前进COMPUTEX 2017─迎接固态硬盘的新时代!

固态硬盘(SSD)已是目前储存产品市场的主流新技术,在今年台北国际计算机展〈COMPUTEX TAIPEI 2017〉储存产品专区中,我们可以发现自从2016年市场上使用3D NAND Flash技术搭配NVMe应用的产品不断增加后,SSD迈向了新纪元,将以更大的容量、更高的效能与更低的单位储存成本逐渐取代着传统硬盘〈HDD〉。深耕储存产品测试领域多年、同时身为中华民国固态磁盘技术推广协会(Solid State Drive Alliance,简称SSDA)成员的百佳泰,将在本篇文章中探讨最新3D NAND Flash的技术应用与传输界面〈ex: SAS/SATA〉大量改采PCIe/NVMe后对SSD市场造成之影响。

3D NAND FlashPEI-e/NVM-e的革命性突破

在SSD的内部构造中,闪存芯片颗粒是决定产品成本、使用寿命与读写速度的技术核心,共分为SLC、MLC、TLC三种类型。一般而言,SLC有着最快速的程序编程与读取、使用寿命最长〈可抹写次数最多〉、价格最高〈单位成本储存容量较低〉,主要用于一些高端的军工规或企业级SSD;MLC的速度、寿命、价格适中,是目前中高阶企业级SSD的主流应用趋势;而低价SSD则普遍采用TLC颗粒,容量较高且价格相对低廉,但在性能、稳定度与使用寿命上却略显不足。

在2016下半年度各大品牌开始采用可垂直堆栈数层储存数据的3D NAND Flash技术使单位储存成本大幅下降后,SSD便突破传统平面式闪存的物理极限,扩大了以往因顾及生产成本而受限的容量规格。举例来说,威刚科技于COMPUTEX 2017中华民国固态磁盘技术推广协会〈SSDA〉摊位所展出的「SU900」SSD,就是利用3D NAND Flash技术开发的产品,使其即便在使用MLC颗粒的状况下,也可达到2TB的超大容量。

此外,3D NAND Flash制程技术也让TLC SSD的可抹写次数有所提升。在2D NAND Flash技术的时代,提升SSD的容量是要靠着微缩每个储存单位,来增加储存密度。然而微缩储存单位的作法,却也令SSD的可抹写次数降低,造成容量较大的TLC SSD在耐用程度上,远远不及SLC/MLC SSD。但在3D NAND Flash改采垂直立体的堆栈方式来扩增容量后,每一层储存单位微缩程度不需太大,使TLC SSD能在保持低廉价格的同时,也逐渐减少与MLC SSD在使用寿命上〈可抹写次数〉的差距。

而NVMe的应用更让SSD突破了传统SATA Gen3的最大带宽限制,如SSD龙头之一的东芝(TOSHIBA)于今年COMPUTEX在百佳泰摊位上首度曝光的「XG5」系列消费级NVMe SSD,除了使用领先全球的64层3D堆栈技术使其在NAND  Flash芯片体积不变的情况下容量提升至1TB,更运用PCI-e Gen3 x4 通道,NVMe Revision 1.2.1,使「XG5」的连续读取、写入速度大幅提升至 3,000 MB/s 和 2,100 MB/s。这样的连续读取效能已是传统6Gb/s SATA接口的5.4倍,连续写入速度也快了3.8倍。

技术革新对于企业级SSD用户之影响

以上提及的3D NAND Flash新技术让单位成本下降;NVMe的应用加大了带宽的使用,将使过去因成本考虑而未使用SSD、或目前是以HDD和SSD互相搭配使用的用户、增加升级现有硬设备之意愿。举例来说,网络交易次数频繁的商家可藉由购入SSD来加快服务器〈Server〉的数据处理速度以减少用户的等待时间;或利用SSD较稳定、耐用的特性来减少企业的总持有成本(TCO)。可以预见未来在企业应用面上,SSD将逐渐分食HDD市场。

然而,市面上的企业级SSD、服务器操作系统、及硬设备种类可说是五花八门,使用者在面对以上各项主要对象相互搭配时,SSD是否会发生效能降低、错误率上升、或甚至无法驱动等兼容性问题,是各大厂商都需面临的挑战。在各式Server平台运作时的应用程序Workload表现也考验着这些新型的企业级NVMe SSD。以网络交易平台主要使用的Database Server为例,由于同一时间将有「多位使用者」在「同个交易平台网站」上消费,事务数据是以随机方式大量产生的高负载状态,NVMe SSD能否维持其快速的Random Read/Write IOPs,便是Database Server使用者相当重视的效能。

此外,企业用Server对其选购的SSD能否维持长时间的稳定运作也相当重视,一般来说,我们可以透过稳定性测试〈Stability Test〉来了解SSD的稳定性。在以下的测试案例中,我们对两种相近规格〈A厂牌v.s. B厂牌〉的企业级NVMe SSD在相同的服务器与操作系统中,创造9种不同的数据负载量〈由高负载到低负载依序为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〉来了解A牌与B牌SSD在连续五次运转过程中的反应延迟时间〈Latency〉。

