百佳泰全方位SSD品質與效能驗證 為IPC服務再升級

工業級電腦(Industrial PC,簡稱IPC)近年來已廣泛運用在軍事、車用、遊戲、航空、醫療、通訊以及伺服器設備等各項產品,據市調機構Gartner分析,2014年工業級電腦全球出貨量一千兩百萬台,預估至2017年出貨量將直逼一千五百萬台,短短三年之內成長了25%,IPC前景一片看好。

在全球經濟體系佔有一席之地的中國市場,自90年代始積極投入IPC市場,相關企業如雨後春筍般地湧現;中國政府近年來著重基礎建設,影響中國IPC市場開發深遠,我們從圖示一:中國和全球市場IPC發展比重,發現中國和全球發展重心大相逕庭,中國方面投入鐵路與基礎建設和能源比重最大,醫療設備較稀少。2014年中國政府已計畫在36個城市推動鐵路系統,採用IPC業者研發製造的旅客訊息系統(PIS:Passenger Information System),估計目前各大城市的鐵路系統投資約人民幣5億七千萬元,金額不容小覷。

圖1_中國市場 圖示一:中國及全球市場IPC發展比重,來源:金勝電子2014 SSDA技術研討會報告

在IPC儲存媒介方面,其中以固態硬碟SSD技術之穩定度佳、使用壽命延長、無機械結構性問題、高速讀取功能等諸多優點廣受IPC廠商青睞,連同帶動成本價格下降,SSD取代傳統硬碟(HDD)已逐步成趨勢。我們可從Gartner提供的數據得知,SSD在工業自動化(Industrial Automation)應用之出貨量由2014年的八百萬台成長至2017年的一千兩百零九萬台規模,平均容量由22.7GB擴充至57.7GB(圖示二:2013-2017 IA SSD數據),透過持續性的市場拉力以及技術推力,SSD儼然已成為IPC市場的新寵兒。

圖2_Industrial SSD Shipment Forecast 圖示二:2013-2017 IPC SSD數據,來源:Gartner

深耕SSD領域多年的百佳泰,將透過本篇文章深入淺出介紹SSD在IPC發展之應用及趨勢,期望透過百佳泰SSD全方位品質、效能驗證與客製化服務,為IPC服務再升級。

SSD技術趨勢分析及測試解決方案

在SSD硬體材料成本(BOM Cost)中,快閃記憶體(NAND FLASH)占總成本的百分之九十,快閃記憶體可分為幾種不同的技術,其中SLC(Single-Level Cell)技術的優點為傳輸速度快、可抹寫次數最高、功耗低,然而每個單位儲存資訊較少,須花較高成本生產;MLC(Multi-Level Cell)可以在每個儲存單元內儲存較多資訊位元,可降低生產成本,但傳輸速度較慢、可抹寫壽命較SLC低、功耗高。目前IPC廠商在製造方面,低容量產品採用SLC技術為主,而中高容量都轉往採用MLC技術,成本是廠商重要考量關鍵之一。

隨著微型化趨勢,SSD不斷被應用在新興產品上,NAND FLASH製程技術也從3X奈米發展至2X奈米乃至1X奈米,成本結構雖不斷下降,然錯誤檢查及校正數(ECC:Error Checking and Correcting)卻上升,抹寫次數(P/E Cycle: Programming/Erase Cycle)也隨之降低,尤其以MLC出現的問題尤其嚴重,請參考圖示三:SLC、MLC P/E Cycles和ECC bit。不少IPC廠商針對MLC Flash的耗損平均技術(Wear-Leveling)演算、ECC等問題研發出相關解決技術,以提升產品的表現能力,並可延長SSD使用的壽命。

圖3_SLC, MLC PE Cycles和ECC bit 圖示三:SLC、MLC P/E Cycles和ECC bit

除了解決MLC問題之外,廠商也致力研發另一新興技術iSLC或稱A+SLC,藉由調整韌體以延長約10倍的MLC壽命,傳輸效能及重複抹寫次數穩定度直逼SLC,價格介於SLC與MLC之間,CP值較傳統MLC高。

儲存裝置的傳輸介面,隨著傳輸速率與頻寬需求,由早期PATASATA ISATA IISATA III,一路發展至PCIe Gen IIPCIe Gen III。封裝大小更隨著智慧型手機、平板電腦等體積輕巧的裝置盛行,SSD朝向更高速、低耗能、微型化發展,從2.5”、Half Slim、M.2、mSATA至uSSD、CF(CompactFlash)卡等SFF(Small Form Factor)SSD產品,發展更加多元化。

