根据储存装置厂商的说法,采用SSD之后,验证磁盘阵列的处理性能,大幅提升。诸如银行存折的数据库、证券公司的系统、航空铁路交通的定位系统等,在同一个时间内,会集中大量的存取。将负担重的处理,分配给SSD,不但解决了问题。消耗电力的节约以及装置摆设空间的节省,都是额外带来的好处。
美商升阳于2008/11发表服务器用途的“Sun Storage 7410”储存系统,也搭载了SSD。不过,它的使用方法略有差异。它并非来完全来替代硬盘,而是作为“高速缓存”的用途。也就是定位于主存储器DRAM与硬盘之间的位置。
利用SSD来作为快取的好处是可以使用较便宜的硬盘。过去,升阳的服务器系统采用高价的SAS(Serial Attached SCSI)或是Fiber Channel高速接口与高回转数对应的硬盘。有了SSD的快取,就可以选用低廉的SATA硬盘了。
而个人计算机业者,认为商业用途的笔电,SSD乃是最佳的拍檔。日商Canon于2009/1推出的iVIS HF20摄影机,内建32GB的NAND型内存,小型薄型化又向前迈进了一大步。
若是依照这种价格滑落的重速度,当25GB可以用3.75美金左右来实现时,蓝光就要危机上身了。那么危机感最重的硬盘厂商,该如何来求活路呢?硬碰硬,肯定死的很难看,打不过它就拥抱它。没错!就是进入这个产业混。
2009年3月,硬盘商WD(Western Digital)就采用老美一贯的固定招式,买收了SSD的厂商SiliconSystems。
2008年11月,日立HGST发表与英特尔共同合作开发服务器用途的SSD。具体地说,就是拥有SAS、Fiber Channel接口的SSD。
由于SSD毫无机构部材,如何朝超小型化的高密度实装技术,也有一股动力来驱驶。以东芝为例,以半导体封装18mmX14mm的封装来实践一个128GB;如此的安装面积可以说是仅有1.8英寸硬盘的1/15而已。若是使用16颗来制作1.8英寸的SSD,那么,容量就可以高达2TB的梦幻境界了。
注:这个超小型的SSD,是用容量32Gb的NAND芯片积层32枚来实现的。
难道,集三千宠爱于一身的SSD,是不败神话吗?金钟罩中是否有“数字落穴”呢?
SSD的高度期待与深度不安
好的一面谈的差不多了,该来面对一个血淋淋的现实面问题,寿命的矛盾情节。
半导体制程微细化以及多值化的手段,带来平均容量价格的加速滑落,却也带来一个万万没想到的致命后遗症。
2004年-2005年,开始量产的90nm制品,根本几乎没有人会去怀疑NAND型内存的信赖性。重复写入回数约10万回,数据的保持时间约10年。
在2005年-2006年70nm的世代技术4Gb制品,NAND型闪存的重复写入回数也可以维持约10万回,数据的保持时间约10年。2007年开始量产50nm的16Gb(2Bit/Cell),却发生了变化。重复写入回数约1万回,数据保持时间减少到约5年。这个质量滑落的原因在于额外制程范围(Process Margin)的减低以及多值化的采用所引起的。从这个经验来判断,2008年40nm世代的32Gb产品(2Bit/Cell),重复写入回数可能仅有5000回,数据保持时间减少到约3年。到了3Xnm世代(2Bit/Cell),可能就在3000回、1年数据维持时间罢了。
注:2009年2月,东芝与Sandisk于ISSCC发表共同开发64Gb的NAND型内存,43nm之CMOS制程,多值化4bit/cell。
还好,以上这些数值是代表NAND的数据保持时间,并非直指SSD的寿命。
透过SSD控制LSI,对内存单元之间的写入做均等化(Wear Leveling) 的处理,也就是耗损平均化,加上ECC错误订正的处理,也就能够延伸SSD的使用寿命。当然,事情并非那么简单,控制器的算法加上OS操作系统的工夫,也是不可或缺的一环。而SSD存在这个潜在的致命伤,也就是写入回数的寿命问题。该点正是SSD与HDD的迥然不同之处。
