SSD品質真相大公開 – 市售SSD專業測試評鑒報告

ssd_big 作為新興的儲存媒介,固態硬碟(Solid State Drive,SSD)這個名稱在業界與市場上都已不再陌生,具有高效能、低功耗、高耐受度及體積輕薄等特性,甫上市便成為眾所關注的焦點。然而在實際應用上,除了企業用(Enterprise)的產品線已開始逐漸普及之外,SSD對一般民眾而言仍是屬於尚在觀望階段的一項產品。而會令消費者望之卻步的理由,不外乎就是價格與品質。SSD以快閃記憶體(NAND Flash)作為儲存媒介,售價因此受其單價的波動牽制而居高不下,更遑論主要使用型態為SLC(Single-Level Cell),成本更是相對高昂;此外,SSD這類產品本身的品質可靠度與使用壽命始終啟人疑竇,平均故障間隔(MTBF)的不確定性使消費者不願以更高的代價購買一個產品壽命存疑又故障率較高的產品。

為了確認大眾對SSD的品質疑慮是否其來有自,百佳泰(Allion Test Labs, Inc)特別揀選市面上知名品牌的SSD產品進行實際測試,以瞭解這些產品在真實的使用情境中,是否真的出現品質或效能表現上的問題風險,百佳泰並將其測試結果加以比較並進行解讀分析,希望能以客觀中立的角度將現象呈現,以供相關廠商在產品開發時、以及消費者在選購時的參考之用。

Brand Name Model Name Firmware Size
Corsair P128 VBM19C1Q 128 GB
Crucial RealSSD C300 0002 128 GB
KINGSTON SSDNOW V C091126a 128 GB
SanDisk G3 60GB 1.00 60 GB
Corsair R120 1.0 128 GB
Intel X25-M 2CV102HD 160 GB
OCZ Vertex 1.5 128 GB
WDC SiliconEdge Blue 5.12 128 GB

在此次的測試實驗中,我們一共挑選了八顆知名品牌的SSD,包括Corsair、Crucial、Kingston、SanDisk、Intel、OCZ、WDC等國際大廠所出產的產品,其中Corsair包括兩款不同型號的產品。在測試方法上,則根據過去的經驗,從四個指標來檢視SSD的整體表現,分別包括可靠度(Reliability)、效能評估(Performance Evaluation)、效能穩定度(Performance Stability)、效能退化(Performance Degradation),並在各個指標中以實際測試所得出的結果進行三級分的評量,以A為優良、B為次之、C為尚待改進。

根據下表可以看出最終的評量結果,在八顆産品中以Intel與OCZ的這兩顆産品擁有最佳的品質。如何得到這樣的測試結果呢?請見以下的測試評估分析。

Model Reliability Performance Evaluation Performance Stability Performance Degradation Result
Corsair P128 B C C A  
Crucial RealSSD C300 C B B A  
KINGSTON SSDNOW V A C C A  
SanDisk G3 60GB B C B A  
Corsair R120 C B C C  
Intel X25-M A A A A clip_image003
OCZ Vertex A B A A clip_image0034
WDC SiliconEdge Blue B B B A  

評估指標一:SSD的可靠度(Reliability)

Category
Reliability
Item Surface of SSD SSD Status Data Integrity

衡量SSD可靠度的方式主要在觀察是否會有資料錯誤或漏失(Data Corruption/ Data Error/ Data Loss)的情形。作爲一個以儲存爲目的性的産品,其首重要務便是能正確儲存並保存資料,SSD也不外於此。在不同的使用情境、不同的溫濕度環境與不穩定的電源狀態下,對其資料保存能力都是挑戰。一旦資料發生儲存錯誤或檔案損毀、遺失的情形,對使用者來說損失可能難以估計。因此,SSD的可靠度便成爲本次測試實驗中的第一個評估指標。

在可靠度的評估指標中,又分爲三個面向,分別是SSD的外觀規格(Surface of SSD)、SSD的讀取狀態(SSD Status)以及資料完整度(Data Integrity)。在實際的測試實驗中,前兩個面向都沒有發現到明顯的異常狀况,外觀規格不僅多能符合規範,在與其他電腦相連接時,也都能從電腦主機端讀取到該SSD裝置。不過在資料完整度部分,除了KINGSTON、Intel和OCZ能正確保存所有資料外,有過半數的産品、也就是五顆SSD都出現錯誤的情形,也就是說在執行讀取資料並寫入到SSD的動作之後,SSD中資料發生錯誤而與原始檔案不符。

評估指標二:效能評估(Performance Evaluation)

