兼顧效能/可靠性　SSD適應工業儲存需求

固態硬碟模組技術發展趨勢，從早期平行式先進附加(PATA)介面到主流串列式先進附加(SATA)介面延伸到新一代走向快捷外設互聯標準(PCI Express, PCIe)介面，不斷地提升介面頻寬來達到更高的存取效能(圖1)。  

圖1　固態硬碟模組技術發展趨勢

PCIe除了提升單通道的傳輸速度外，並採用多通道來達成更高速效能，以PCIe Gen3傳輸速度在M.2及U.2規格上設計四通道即PCIe Gen 3×4，其規格理論速度可達4Gbit/s，儲存驅動層也因應速度的提升而優化，從IDE(Integrated Drive Electronics)轉換進階主機控制器介面(AHCI)再轉換非揮發性記憶體(Non-Volatile Memory express, NVMe)驅動支援。  

PCIe可採用AHCI或最新NVMe驅動，在NVMe的驅動層優化下，可完全展現其效能。除了主要的傳輸介面外，不同的應用設備於工業儲存裝置也採用其他介面規格如通用序列匯流排(USB)、Secure Digital(SD)及嵌入式多媒體卡(embedded MultiMedia Card, eMMC)等。  

近幾年來儲存型快閃記憶體(NAND Flash)的製程推進特別地快速，早期工業儲存應用主要是以品質好且壽命長的單層單元(Single Level Cell, SLC)為主，但隨著多層單元(Multi-Level Cell, MLC)價格迅速下降與SLC拉大差距後，工控設備基於成本考量逐漸導入MLC方案，漸成主流。隨著NAND Flash製程提升，二維(2D)NAND將會轉三維(3D)NAND製程，3D NAND MLC與TLC將會是未來的趨勢。  

工業設備對於儲存裝置的容量並不一定要大，只要符合使用的容量需求即可，且工業儲存主要訴求穩定性，針對各種不同的儲存應用通常會考量三大面向：速度效能、性能可靠與應用壽命。這三個面向往往是互相影響的，三者皆備將會提高成本，因此須要了解工業儲存應用行為再進一步考量取捨。就工業儲存整體趨勢來看，固態硬碟的性能可靠與應用壽命仍然是主要被考慮的，速度效能會是其次，只要能達到一定的速度讓系統運作順暢即可。  

增加快取量/善用Flash特性 提升儲存速度效能  

工業應用儲存對於效能並非其最大的考量，大部分的系統設備只要能順暢運作，並不一定要採用以動態隨機存取記憶體(DRAM)為快取的高速固態硬碟，但仍然有些工業儲存應用需要高速的固態硬碟，以因應特定的工控應用，那如何提升存取速度呢？除了傳輸介面會影響速度外，固態硬碟的內在硬體與韌體設計會朝幾個方向，包括快閃記憶體轉換層(Flash Translation Layer, FTL)NAND管理架構、增加資料快取量暫存於動態隨機記憶體DRAM、利用快閃記憶體的特性SLC Page模式及多通道設計等。  

最常使用的提高效能方式為增加資料的快取量，當主機系統傳送資料至固態硬碟時，固態硬碟會將資料排序在動態隨機存取記憶體中預設好的快取區，當設定的快取容量愈大時，資料寫入的速度會愈快，當快取資料達到一定設定容量或資料停留時間過長時，會將快取資料排序後寫入快閃記憶體中儲存。經由韌體調校資料快取容量，可讓系統資料傳輸速度與快取資料寫回快閃記憶體速度達到動態平衡。資料傳輸速度愈快或資料快取容量愈大時，其風險為可能會造成少部分資料遺失。當非預期斷電可能發生時，若工業儲存應用對於資料正確性要求較高，就必須要考慮降低快取容量，相對地，整個傳輸速度也會有所影響。  

現今工業儲存仍然以MLC快閃記憶體為主流，MLC快閃記憶體架構屬於Two Steps Program設計，快閃記憶體以區塊(Block)為抹除(Erase)單位，而每一個Block中有數個頁(Page)，Page為寫入(Program)與讀取(Read)單位，如一個Block中有256 Page，其中一半的Page為SLC Mode，另一半為MLC Mode，快閃記憶體會先寫入SLC Page再循序寫入MLC Page。  

快閃記憶體特性中，SLC Page寫入速度較快(圖2)，藉由HyperCache技術將資料先寫入SLC Page以提高速度效能，最多可設定一半的固態硬碟容量為SLC Page Mode快取。當快取Block消化完時，速度將會回到MLC Page Mode速度。  

圖2　SLC Page只使用低位元代表1位元(Bit)

一般的測試速度軟體僅測試短暫時間或少部分資料容量，所以呈現出來的速度會較佳。但是，HyperCache技術的做法會產生一些問題，由於Block中只寫入一半Page數資料量，就必須抹除整個Block，因此會造成寫入的放大而些微影響固態硬碟的壽命。  

採用CorePower技術 強化固態硬碟可靠性  

工控市場應用對於儲存裝置，早期採用較可靠的SLC快閃記憶體固態硬碟，且並未採用動態隨機存取記憶體做大資料量的快取，相對的穩定性與可靠性較佳，但隨著MLC快閃記憶體成為主流且不斷地提升速度，固態硬碟儲存裝置穩定性與可靠性要求愈來愈高。  

對於有些工控市場應用，除了針對固態硬碟穩定性不斷的提升外，資料的可靠性也是須要強化。為提升寫入速度採用動態隨機存取記憶體做為快取區，當非預期斷電時，必須確保快取區的資料能夠安全地回寫到快閃記憶體，因此相關廠商致力新技術的開發。例如宇瞻(Apacer)研發出斷電保護(CorePower)技術，利用電壓偵測、導入備用電量維持固態硬碟的運作，並使用韌體快寫技術確保資料安全與正確性。  

