物聯網正擴大無所不在的串連，隨著5G的來臨，人工智慧(AI)、大數據、雲端運算及物聯網等技術正加速躍進，企業追求智慧數位化已是現在進行式。智慧化即在推動產業自動化，機器人取代人力，提升生產效率；以資訊搜集為基礎，對產生的設備數據加以分析與控管，最後將有效數據傳回中心，亦因此，雲端的儲存也越顯重要。根據IDC報告顯示，在2020年，雲端儲存市場預計將成長至481億美元，雲端建設被視為企業最主要發展的重點。這除了說明雲端發展的重要性，也突顯企業資料儲存裝置及其技術應用，未來發展必趨於更多元且深層。
隨著智慧化的演進，資料通訊量的增加和智慧聯網裝置的發展日趨多元，工業級儲存與記憶體應用層面也越來越廣。儲存裝置須因應各應用設備使用環境、功能及特性需求做技術上的精進，在容量、效能及傳輸速度上，不斷追求穩定與可靠。除了洞悉市場應用需求，了解產業實際應用環境，智慧儲存裝置藉由新技術3D儲存記憶體架構，引進嶄新韌體演算技術與高速傳輸介面硬體技術，讓固態硬碟(SSD)儲存展現高效能及高穩定，搭載動態資料存取分析與遠端監控技術，進一步使得應用儲存更智慧化。
3D儲存疊構技術效能再推升
智慧物聯應用趨勢逐漸成形，於閘道器(Ｇateway)或是終端設備都扮演著控制、感測和資料分析處理的重要一環。面對廣大的數據流量和儲存需求，固態硬碟新一代3D NAND Flash在容量上有更突破性的發展，以因應大量資料儲存的應用市場(圖1)。
圖1 3D儲存疊構技術圖
NAND Flash技術發展一路由2D結構平面的單層單元(Single Level Cell, SLC)到多層單元(Multi-Level Cell, MLC)，再到三層單元(Triple Level Cell, TLC)，及四層單元(Quad Level Cell, QLC)，2D NAND Flash記憶體結構已面臨製程微縮瓶頸，可靠度出現嚴苛的挑戰，現今3D NAND新一代儲存技術的逐漸發展成熟，讓多年來的非揮發性記憶體儲存技術有了重大的改變，利用立體堆疊製程技術，改變儲存單元的矩陣結構，除了提高NAND Flash容量之外，也減少儲存單元彼此間距離過近可能產生互相干擾的問題。3D NAND與2D NAND相照之下就好比高樓大廈與平房，3D NAND利用提高堆疊層數挑戰大容量，單一記憶體存取效能(Data Rate)也相對提升從200MT/s、400MT/s、533MT/s到800MT/s，讓固態硬碟儲存效能可以不斷地推升，面對高速存取需求的物聯裝置應用及龐大的資料傳輸，可以更輕鬆地駕馭。
韌體技術加持 3D NAND穩定性/耐用度再攀升
為最佳化多元及多變的工控應用市場，滿足工業應用存取所需效能，3D NAND Flash固態硬碟產品藉由韌體技術強化持續性隨機寫入效能與資料存取穩定度。在固態硬碟韌體設計上，可透過兩關鍵技術來協助提升效能與穩定度：預留空間(Over-Provisioning, OP)和DataRAID韌體技術。透過預留空間技術，預留7%或以上的空間，以便於執行系統垃圾回收機制(Garbage Collection, GC)、磨損平衡(Wear-leveling, WL)和分頁映射(Page Mapping)，做有效空間配置與Free Block空間做置換，藉以降低寫入放大率(Write Amplification)延長固態硬碟使用壽命並維持SSD良好健康狀態，降低SSD壽命的耗損，由於預留空間轉換做為資料處理相對可提升SSD持續性隨機寫入效能(圖2、圖3)。
圖2 透過預留空間技術，降低寫入放大率(Write Amplification)提升固態硬碟使用壽命並維持SSD良好健康狀態。
圖3 3D NAND Flash搭載預留空間和無預留空間技術效益對照