要去解释这个生命周期,其实并不困难,可以从闪存的构造来找出答案。
NAND闪存的数据写入并非直接对Page写入,而是经由消去(ERASE)、写入(PROGRAM)等两个阶段的动作。
在“POLY1 FLOATING GATE”注入电子,抽离时会维持数据。浮动闸极(Floating gate)没有电子的状态为“1”,电子注入的状态为“0”。所注入电子会因为Tunnel Oxide的氧化膜(绝缘膜SiO2),即使电源拔离,仍能保持。因此,当不停反复在浮动闸极注入电子,氧化膜长久之后会劣化。这就是闪存重复写入的上限所在。
再者,消去(ERASE)、写入(PROGRAM)的单位可能不同。消去是以区块(Block)为单位,写入是以页(Page)为单位。实际上,页之大小、区块空间是依据闪存的种类有不同。最为简单的范例即是2Gb的SLC NAND闪存芯片。
一页的大小为2KB(2048字节的数据区加上64字节的备用区,共2112字节)。区块大小为64页,一个芯片有2048个区块。
注:SLC(Single-Level Cell),一个记忆单元只存放一个位(两个状态)。
MLC(Multi-Level Cell),一个单元可以存放多个电位状态。以 2位为例就是 00、 01、10、11等四个状态。
目前采用闪存作储存媒介的嵌入式系统,皆希望其效能可以追赶上传统式硬盘(HDD)。许多产品在运作时需要大量读写,因此对于闪存的产品寿命特别重视。闪存的缺点,在于有写入/抹除消去次数的限制,因此这些嵌入式系统的产品寿命,与闪存使用模式和写入/抹除消去的次数息息相关。
一般用来延长闪存预期寿命的方法,即是耗损平均(Wear Leveling),又可以称为平均抹写储存区块技术,也就是将写入回数平准化的技巧。将每个区块的磨损状况平均化,可以延长产品的生命周期,来符合系统的需求。
有些SSD开始对应Windows 7的Trim命令,性能提升到200MB/sec~260MB/sec之间。
SSD矛盾情节的解决战略对策
因应制程技术微细化以及多值化带来的质量问题,必须集结OS、控制器、NAND型内存、高速缓存等厂商的群体智能。
从OS操作系统的角度来观察,当前的窗口操作系统如XP、Vista,对于SSD仍将视为HDD储存装置,以硬盘最适化的处理来对SSD实施,好比说硬盘的碎片整理(De-fragmentation),这个动作是对于硬盘拥有无限制的写入动作为前提的,将分散的数据做位移。但是对于SSD意义不大,徒然增加写入次数而已。
因此,新的OS可以针对SSD来做最适化的处理。不会执行重组的动作。对于扇区(Sector)的空间大小,也能够针对SSD做最好的处理。
譬如说,OS的档案管理单位为512B的扇区大小;而NAND型内存的页(Page)大小为4KB或是8KB。故,OS该有机会去调和两者之间的差异。
对于SSD业者来说,也许就必须从设计工夫来下手,提升信赖性。最为有效又快速的做法就是增加容量规格的额外冗长领域(Redundancy)。比如美商STEC针对服务器以及磁盘阵列的应用,提供如此的方式。(日立于2008/12发表的磁盘阵列就是采用STEC的SSD。)
STEC的做法是将容量73GB的SSD搭载128GB的NAND型内存来实现。用户领域之外的55GB,作为耗损平均(Wear Leveling)用的领域,也是不良区块的替代领域。同时,为了要求极高度的信赖性,还特意经过严厉的预烧(Burn-in)测试,组装后的SSD经过24小时高温环境的通电试验,将不良的区块彻底洗出来,将不良区块多的内存组件替换才出货。写入回数确保200万回。如此多的历程当然会降低产出,多出来的冗长领域也增加了不少的组件成本。不过其用途是针对高信赖性的用途,价格压力价低。
