前進COMPUTEX 2017─迎接固態硬碟的新時代!

固態硬碟(SSD)已是目前儲存產品市場的主流新技術,在今年台北國際電腦展〈COMPUTEX TAIPEI 2017〉儲存產品專區中,我們可以發現自從2016年市場上使用3D NAND Flash技術搭配NVMe應用的產品不斷增加後,SSD邁向了新紀元,將以更大的容量、更高的效能與更低的單位儲存成本逐漸取代著傳統硬碟〈HDD〉。深耕儲存產品測試領域多年、同時身為中華民國固態磁碟技術推廣協會(Solid State Drive Alliance,簡稱SSDA)成員的百佳泰,將在本篇文章中探討最新3D NAND Flash的技術應用與傳輸介面〈ex: SAS/SATA〉大量改採PCIe/NVMe後對SSD市場造成之影響。

3D NAND Flash與PEI-e/NVM-e的革命性突破

在SSD的內部構造中,快閃記憶體晶片顆粒是決定產品成本、使用壽命與讀寫速度的技術核心,共分為SLC、MLC、TLC三種類型。一般而言,SLC有著最快速的程序編程與讀取、使用壽命最長〈可抹寫次數最多〉、價格最高〈單位成本儲存容量較低〉,主要用於一些高端的軍工規或企業級SSD;MLC的速度、壽命、價格適中,是目前中高階企業級SSD的主流應用趨勢;而低價SSD則普遍採用TLC顆粒,容量較高且價格相對低廉,但在性能、穩定度與使用壽命上卻略顯不足。

在2016下半年度各大品牌開始採用可垂直堆疊數層儲存資料的3D NAND Flash技術使單位儲存成本大幅下降後,SSD便突破傳統平面式快閃記憶體的物理極限,擴大了以往因顧及生產成本而受限的容量規格。舉例來說,威剛科技於COMPUTEX 2017中華民國固態磁碟技術推廣協會〈SSDA〉攤位所展出的「SU900」SSD,就是利用3D NAND Flash技術開發的產品,使其即便在使用MLC顆粒的狀況下,也可達到2TB的超大容量。

此外,3D NAND Flash製程技術也讓TLC SSD的可抹寫次數有所提升。在2D NAND Flash技術的時代,提升SSD的容量是要靠著微縮每個儲存單位,來增加儲存密度。然而微縮儲存單位的作法,卻也令SSD的可抹寫次數降低,造成容量較大的TLC SSD在耐用程度上,遠遠不及SLC/MLC SSD。但在3D NAND Flash改採垂直立體的堆疊方式來擴增容量後,每一層儲存單位微縮程度不需太大,使TLC SSD能在保持低廉價格的同時,也逐漸減少與MLC SSD在使用壽命上〈可抹寫次數〉的差距。

而NVMe的應用更讓SSD突破了傳統SATA Gen3的最大頻寬限制,如SSD龍頭之一的東芝(TOSHIBA)於今年COMPUTEX在百佳泰攤位上首度曝光的「XG5」系列消費級NVMe SSD,除了使用領先全球的64層3D堆疊技術使其在NAND  Flash晶片體積不變的情況下容量提升至1TB,更運用PCI-e Gen3 x4 通道,NVMe Revision 1.2.1,使「XG5」的連續讀取、寫入速度大幅提升至 3,000 MB/s 和 2,100 MB/s。這樣的連續讀取效能已是傳統6Gb/s SATA介面的5.4倍,連續寫入速度也快了3.8倍。

技術革新對於企業級SSD用戶之影響

以上提及的3D NAND Flash新技術讓單位成本下降;NVMe的應用加大了頻寬的使用,將使過去因成本考量而未使用SSD、或目前是以HDD和SSD互相搭配使用的用戶、增加升級現有硬體設備之意願。舉例來說,網路交易次數頻繁的商家可藉由購入SSD來加快伺服器〈Server〉的資料處理速度以減少使用者的等待時間;或利用SSD較穩定、耐用的特性來減少企業的總持有成本(TCO)。可以預見未來在企業應用面上,SSD將逐漸分食HDD市場。

然而,市面上的企業級SSD、伺服器作業系統、及硬體設備種類可說是五花八門,使用者在面對以上各項主要物件相互搭配時,SSD是否會發生效能降低、錯誤率上升、或甚至無法驅動等相容性問題,是各大廠商都需面臨的挑戰。在各式Server平台運作時的應用程式Workload表現也考驗著這些新型的企業級NVMe SSD。以網路交易平台主要使用的Database Server為例,由於同一時間將有「多位使用者」在「同個交易平台網站」上消費,交易資料是以隨機方式大量產生的高負載狀態,NVMe SSD能否維持其快速的Random Read/Write IOPs,便是Database Server使用者相當重視的效能。

此外,企業用Server對其選購的SSD能否維持長時間的穩定運作也相當重視,一般來說,我們可以透過穩定性測試〈Stability Test〉來了解SSD的穩定性。在以下的測試案例中,我們對兩種相近規格〈A廠牌v.s. B廠牌〉的企業級NVMe SSD在相同的伺服器與作業系統中,創造9種不同的資料負載量〈由高負載到低負載依序為8K 100/0 RW; 4K 100/0 RW; 0.5K 100/0 RW; 8K 65/35 RW; 4K 65/35 RW; 0.5K 65/35 RW; 8K 0/100 RW; 4K 0/100 RW; 0.5K 0/100 RW〉來了解A牌與B牌SSD在連續五次運轉過程中的反應延遲時間〈Latency〉。