工業級SSD通常因其作業環境特殊(譬如耐震、防塵、溫度忍受範圍等),在品質及穩定度方面,相較於消費性SSD其要求更加嚴格。百佳泰歸納了四大項IPC SSD考量重點,提供給相關廠商參考以檢視SSD品質。首先需注意的是韌體可靠度,例如讀寫效能、斷電資料流失問題、低溫和高溫是否容易造成記憶體訊號衰竭等。第二項考量為軟硬體相容性,一個富有彈性的SSD設計,必須能和不同系統平台、作業系統﹝Windows、Linux等﹞以及應用軟體高度相容;第三,快閃記憶體的品質與壽命,無論晶圓片區塊挑選、製造以及相關技術皆會影響記憶體品質;最後是和整體SSD品質有關,包括介面傳輸速度、是否具EMI/ESD的PCBA設計等。第一點及第二點以軟韌體面向切入,第三點和第四點則和硬體相關。

針對工規SSD,百佳泰特別開發了相對應之驗證,基本硬體測試含蓋DDR記憶體訊號管理、NAND FLASH管理測試、電源消耗測試、零組件驗證以及匯流排介面測試。電耗測試包含睡眠模式(idle、devslp等)量測、4K隨機讀取/寫入,64/128K連續讀寫耗電量測;零組件驗證(Component Validation)如溫度量測(Thermal Measurement)、背動元件額定值衰減測試(Capacitor/Resistor/Inductor De-rating Test);另外,匯流排介面(Bus Interface)相關之實體層與協定層測試、Logo相符性及插拔測試也是重點之一。

韌體可靠度測試包含電源中斷時資料保護(PLP, power loss protection Test)測試以及抹寫壽命(P/E CYCLE)測試,為預防快閃記憶體轉換層(Flash Translation Layer)毀壞、氣溫影響亦或是不良ECC設計造成資料流失等潛在危機發生,這時需要靠長時間壓力測試(Stress Test)以及壽命容忍度測試(Endurance Test)以確認SSD是否具備強韌的保護機制。關於整體效能測試,百佳泰可提供最基本的測試工具,譬如CDM(CrystalDiskMark)、AS SSD Benchmark、HD Tune、ATTO Disk,I/O效能評測工具如IO Meter、VDBench以及微軟StorScore等。另可藉由百佳泰使用者經驗小組,設計不同情境及提供考量因素,協助驗證並解決軟硬體相容性問題。綜合以上硬體、韌體及軟體全方位之驗證服務,我們更期望未來能夠結合硬體廠商研發之SLC/A+ SLC技術,發揮韌體驗證之附加價值。

現今IPC朝向雲端服務發展,SSD開始取代HDD擔任起企業級雲端伺服器的儲存核心,以其更快速的傳輸速度、IOPS﹝I/O Per Second﹞、延遲時間﹝latency﹞提供企業級應用如檔案管理、即時訊息、串流媒體、電子郵件、企業及資訊系統,甚至結合線上購物等多功能角色(參考圖示四:企業級雲端應用),其效能與可靠性需求較消費性SSD,需要更複雜的技術及驗證。企業級效能測試包含以資料庫線上交易(Database OLTP Benchmark)為主的MySQL測試,虛擬化技術的VMware、VMmark、SPECvirt、Login VSI測試以及雲端服務測試YCSB﹝Yahoo Cloud Service Benchmark﹞,若欲得知更多企業儲存設備資訊,請參考百佳泰技術文章:企業級儲存設備(Enterprise Storage)運用趨勢與效能評量驗證

圖4_Virtualization 圖示四:企業級雲端應用

SSD儲存技術以其穩定度佳、使用壽命延長、無機械結構問題、高速讀取功能等諸多優點廣受IPC廠商青睞。在整個IPC發展歷程,SSD已蔚為主流解決方案。百佳泰SSD驗證團隊能夠洞悉SSD主流市場、掌握關鍵技術,不但可提供IPC SSD相關測試服務,更結合市場行銷知識為您提供最完整的產品競爭分析報告。透過每年固定和國際大廠新品測試驗證及技術諮詢,我們不斷提升之技術能力能協助潛在客戶設計改良建議,並提供客製化服務,百佳泰全方位SSD品質及效能驗證服務,為您的IPC再升級。