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固態硬碟 (SSD)

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Toshiba 為小型硬碟和 NAND 快閃記憶體技術 (非揮發性的儲存技術,無須電力也能保存資料) 的業界龍頭,以創新儲存技術為基礎,提供多元的數位媒體產品。Toshiba 的儲存產品廣泛用於各大品牌應用中,例如筆記型電腦、導航系統、資料中心和外接儲存解決方案。

固態硬碟 (SSD) 是一種資料儲存裝置,以稱為 NAND 快閃記憶體的半導體記憶體為基礎,由 Toshiba 於 1987 率先開發。固態硬碟在電腦市場上日漸熱門,在消費性電子產品與企業與工業設備等市場上也是如此。

有別於今日應用較廣的機械式硬碟儲存技術,固態硬碟並不需要移動運轉的零件,因而具備了許多優點:固態硬碟運作安靜、堅固耐用、持久可靠,帶來了更輕巧、更快速、更省電的使用體驗。

在每秒輸入/輸出 (IOPS)、容量、連續通量、能源使用和成本效益等方面,固態硬碟 (SSD) 與硬碟 (HDD) 各有其特色和長處。由於固態硬碟和硬碟分別因應了市場的不同需求,所以能相輔相成並長期共存。Toshiba 身為硬碟與 NAND 快閃記憶體型固態硬碟技術領域的唯一總體儲存解決方案供應商 *1,正帶領業界不斷前進,並將持續為各種應用提供最適合的儲存解決方案。

*1 Toshiba 截至 2014 年 11 月的調查結果。

應用

Toshiba 利用 NAND 快閃記憶體技術所生產的產品堅固耐用、可靠牢固且效能優異,提升了各式各樣的用戶端和企業產品的行動能力、功能性和信賴度:包括行動運算、遊戲、家庭娛樂、工業系統和資料中心伺服器。由於 MLC 和 TLC 技術能以更具競爭力的成本達到更大的容量,應用範圍列表也隨之不斷增長。

2007 年至今,Toshiba 先後推出了最先進的固態硬碟、客戶端固態硬碟 (cSSD) 與企業級固態硬碟 (eSSD),目前提供多種尺寸大小、介面和容量供顧客選擇。

客戶端固態硬碟 (cSSD)

筆記型電腦不但追求機身更薄,也希望重量更輕、電池使用時間更持久,更需展現加倍理想的處理效能。為了滿足掀蓋式和可拆卸式等各種筆記型電腦的市場需求,儲存裝置必須提升資料傳輸速度,降低延遲度,縮減外觀尺寸,並減少能源消耗。

固態硬碟屬於 NAND 型的儲存媒體,近來作為客戶級筆記型電腦的儲存裝置而備受關注。客戶端固態硬碟由於快速讀寫、小體積、低耗電和防撞防震特性,最能滿足客戶端應用需求。

企業級固態硬碟 (eSSD)

由於資料量、資料管理量、當代的企業運算環境和應用的需求快速成長,下列的議題日漸重要:如何確保資訊隨時符合可達性、可用性、效能和可靠性標準。固態硬碟 (SSD) 所採用的科技和技術的發展也和市場上的期望同步並行,意味著現在 NAND 型快閃記憶體的品質到達了一定的高水準,提供了任務關鍵型資料所需的可靠度以及資料速率,大幅超越傳統的旋轉磁盤硬碟。固態硬碟能夠有效將半導體記憶體置於記憶體控制器和介面之後,由快閃儲存裝置負責模擬硬碟的指令和操作。

Toshiba 的企業級固態硬碟 (eSSD) 在企業級硬碟儲存設計上採用了最先進的技術。設計理念是希望在任何應用環境 (伺服器和 DAS、SAN、NAS 儲存設備) 中補充並提供加強的功能,而這以往是 SAS2 介面的機械式企業級硬碟的強項。和硬碟相較之下,企業級固態硬碟的耗電量較低 (散熱較少,因此資料中心支援用的開銷負載也會隨之減少),防撞防震效果絕佳,而且存取與資料速率更高,因此企業級固態硬碟正快速成為成為強調 IOPS 和可靠性的 Tier0 應用首選。

根據預估,在大部分高端效能導向的應用中,企業級固態硬碟終將取代傳統的機械式轉軸技術,適合任務關鍵型應用,以符合所需的可靠性、效能和長遠的期望。

* DAS:直接附加儲存、SAN:儲存區域網路、NAS:網路附加儲存
* SAS:序列式 SCSI

 