 A牌企業級NVMe SSD

B牌企業級NVMe SSD

從上表可以看出,A牌SSD在連續5次處理9種不同資料量的過程中,反應延遲時間短且穩定〈介於0.02-0.1毫秒間〉,圖形因而呈現著較為平穩且無太大波動的狀態。反觀B牌SSD不但平均反應延遲時間較長〈介於0.05-0.2毫秒間〉;同種資料負載量在不同回合所需要的反應延遲時間差異也較大〈ex:觀察連續五回合的紫色十字狀定點連線而成的曲線圖,在第一回合只需0.05毫秒的反應延遲時間,卻在第二回合需要0.2毫秒〉,圖形因此有著較大的波動。藉由上述的測試報告,企業級SSD製造商可更全面的了解其產品品質在市場上的定位針對弱點加以改進來增加市場競爭力。

事實上,3D NAND Flash技術與NVM-e的應用除了將使企業用SSD需求大幅提升外,對消費市場上的一般使用者亦影響深遠。

 

SSD搶搭電競熱潮,進攻一般消費市場

新世代玩家對於遊戲感官刺激及內容豐富度近乎苛求,造就了高規格電競PC及其周邊升級零件市場的大幅度成長。過去,玩家由於對SSD的價格、品質與效能尚有疑慮,會選擇優先升級核心零件如CPU、記憶體,或顯示卡等來提升其PC效能。然而對於配備已非同日而語的現代玩家來說,整體的遊戲流暢度,除了遊戲在執行中是否會遞延〈lag〉外,另包括安裝、啟動遊戲、及過關載入其他場景的時間也漸受重視,而SSD在這些面向的資料處理速度上,是遠遠超越傳統HDD的,消費者也因此對SSD有越來越高的期待。

關於SSD以及HDD兩種硬碟在遊戲執行時的表現,我們也透過以下測試結果來加以分析,測試的樣本分別為一HDD以及不同廠牌、規格之SSD來執行,兩種硬碟皆安裝了最低需求容量40GB的熱門第一人稱射擊遊戲Call of Duty: Ghosts來了解其在效能上的差異:

由上表可知,基本安裝容量需求40GB的遊戲在傳統SATA Gen3介面HDD〈藍色長條圖〉和四種不同廠牌之SATA Gen3 SDD(紅、綠、紫、灰色長條圖),在安裝時間上平均差了2倍以上(19分鐘v.s. 平均7分鐘);與最新NVMe Gen3 x 4 SSD(橘色長條圖)更相差將近10倍(19分鐘v.s. 2分半鐘),更遑論日後更高容量需求的遊戲大作,高容量遊戲在HDD硬體上執行,必定會較SSD硬體的資料載入時間更長,進而會影響到使用者體驗。

看準這股對於SSD需求的趨勢,各大品牌也在今年的台北國際電腦展中紛紛推出以最新技術3D NAND Flash打造的消費型NVMe SSD。除了前述的Toshiba 64層3D TLC NVMe SSD「XG5」系列外,威剛科技也於會中展出多款專為職業玩家設計的「XPG」系列電競用SSD。此外,創見資訊更於今年加入卡位,推出最新的3D MLC NVMe SSD「MTE 850」,期望搶占電競市場大餅。

然而,新型的NVMe消費級SSD也將面對諸如相容性或功耗表現等挑戰。由於市售來自各廠牌的PC系統、平板電腦、RAID、晶片組以及作業系統有近千種,製造商在產品上市前,應透過嚴格的相容性測試來確保其能在市場的多元產品組合下仍能發揮應有的功能與效能。此外,NVMe SSD有自動切換功耗狀態的功能,能使設備在不同工作需求下〈閒置/低度/中度/高度運轉〉切換至不同的用電模式〈Power Status〉,除了可提升移動設備〈筆電、平板電腦〉的續航能力,也為其電池帶來更長的使用壽命,對市場上的一般消費者來說,可謂尤其重要。但就像在相容性上可能遇到的挑戰一樣,NVMe SSD的不同耗電模式也可能因為與系統不相容而無法被準確辨認或驅動,因此,廠商應透過完整的功耗測試,來避免日後可能發生的消費糾紛。

 

結語

從今年台北國際電腦展的觀察中可看出,3D NAND Flash技術與NVMe的應用在不久的將來全面取代傳統2D NAND Flash、SATA Gen3介面後,SSD將以快速、穩定、耐用、大容量等特性與日漸平民化的價格席捲企業級用戶市場。在消費市場方面,全球電競熱潮也正帶動著SSD成為一般使用者必備的電腦周邊升級零件之一。未來,百佳泰還是會持續與SSDA各家廠商合作,用最專業的測試諮詢服務為您的產品把關,增加市場競爭力,與您一同迎接固態硬碟產品與技術的新時代。