控制器LSI,为了提升SSD的信赖性,传统是实行耗损平均以及不良区块的管理。这类处理的演算方法持续在进化中。可以判断是ECC错误订正的强化,用来对抗微细化与多值化带来的错误位数。以90nm~70nm的世代的1bit/cell来说,平均512B为一个位。大意是说512B的数据中,1个位的错误修正。到了50nm的世代,1bit/cell的制品需要1~4bit/512B,2bit/cell的制品需要4~8bit/512B的ECC。
若是到先端的40nm世代,1bit/cell的制品需要4bit以上/512B,2bit/cell的制品需要8bit/512B的ECC。依此类推,当进化到30nm或20nm的异世代,3~4bit/cell高值化的时候,就需要非常强而有力的ECC才行。
提升SSD的信赖度,还有一块领领域需要加速改进。那就是高速缓存(Cache)。当前,多数的SSD多是采用DRAM。有一派的观点是以FeRAM、MRAM、PRAM等非挥发性的内存来替换。所抱持的理由是目前的窗口操作系统,为了抑制系统挂掉的最小限制下,在极短的时间间隔发行Flush Cache Commands,这个高频度命令的发行就是带来频繁的写入动作,信赖度就往下滑落了。解决的方法之一,就是采用非挥发性的内存。就算系统挂掉,数据也不会遗失,能够回复到挂点之前的状态。也就是完全可以忽略掉Flush Cache Commands。依据东芝的试算,若是采用FeRAM来替换DRAM,SSD的写入效率约提高两倍。换句话说,可以写入的次数,提升了两倍。而且,间接地消耗电力也节省了30%。目前,SSD的快取容量约为32MB(256Mb)的程度,若以FeRAM当前的容量能力,还要加一把劲。
注:FeRAM( Ferroelectric Random Access Memory),利用强诱电体材料性质的存储组件。
注:MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory),磁电阻式随机存取记忆。是指以磁电阻特性储存记录信息的非挥发性随机内存。NEC倾向SSD运用MRAM。
注:PRAM(Phase Change RAM),相位变化内存。尔必达(Elpida)以及瑞士商Nu-monyx的见解倾向SSD运用PRAM。
统合集结了这些技术,方向一旦确立之后,厂商们寻求的高目标,是写入次数100万回甚至一亿回的研究。美商Micron预计推出的『Enterprise NAND』,写入次数达100万回。东京大学的研究团队预计在2009 Symposium on VLSI Technology/Circuits发表成果,写入次数可能达一亿回。这些技术的底细,很难获知。
结语:
就当前的技术情况来说,诸如基干系的服务器或产业机器等要求信赖度极高的场合,选择该是1bit/cell的制品,数据的保存时间10年以上。
而像携带式音乐播放器、随身碟等低价产品的应用,3bit/cell的超多值技术,该是最佳最棒的选择。
而在选择SSD之际,最为困扰的该是笔电、摄影机、相机、PND这类属性介于中间的产品。当前,笔电厂商正在检讨最新4Xnm世代的2bit/cell,是否可以取代HDD。以东芝的试算维例子来看,假设128GB的SSD,可写入回数3000回,SSD全体写入总位量为128GBx3000/1.5=256TB(1.5为东芝考虑的写入效率)。
而PC用户一日的写入数据量约为20GB的程度。那么,估算的SSD寿命该是256TB/20GB/365日=35年左右。笔电用户的替换周期时间,大约是5年。因此,从这些实质面来看完全是行得通的。不过,毕竟这是试算,SSD的信赖性还是必须控制LSI-OS-内存等总力的集结,才能够完全却保SSD的信赖度。
有此来看,硬盘虽然面临停止转动的危机,不过,它的价值与成长空间还是存在。HDD与SDD的完美互补,各司其职,消费者就有福气啦。
补充:
在PCIe接口的NAND方案,英特尔称为Robson技术。