音訊設備

家庭劇院

廣播錄製

攝錄影機

CNC 裝置

機上娛樂

電腦斷層掃描器

桌上型電腦

電子樂器

高畫質工作室用攝影機

高速攝影機

導航系統

資訊站終端機

雷射印表機

醫療測量儀器

平板電腦

筆記型電腦

辦公設備

遊戲機台

POS 系統

專業攝錄影機

機上盒

錄音室錄製

監視攝攝影機

電信交換

電視

影片編輯系統

商用處理伺服器

金融交易伺服器

資料分析伺服器

固態硬碟的運作方式

固態硬碟一般是由印刷電路板、NAND 快閃記憶體晶片組、DRAM 快取、記憶體控制器、介面控制器以及 SATA 或 SAS 等介面接頭所構成。

固態硬碟所使用的記憶體為非揮發性的 NAND 快閃記憶體,具備各種生產特色。NAND 的設計是以單階儲存單元 (SLC)、多階儲存單元 (MLC) 或三階儲存單元 (TLC) 技術為基礎。SLC 每單元儲存 1 位元,較為耐用,但在較大容量產品上,生產成本顯然比較昂貴;MLC 每單元使用兩位元,而 TLC 則是每單元三位元,這兩種快閃技術較不耐用,不過容量較大,生產成本較低。

固態硬碟組態

cSSD
Client SSD (HG6 Series)

eSSD
Enterprise SSD (HK3R & PX02SMB160)

(1) 接頭

和硬碟相同,固態硬碟也是使用 SATA 介面。SATA 接頭的機械構造與硬碟插槽相容。

(2) 控制器

控制器是固態硬碟的核心裝置,使其達到快速讀寫效能、高度寫入持久度和強化可靠性。

(3) NAND 快閃記憶體

NAND 快閃記憶體負責儲存資料,並採用 Toshiba 的 MLC 和 TLC 技術,實現低成本高儲存容量的目標。

固態硬碟特色

固態硬碟可為行動裝置市場帶來諸多優勢,因為固態硬碟並不需要移動運轉的零件,足以承受相當程度的撞擊和震動。固態硬碟具備高資料傳輸速率和低耗電量,因此,配備固態硬碟就提升了裝置的效能。此外,固態硬碟完全不會發出機械噪音,對於噪音敏感的裝置而言更是理想選擇。

快速的讀寫效能

硬碟需透過機械運轉來存取資料,但固態硬碟的資料存取僅需透過 NAND 快閃記憶體的讀寫作業即可。這樣的電子化運作造就出快速的存取時間,也是固態硬碟最大的優勢。除此之外,固態硬碟還能夠同步存取多個 NAND 快閃記憶體,進而改善讀寫效能。固態硬碟內嵌 19 nm NAND 快閃記憶體,資料傳輸速度超過 500 MB/s,且隨機存取可達 80,000 IOPS。
在 NAND 快閃記憶體的讀寫效能方面,SLC 的速度比 MLC 更快,不過 MLC 的單一位元成本較低,因為 MLC 每單元可存有兩位元,因此 MLC 被廣泛使用在客戶端個人電腦上,最近,也逐漸引進 TLC,以進一步提高成本效益。

* 視主機裝置、讀寫狀況及檔案大小而定,讀寫速度可能改變。

防撞防震

固態硬碟的另一個主要優點就是內部沒有任何移動運轉的零件。固態硬碟不受衝擊影響,而且運作穩定,得以承受相當程度的撞擊與振動。這代表固態硬碟即使是處於高震動等級的環境下,也能可靠地作業,最適合應用在需要防震防撞的筆記型電腦或是其他較小型的可攜式裝置上。

低耗電量

固態硬碟並無馬達,因此消耗的電力更低於傳統硬碟,延長了筆記型電腦的電池續航力。這不僅對筆記型電腦而言是一大優點,對於如大型伺服器等高效能等企業級應用也特別有利,由於固態技術帶來顯著的效能優勢,讓固態硬碟在這類應用上取代了許多傳統硬碟,而低耗電量也是至關重要。隨著世界各地政府的法規越來越嚴格,如今的 IT 公司也越來越積極,試圖在減少能源消耗,卻不犧牲效能。固態硬碟在資料處理過程中所產生的熱能非常少,降低了資料中心的散熱需求,不但對環境更友善,也能大幅節省成本。

輕薄短小

Client SSD
HG6 Series

Toshiba 客戶端固態硬碟 (cSSD) 為僅約 9 克的輕量裝置 (Half Slim 模組、mSATA 模組),極為適合使用在越來越要求輕量化的行動裝置上。目前,固態硬碟的外型規格多為 1.8 吋和 2.5 吋磁碟,以確保其形狀符合硬碟大小,並可取代使用。不過,由於固態硬碟主要是由半導體裝置所構成,因而在設計上具有更大的靈活度,可設計成直接插入主機板的形式。M.2 類型就是近來實際應用的尺寸之一,且固態硬碟能夠支援 Type22110、2280、2260、2242 和 2230。因此,固態硬碟協助縮小了產品的體積,並為產品設計帶來更大的靈活運用空間。

PCI Express M.2 standard
Figure : PCI Express M.2 standard (PCI Express M.2 Specification)

