新高速傳輸介面加持 SSD表現性能倍增

NVM Express架構設計之SSD儲存板卡，可為企業級高階應用或是雲端服務儲存應用，提供高速、快速響應之儲存系統。Micron

SSD固態硬碟設計方案，對於開發規格來說，產品開發目標無不追求極致之傳輸效能，目前SSD所採行的MLC快閃記憶體技術在傳輸效能已有顯著提升，反而新的設計瓶頸在於控制晶片與外部連接介面，選用高速介面亦可直接讓SSD表現性能倍增...

SSD(solid-state drive)為固態硬碟簡稱，為利用標準NAND快閃記憶體建構的低耗能儲存系統，相較傳統機械式硬碟，導入SSD最大效益是無HDD可能的硬體機械元件耗損，進而減低震動造成資料損壞威脅，IC型態設計也可因應矽晶片製程工藝提升、進而改善產品體積、效能與容量表現。

SSD產品目前幾乎已經成為PC？工業電腦？嵌入式應用首選的效能性、抗惡劣應用環境之大容量儲存方案，即便現有SSD與HDD的性價比仍無法相提並論，但在主流容量SSD已具備與HDD競爭實力，尤其加上SSD的固態運行特性，也為3C或嵌入式產品導入提供絕佳產品特性優勢。

NAND Flash製造工藝精進 SSD效能瓶頸在傳輸介面

在NAND Flash元件製造工藝持續精進下，SSD產品目前產品讀？寫效能已有相當程度之改善，加上SSD本身讀？寫特性毋需控制機械結構即可讀取內容之優勢，讓SSD效能表現明顯較HDD高許多，尤其是4K大小的資料讀？寫效能表現尤其驚人，顯著超越HDD表現，更有助於如作業系統開機或是大型應用程式開啟之效能提升，一般SSD產品都能提供2~3倍讀？寫效能的提升。

在NAND Flash製程已有一定程度改善，記憶體元件之讀？寫效能表現提升之下，目前左右SSD效能表現的關鍵已不在NAND Flash元件本身，反而是SSD控制晶片、對應外部連接介面規格，成為SSD運作效能的最大瓶頸。

以目前業界主流SSD產品方案觀察，為延續PC？筆記型電腦升級應用市場需求，SSD所採行的傳輸介面多半為IDE、SATA 2/3...等，IDE介面為早期電腦設備的主流連接介面，ATA介面極限約在133MB/s，除排線體積較大，傳輸效能升級效益也因為介面限制受限，目前僅針對舊設備升級用途需求。

SSD使用介面不同 效能表現呈倍數差距

在PC/NB與嵌入式應用市場主流，目前以SATA 2/3介面為主，SATA傳輸速率為1.5Gb/s，SATA 2為3Gb/s，SATA 3則為6Gb/s，雖說介面實際傳輸效能會受SSD整體裝置傳輸效能最慢的部份所限制，但實際上，在主流SATA 2介面SSD產品在4K小檔案傳輸可達40,000~50,000IPOS上下，而SATA 3的4K小檔案傳輸多數產品均可達80,000IPOS，讀？寫效能也分別為200Mb/s與400~500Mb/s近倍數差距，介面規格表現會直接影響產品的效能極限。

針對嵌入式應用，為了強化產品競爭力，近來SSD趨勢亦逐步趕上消費性市場主流規格，除大量使用SATA介面外，也出現如SATA 2/3高性能規格之工業SSD產品，加上單板電腦、嵌入式硬體平台的介面支援，亦跟上主流市場介面需求，提供如SATA 2/3介面周邊裝載支援，尤其在較需儲存與運算資料快速傳輸的嵌入式應用平台，例如多媒體KIOSK媒體廣告終端、彩色電子看板內容處理終端，有高效能傳輸介面整合與加持，亦可對多媒體展演效果提供更具餘裕的支援能力。

mSATA仍為SATA架構 效能受限SATA傳輸技術

除高效能SATA介面外，在內接應用方面也朝向尋求更具效能提升空間的內接介面，例如，近來原先以內接應用優先的PCIe(PCI Express)，相關廠商也相繼提出針對高效能傳輸商業應用的PCIe介面SSD產品！尤其是針對企業儲存領域，SSD的PCIe介面支援，可令SSD產品達到超越一般市售SSD近4倍傳輸效能。但必須注意的是，早期採Mini-PCIe介面設計的SSD產品，大多是針對筆記型電腦或低價小筆電、超薄型筆電設計的儲存應用方案，雖然採取PCIe介面與連接器設計，但實際上SSD仍僅採行mSATA進行資料傳輸，頂多僅具SATA傳輸效能表現，並非PCIe介面極速表現。