 

A牌企业级NVMe SSD

B牌企业级NVMe SSD

从上表可以看出,A牌SSD在连续5次处理9种不同数据量的过程中,反应延迟时间短且稳定〈介于0.02-0.1毫秒间〉,图形因而呈现着较为平稳且无太大波动的状态。反观B牌SSD不但平均反应延迟时间较长〈介于0.05-0.2毫秒间〉;同种数据负载量在不同回合所需要的反应延迟时间差异也较大〈ex:观察连续五回合的紫色十字状定点联机而成的曲线图,在第一回合只需0.05毫秒的反应延迟时间,却在第二回合需要0.2毫秒〉,图形因此有着较大的波动。藉由上述的测试报告,企业级SSD制造商可更全面的了解其产品质量在市场上的定位针对弱点加以改进来增加市场竞争力。

事实上,3D NAND Flash技术与NVM-e的应用除了将使企业用SSD需求大幅提升外,对消费市场上的一般使用者亦影响深远。

 

SSD抢搭电竞热潮,进攻一般消费市场

新世代玩家对于游戏感官刺激及内容丰富度近乎苛求,造就了高规格电竞PC及其周边升级零件市场的大幅度成长。过去,玩家由于对SSD的价格、质量与效能尚有疑虑,会选择优先升级核心零件如CPU、内存,或显示适配器等来提升其PC效能。然而对于配备已非同日而语的现代玩家来说,整体的游戏流畅度,除了游戏在执行中是否会递延〈lag〉外,另包括安装、启动游戏、及过关加载其他场景的时间也渐受重视,而SSD在这些面向的数据处理速度上,是远远超越传统HDD的,消费者也因此对SSD有越来越高的期待。

关于SSD以及HDD两种硬盘在游戏执行时的表现,我们也透过以下测试结果来加以分析,测试的样本分别为一HDD以及不同厂牌、规格之SSD来执行,两种硬盘皆安装了最低需求容量40GB的热门第一人称射击游戏Call of Duty: Ghosts来了解其在效能上的差异: 

由上表可知,基本安装容量需求40GB的游戏在传统SATA Gen3接口HDD〈蓝色直方图〉和四种不同厂牌之SATA Gen3 SDD(红、绿、紫、灰色直方图),在安装时间上平均差了2倍以上(19分钟v.s. 平均7分钟);与最新NVMe Gen3 x 4 SSD(橘色直方图)更相差将近10倍(19分钟v.s. 2分半钟),更遑论日后更高容量需求的游戏大作,高容量游戏在HDD硬件上执行,必定会较SSD硬件的数据加载时间更长,进而会影响到使用者体验。

看准这股对于SSD需求的趋势,各大品牌也在今年的台北国际计算机展中纷纷推出以最新技术3D NAND Flash打造的消费型NVMe SSD。除了前述的Toshiba 64层3D TLC NVMe SSD「XG5」系列外,威刚科技也于会中展出多款专为职业玩家设计的「XPG」系列电竞用SSD。此外,创见信息更于今年加入卡位,推出最新的3D MLC NVMe SSD「MTE 850」,期望抢占电竞市场大饼。

然而,新型的NVMe消费级SSD也将面对诸如兼容性或功耗表现等挑战。由于市售来自各厂牌的PC系统、平板计算机、RAID、芯片组以及操作系统有近千种,制造商在产品上市前,应透过严格的兼容性测试来确保其能在市场的多元产品组合下仍能发挥应有的功能与效能。此外,NVMe SSD有自动切换功耗状态的功能,能使设备在不同工作需求下〈闲置/低度/中度/高度运转〉切换至不同的用电模式〈Power Status〉,除了可提升移动设备〈笔电、平板计算机〉的续航能力,也为其电池带来更长的使用寿命,对市场上的一般消费者来说,可谓尤其重要。但就像在兼容性上可能遇到的挑战一样,NVMe SSD的不同耗电模式也可能因为与系统不兼容而无法被准确辨认或驱动,因此,厂商应透过完整的功耗测试,来避免日后可能发生的消费纠纷。

 

结语

从今年台北国际计算机展的观察中可看出,3D NAND Flash技术与NVMe的应用在不久的将来全面取代传统2D NAND Flash、SATA Gen3接口后,SSD将以快速、稳定、耐用、大容量等特性与日渐平民化的价格席卷企业级用户市场。在消费市场方面,全球电竞热潮也正带动着SSD成为一般用户必备的计算机周边升级零件之一。未来,百佳泰还是会持续与SSDA各家厂商合作,用最专业的测试咨询服务为您的产品把关,增加市场竞争力,与您一同迎接固态硬盘产品与技术的新时代。