安靜無聲

硬碟內有移動運轉的零件,運作期間會產生聲音。固態硬碟沒有可動零件,具有安靜無聲的優點。固態硬碟完全不會發出可聽見的噪音,因此適用於電視機、家庭劇院系統、數位音訊系統和攝錄影機等對噪音敏感的裝置上。

延長使用壽命的技術

讀寫作業就是將電子注入 NAND 記憶體浮閘;重複讀寫會造成氧化層的劣化,進而限制了讀寫的耐用度,並縮短的固態硬碟的使用壽命。為了克服這個限制,延長固態硬碟的使用壽命,固態硬碟採取各式各樣的技術,其中目前廣為採用的三大技術分別為「損耗平衡」、「超額配置」和「ECC 與更新」。

損耗平衡是藉由快閃控制器演算法來處理,針對經常存取且已達到預設存取門檻的資料區塊,進行監控及重新分配,以維持效能表現。超額配置方法,就是將邏輯區塊數量分配給裝置,且數量超出市售容量,利用損耗平衡技術進行重新分配,以提供所需的使用壽命期望值。第三種方式則是採用錯誤校正碼 (ECC) 與更新。ECC 是加入至使用者資料的冗餘碼,用來校正錯誤;更新則是重定位資料的機制,會在超出 ECC 錯誤校正上限之前預防錯誤發生。NAND 記憶體的錯誤率會隨著讀寫的增加而上升。ECC 與更新技術可避免錯誤率提升,協助延長固態硬碟使用壽命。

關鍵字

  • SLC (單階儲存單元)

    SLC 為記憶體元件,可將資料儲存在個別的記憶體單元內。相較於使用 2 位元的多階儲存單元 (MLC),SLC 利用「更簡單」的 1 位元控制邏輯,高速處理固態硬碟的存取和寫入,因此 SLC 耗電量較低。此外,SLC 晶片的寫入操作可達 100,000 次循環,耐用度將近 MLC 的十倍。由於 SLC 記憶體傳輸速率快、可靠性高,因此能應用在高效能的固態硬碟上。
    * 視主機裝置、讀寫狀況及檔案大小而定,讀寫速度可能改變。

  • MLC (多階儲存單元)

    NAND 裝置可在多種電荷階級之間選擇套用至其單元的浮閘,讓每個記憶體單元可儲存 1 位元以上的資訊。MLC 可在每個單元中保存 2 位元的資訊。這種技術能提升小外規格內的儲存密度以及每 GB 儲存空間的成本效益。
    * 視主機裝置、讀寫狀況及檔案大小而定,讀寫速度可能改變。

  • TLC (三階儲存單元)

    TLC 每單元可儲存 3 位元,讓固態硬碟的成本效益更高。TLC 已開始應用於客戶端固態硬碟,而且由於低階筆記型電腦和平板電腦等低成本的客戶端應用漸趨熱門,對於引進 TLC 的需求可能也會隨之增加。
    * 視主機裝置、讀寫狀況及檔案大小而定,讀寫速度可能改變。

  • 耐用度

    耐用度是指產品使用壽命的消除/寫入循環數上限,這個數值會隨著 NAND 單元的劣化而改變,造成資料保存和可靠性喪失。

  • 資料保存

    資料保存是指記憶體單元在儲存裝置使用壽命內,能將儲存資料保持可恢復且未損壞的預估時間。單元的耐用度達到上限時會開始劣化,而該單元消除/寫入計數則代表整體預期壽命。

  • 超額配置

    超額配置是分配給儲存裝置的過剩容量,讓單元能在儲存裝置的保固使用期內達成 100% 的耐用度 (達到預期壽命)。超出的容量會被帶上線並進行分配,以抵銷損失的可用儲存單元。普遍上可接受的數字因產品而有所不同。

  • 損耗平衡

    每個記憶體單元的壽命有限,屆時結構會崩壞、單元也會磨損殆盡。為了確保各單元的磨損程度相同,應當維持消除/寫入計數。一旦數字達到預先設定的門檻值,集體單元資料內容就會被重新分配至較新的單元集體/扇區。

  • 錯誤修正碼 (ECC)

    ECC is redundant codes which are added to user data, are read out with user data then correct an error included in the data.

  • 更新

    固態硬碟經過長時間使用,難免遭到磨損。更新是一種重新定位資料的機制,能預防錯誤增加,並重新分配資料,以延長固態硬碟的使用壽命。

  • NAND 快閃記憶體的製程技術微縮

    製程微縮技術可使半導體記憶體容量增大,而且增加晶圓內的晶片數也會提升性價比。因此製程微縮技術也能用於評估 NAND 快閃記憶體製造技術的競爭力。將電路的最小線距 (半線寬) 用作製程技術微縮的指標。
    Toshiba 客戶端固態硬碟內嵌的 NAND 快閃記憶體的製程技術歷程如下:
    43 nm ─ 2008
    32 nm ─ 2009
    19nm ─ 2012
    19nm 第二製程 ─ 2014

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