而DataRAID錯誤校正演算技術，當資料讀取發生錯誤(Bit Error)且ECC無法修復時，此演算技術可提供資料糾錯備援機制，為資料完整度再多一層保護。一般固態硬碟運作若發生讀取的資料無法透過既有ECC引擎修復時，這些資料將會被視為UNC(Uncorrectable)，而控制器錯誤校正演算技術可透過RAID Engine產生相對應的校正碼(RAID Parity)，以重建這筆資料並修復已損壞資料，確保資料可靠度及完整性。面對嚴苛的工業應用，儲存技術需要持續精進提升，預留空間技術和韌體技術可為儲存應用帶來更穩定、更耐用的使用體驗(圖4、圖5)。
圖4 DataRAID寫入運作模式建立奇偶校正碼。
圖5 DataRAID讀取模式：藉由奇偶校正碼修復資料。
具高效能/低延遲優勢 PCIe介面將成智慧儲存主流
雖然目前業界許多電腦儲存系統早已採用固態硬碟，但SATA介面設計的SSD還是受限於其匯流排的傳輸速度頻寬限制，又因市場趨勢走向日益看重高速高效能的工業匯流排技術。因此，PCIe介面SSD的出現展現高速流暢的存取速度，PCIe Gen3僅單通道的單向傳輸速率已達1GB/s、雙向2GB/s，更不用多說目前市場實際使用介面為多通道×2或是×4，早已比單向傳輸快上n倍傳輸速率，也因此常被應用於4K/8K影像畫質處理與監控辨識系統中，而隨著雲端運算服務量的增加與使用效益需求，雲端伺服器儲存也逐漸採用PCIe介面，加速PCIe發展成智慧儲存應用主流。
固態硬碟藉由搭載HyperCache韌體技術可再提升速度之效能，此韌體技術從NAND Flash中劃分出一部分空間，所占空間比例依據SSD實際容量狀態調整，轉換為動態或靜態模式；NAND Flash架構下不同分頁寫入速度不同，可藉由韌體技術將寫入速度快的分頁(SLC-page Mode)做為資料快取，以提高MLC和TLC SSD整體資料瞬間傳輸效能，再透過內部資料搬移機制做最佳的資料分配儲存於所有的分頁儲存。PCIe硬體介面可直接與系統記憶體做資料存取交換，無須透過中介層，因此可以縮短整體的延遲時間，相對於SATA介面，更可以表現出低延遲的效能(圖6)。
圖6 搭載HyperCache韌體技術效益示意圖。右圖顯示有搭載HyperCache韌體技術，將寫入速度快的分頁做為資料快取，以提升傳輸速率。
智慧儲存解決方案
為加速各產業儲存應用發展智慧物聯，了解SSD實際應用情境和掌控儲存裝置狀態，做好即時維護置換，使系統持續正常運作，以降低潛在風險、減少管理成本開銷，將智慧儲存裝置發揮最大效益是記憶體產業業者紛紛面臨的一項重要挑戰。
目前市場推出一新技術，為針對各多元垂直應用產業設計的Double-barreled Solution智慧監控儲存裝置解決方案，其分兩階段進行，第一階段，利用韌體技術協助客戶即時記錄與精準分析SSD使用行為狀態，包括工作量、工作溫度、電源穩定度、連續寫入率及隨機存取率，可提供客戶選用最適應用的SSD產品和客製韌體搭配，做到內部系統資源配置最佳化；第二階段，運用智慧監控軟體提供跨平台全面性的磁碟智慧監控，即時掌控SSD健康狀態，有效預測產品壽命及風險防範，不因突發狀況如斷電而造成損失或故障(圖7)。
圖7 智慧監控軟體提供跨平台全面性的磁碟智慧監控，即時掌控內部系統與外在環境變化。
這類的智慧監控儲存裝置解決方案適用於多元化的智慧物聯應用設備，就以離岸油井探勘為例，從探勘、鑽井、運輸至最後提煉，透過此解決方案嵌入於內部作業系統平台，即可遠端監控、了解系統實際運作情況，做關鍵資料與數據之蒐集，即時掌控內部系統與外在環境變化，以助企業減少不必要人事成本花費，達效益最大化。
AIoT智慧發展已成科技新浪潮，面對龐大資料量的蒐集、儲存、分析，以及在保有資料完整度同時，儲存容量與速度上的被迫切需要，是不容忽視的。因此，儲存裝置扮演著重要的關鍵角色，大容量、高效能、穩定且絕佳傳輸速率的固態儲存裝置，才得以大幅減少儲存管理作業，提升工業級儲存產品的價值與競爭力，成為推助企業快速投入創新應用與智慧化轉型的致勝利器。
(本文作者為宇瞻科技產品技術副理)