會在單板卡式SSD產品應用Mini-PCIe介面連接器，設計目的在於使用筆記型電腦硬體平台內部就已存在的連接介面，由於Mini-PCIe連接器比標準SATA平整，採行mSATA設計可因應薄化產品設計、高效能傳輸等設計目的將SSD採更薄化設計，SSD電路載板可用Full-size mSATA尺寸(50.95 x 30 x 4mm)，另還有多種尺寸可選，尤其是NAND Flash矽晶片堆疊擴增單一晶片儲存容量，可以輕易在有限板材面積實踐大容量設計，在Ultrabook產品是相當常見的設計方案。

Mini-PCIe的mSATA介面SSD，目前主流容量約在64~128GB上下，高階版本還有256GB以上產品，其mSATA介面為採行SATA2 3Gb/s規格，整個SSD模組重量可極致壓低至7~10g上下。由於這類產品採行SATA 2介面技術，一般其讀取4K隨機讀？寫測試約可達46,000IPOS、280MB/s讀取、260MB/s寫入。

有趣的是，這類產品為單板式結構、加上機構件簡潔，抗震能力表現亦相對亮眼，單板式mATA SSD產品抗震能力可達1,500G/0.5ms，尤其是高抗震能力應用優勢，也是行動產品導入mSATA介面設計SSD儲存方案最大利基。此外，SSD本身優於HDD讀？寫效能表現，也能透過mSATA產品設計達到讓筆記型電腦產品在體積、重量雙重優化前提下，同時又可以達到磁碟效能倍增的優異元件改善效益。

利用PCIe 大幅強化SSD商業應用實力

若PCIe為針對效能提升目的設計，那內接介面就不能僅以Mini-PCIe連接器形態來傳輸mSATA資料，因為這種設計型態仍會受限於原有SATA傳輸效能限制，對於高效能設計方案則必須選擇如PCIe進行產品開發。PCIe介面規格特性具備高傳輸效率、低延遲效用，對企業網路伺服器在發展雲端應用時，可以利用PCIe介面特性大幅改善服務器響應時間，提升雲端應用在伺服器端資料讀？寫效能，適合用於資料中心、雲端伺服器效能升級改善零組件。

PCIe基本上在傳輸速率方面可達到3GB/s，同時介面延遲極低，除原本SSD內部讀？寫效能具一定水準，外部傳輸介面更可因為介面規格具3GB/s效能表現，而獲得更大幅度改善效果，即便目前市售PCIe介面形式商用SSD產品單價仍高，但導入資料中心或用以改善？升級雲端伺服器的應用需求仍未見下滑。

以目前可見的PCIe SSD產品觀察，針對高階商用伺服器設計開發的SSD儲存卡，為採PCIe介面卡設計，由於不受限SATA 3最高6Gb/s限制(約為0.75GB/s)，採PCIe介面設計之SSD理論上可以使用8通道之PCIe 2GB/s傳輸頻寬。檢視實際採PCIe開發的板卡形式SSD產品，大多同時整合了4 Way RAID 0架構，SSD儲存板卡讀取速度可達800~900MB/s，寫入可達700~800MB/s，持續寫入則能達到600~700MB/s，若是採SLC快閃記憶體方案，讀？寫速度可達1.4~1.5GB/s，持續寫入也有900~1GB/s表現。

而為了掌握高階商用PCIe SSD市場，Intel、IBM等業者也推出NVM Express技術規格，NVM Express基本上是針對高階商用伺服器高效讀？寫應用前提下，以PCIe為基礎的SSD固態硬碟產品設計方案。NVM Express為由超過70家非揮發型記憶體主控制器介面(Non-Volatile Memory Host Controller Interface；NVMHCI)工作小組成員共同制定規範，NVM Express前身為Enterprise NVMHCI，但目前亦可用以發展企業和客戶端應用。

至於NVM Express主要針對PCIe設計之SSD定義最佳化之暫存器介面、控制指令集與相關功能組合，NVM Express規範可提供硬體開發人員快速發展相關應用產品，尤其針對商業高階應用環境，NVM Express針對裝置可擴充性進行強化，一部NVM Express裝置可支援最多64個I/O佇列、介面亦還支援多核心架構。

除NVM Express規範外，Dell與相關業者則提出SCSI over PCIe(SOP)設計規範，但NVM Express與SCSI over PCIe多僅止於提出設計方案，哪一種技術能成為商業高效應用主流尚需觀察市場動態。