當非預期電源斷電時，系統上會有少量的電容維持電量供應緩慢地下降，這對於固態硬碟來說比較安全，但仍然有些系統設計，會將電壓急速下降，這對固態硬碟來說是最嚴苛的環境，必須要以CorePower技術設法延長固態硬碟運作電量並讓電壓緩慢下降，在時間內完成快取資料的回寫(圖3∼4)。  

圖3　一般固態硬碟斷電後內部電源會隨之下降無法持續保持電量

圖4　CorePower技術讓固態硬碟內部電源持續保持電量

此可靠性強化固態硬碟通常設計在2.5吋的產品上，因為維持電量需要大量或高容值的電容來儲存備用電量，在較大的空間上可設計較多的電容。但因工控應用系統仍然需要固態硬碟小型模組，但模組可設計的空間並不多，備用電量有限，因此，採取同步經由韌體技術調校快取配置，來克服有限電量下安全的回寫快取資料，當電源回復時能夠確認資料的完整性並快速地回應主機系統。  

導入Page Mapping解決隨機小資料量寫入問題  

工控應用日漸多元，儲存的使用方式也因為系統及應用軟體演進變化，不同的讀取寫入固態硬碟行為，影響了固態硬碟的應用壽命，也因為快閃記憶體內部結構設計，Page容量從512位元組(Byte)、2K位元組、4K位元組、8K位元組到16K位元組，單一Block中Page數也逐漸增加，也直接影響固態硬碟在不同應用上的使用壽命，因此必須改變固態硬碟的韌體核心架構，亦即快閃記憶體的映射管理架構。  

早期因為快閃記憶體的結構，Page空間(Size)小且組成Block容量相對也小，採用區塊映射技術(Block Mapping Technology)即可滿足，Block Mapping是以Block為單位，將邏輯磁區位址(LBA)對應到某個區塊中的Page位址，且位址映射必須為連續位址，此種映射方式適合較小Page或Block及連續資料儲存應用，且控制器所需的記憶體較少。  

但因為系統隨機存取資料量的應用逐漸增加，為提高隨機存取速度，發展出混合映射技術(Hybrid Mapping Technology)，增加少部分Block數做為Page Mapping來提升小資料量的隨機存取使用，但仍然無法滿足大量的隨機小資料量的存取應用，且在極端使用下也易造成固態硬碟的應用壽命縮短。  

因此，為因應工業儲存應用，採用Page Mapping技術已經是現在與未來趨勢，導入全面Page Mapping可解決現今工業應用儲存的應用壽命問題並提升隨機存取效能。Page Mapping技術是使用較大的動態隨機存取記憶體空間做為LBA與實體位址Page的映射表，以最佳的邏輯磁區大小如4K位元組做為單位映射至快閃記憶體實體區中，可分散儲存不連續位址的小資料量於單一Block中並減少Block抹除頻率，提升固態硬碟的應用壽命，此技術亦可完全提升4K位元組系統隨機存取效能。  

一般來說，以4K位元組LBA為單位設計對應表時，所需要的記憶體空間約為1:1000，也就是說128GB固態硬碟就需要128MB記憶體空間，若硬體上記憶體容量不夠時，就必須採用多映射表交換技術來實現Page Mapping技術。  

借助CoreAnalyzer技術 洞悉工業儲存應用行為  

工業應用儲存力求穩定外，再綜合衡量速度效能、性能可靠及應用壽命等面向，但仍須仔細思考如何正確地選擇固態硬碟，讓固態硬碟儲存特性與應用存取行為達到最佳化？如此才能使得資料更可靠且應用壽命更長，滿足工業設備的生命週期。  

面對各式各樣的工業應用領域，須要完全了解其作業系統及運作軟體的行為，進而洞悉更底層的存取頻率和行為，通常會使用特定軟體附掛在系統上攔截底層驅動層的命令及資料流，並儲存於系統記憶體上或暫存於儲存裝置，再一併顯示分析存取行為做為系統開發者的參考。但這樣的特定軟體可能會因為作業系統的差異而不同，再者多數使用者不願意附掛軟體。  

為了更清楚洞悉工業儲存應用行為，須要借助固態硬碟本身韌體技術，故採以Apacer CoreAnalyzer韌體技術(圖5)，透過韌體進行監控並分析系統所下的命令和資料流，並定時將分析後的儲存行為記錄於固態硬碟內。連續實際運作後，將資料透過軟體呈現讀取與寫入比例、讀取及寫入連續或隨機比例、讀取及寫入資料量大小分布和讀取及寫入的位址是否對齊比例等資訊。系統使用者可藉此資訊了解系統的儲存應用行為，除了進一步選擇最佳的固態硬碟外，更有機會預測系統的儲存裝置的應用壽命，了解系統設備的生命週期。  

圖5　CoreAnalyzer軟體可以分析並了解系統儲存讀寫相關行為

工業儲存應用逐漸多元化，了解系統應用並多面向考量固態硬碟相關的技術是必要的，固態硬碟儲存技術持續的發展，傳輸介面走向PCI Express及快閃記憶體製程演進，2D NAND轉向3D NAND。但NAND儲存技術會面臨不同技術的挑戰如相變化記憶體(Phase-change Memory, PCM)RAM、磁阻式隨機存取記憶體(MRAM)及可變電阻式記憶體(RRAM)等。  

(本文作者為宇瞻研發處資深經理)