC產品做為其記憶體配備。

MLC雖便宜但品質不穩定

但與SLC Flash相較，MLC Flash有相對不穩定的問題，需要更多的ECC bit才能確保資料正確，而小型化的發展趨勢則更助長了此一現象的惡化。根據研究資料顯示，2X奈米製程的MLC Flash在其P/E Cycle為7,000次時，所產生的Error bit就已經很快到達25個；而3X奈米製程的MLC Flash則要到P/E Cycle到達3~50,000次時，Error bit個數才會到相同的水準。

如果更進一步分析，「3X奈米製程的eMLC Flash在P/E Cycle值為90,000次之前，其Error bit值都一直長期保持在穩定的狀態─大約2~3個，超過後才呈現緩慢上升的趨勢。」吳錫熙表示：「至於2X奈米製程的MLC Flash，其Error bit值在一開始就有急劇增加的狀況出現。」

吳錫熙說，無論是SLC Flash或MLC Flash，當其製程縮小時，P/E Cycle都會減少，所需的ECC bit數會增加。「如SLC Flash由5X製程發展到2Y製程，其P/E Cycle由10萬次減少到6萬次，所需的ECC bit由1增加到40個；而MLC Flash由4X製程發展到2Y製程後，P/E Cycle亦由5,000次減少到3,000次，所需的ECC bit則從4變為40個。」吳錫熙強調，這都再再表示當製程不斷地往小型化發展時，其所製造出的Flash在品質上會變得較不穩定，讀寫過程中產生error bit造成資料遺失的狀況會增加，因此需要更多的bit數進行錯誤檢查及校正。

吳錫熙還補充：「資料保存期間也會隨著製程縮小而減少。」像2X製程Flash的資料保存期間大約只有5X製程的一半。此外，當Flash的P/E Cycle次數增加時，或是本身處於極高/極低溫度的狀態下，也都會增加Error bit的數量、減少其資料保存期間，並讓產品的可用壽命縮短。

根據資料顯示，「當P/E Cycle到達3,000次時，其Error bit平均會由4個增加到20個，資料保存期間則從5年縮短到約不到1年的時間。」而在溫度方面，當所處環境溫度過攝氏75度或低於0度之時，產生的Error bit數量會快速升高，資料保存期間也跟著降低。「由於在工業控制環境中常有寬溫-40°C ~+80°C應用的需求，這對MLC而言會是很大的挑戰。」

改善MLC品質的可用措施及技術

為了因應製程縮小對資料保存期間、錯誤檢查及校正與抹寫次數…等方面所帶來的不良影響，並避免嵌入式平台裝置的消費者在使用一段時間之後，所可能產生的系統不穩定、資料遺失、處理效率緩慢…等嚴重客訴問題，宜鼎國際在工業控制應用的基礎之上，針對MLC Flash的耗損平均技術(Wear-Leveling)演算、ECC Engine、Read Shift Retry、危險區塊的資料再寫入、隨機化處理(Randomizer)及錯誤處置(Error handling)…等議題也發展出相關解決技術，以提高產品的表現品質，並延長其可正常使用的壽命。

以SATA6GHz 500MB/s的SSD為例子，其採用的原生指令排序(Native Command Queuing, NCQ)可加速主機與裝置之間的資料傳輸並改善整體系統效能；SMART((Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology)則可監控裝置內的SSD設備，並針對其各項可靠性指標表現進行偵測與報告，以便於在事前進行預防，避免問題的發生；至於TRIM功能則是對改善SSD系統作業表現的方面很有幫助。

吳錫熙說，這是由於Flash資料寫入與刪除兩者所使用的單位空間大小不同(一次可寫入的單位較小─4KB，刪除的單位大─512KB)，以及SSD的資料刪除作業與以往HDD不同，已經使用的資料區塊必須在其實際被擦除之後，才能再次被寫入資料，如果還沿用在相關磁區進行標記的方式，造成SSD實際可用於寫入的空間越來越少，整體性能也因此而下滑。「TRIM指令會在作業系統進行資料刪除的動作之後，即通知SSD的控制晶片該資料區塊可被刪除，SSD即會在系統空閒的時間，將該區塊其餘有用的資料搬移至記憶暫存區內，再進行擦除資料的動作，以避免無用的資料一直佔用Flash的空間。」