Category
Performance Evaluation
Item Sequential 64K Read Sequential 64K Write Random 16K Read Random 16K Write Read/ Write Performance

SSD眾所皆知的一大優點便是宣稱資料能高速傳輸,因此在此我們便運用效能診斷工具,來模擬出不同的使用情境,並執行實際的評估測試。此次選擇的是16K與64K兩種大小的檔案來進行隨機(Random)與持續(Sequential)讀寫的測試,其中16K的檔案比較符合使用者一般存取的普通檔案大小,而64K則偏向影音媒體檔案的大小。此項測試的主要目的是在瞭解受測SSD在讀寫不同檔案時,其效能有如何的表現變化,其評估數字是以一百回的測試結果加以平均所得出。

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從上面的測試結果圖可以看出,八顆SSD的表現各不相同,其中以Crucial、Intel和OCZ的表現較佳,而KINGSTON和SanDisk的表現則略遜一籌。在64K持續讀取時,七顆SSD的速度旗鼓相當,僅有SanDisk的效能表現落後,99.24MB/s的速度僅達到其餘七顆平均水準的一半;在64K持續寫入時,以OCZ的SSD效能明顯領先群雄,而SanDisk的產品則同樣墊後。至於在16K隨機讀取時,僅有Crucial與Intel的兩顆SSD能分別達到181.99MB/s與204.38MB/s的表現,其餘均落在70MB/s以下;而在16K隨機寫入時,包括Corsair的R120和Intel、WDC的產品能有超過100MB/s的速度,SanDisk則只有11.62MB/s的成績。最後,再比較這八顆SSD的平均讀寫效能,則有Crucial、Intel與OCZ能達到60MB/s以上的表現,是比較突出的幾個例子。

從這樣的數據可以看出,每個品牌的SSD在不同使用情境下,都各自有極為不同的表現結果。舉例來說,Crucial的SSD在隨機16K讀取測試中,有第二佳的效能表現,但在隨機16K寫入測試中,卻成了所有SSD中的第五名,也就是說,它在處理讀取與寫入時的速度落差,相較於其他產品來的大,這樣的差異不僅使用者可以明顯感受的到,也代表著該産品必須再加强控制晶片對讀寫動作的運算處理。

評估指標三:效能穩定度(Performance Stability)

Category
Performance Stability
Item Performance Normal Distribution High/ Low Gap over mean Standard Deviation over mean

第三個評量SSD表現的指標則是SSD的效能穩定度,也就是說,SSD在執行每次讀寫任務時,是否都能維持相同或接近的表現水準,尤其是在經過長時間、大範圍與動態使用的狀態下,更特別容易見到SSD產生效能不穩定的情形。SSD的表現若能維持穩定,不但符合使用者期待,也同時能保障相應裝置像是系統端的運作使用。

為了得到更準確可靠的結果,我們分別從效能的常態分佈情形(Performance Distribution)、極端值之落差(High/ Low Gap)和標準變異數與離散程度(Standard Deviation over mean)三個面向來評估。

效能常態分布情形(Performance Normal Distribution

*Diagram of Normal Distribution Curve
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所謂的常態分佈,是指在所有統計資料中,數據落在標準變異數(亦即標準差,σ)之間的範圍比例。而在此所謂的效能常態分佈,指的就是所有測試結果的效能表現落點情形。若是每回合的測試結果距離平均數(μ)越接近與集中,代表效能越穩定;倘若每回合測試結果距離平均數越遠而發散,則代表其效能表現的落差較大而相對不穩定。以下圖Crucial C300與Corsair P128兩台受測SSD為例,藍色線段圖形代表每次測試回合的結果分佈情形,桃紅線段代表測試結果的累進情形,從圖中就可看出Crucial的效能穩定度較Corsair來的高(兩條線段圖形都較為陡峭),實際的測試狀況是,Crucial有93.8%的測試數據落在平均效能正負10%的範圍之內,相較之下Corsair則只有48%落在其平均效能的正負10%範圍。

*Crucial C300 *Corsair P128
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至於在所有的受測SSD中,則以OCZ的產品表現最佳,不僅有98.1%的測試結果落在平均效能的正負10%範圍,並且也沒有超出正負20%範圍的異常狀況。從下圖便可看出OCZ的效能表現的穩定程度,深藍色線段代表每一回合的測試結果,所有測試結果都顯示OCZ的讀寫效能落在紅色線段範圍(正負10%)內,並且明顯接近淺藍色線段(平均值),足見其效能表現每次都維持在一定的水準;相較之下,右邊Corsair的結果圖則可明顯看出差距,線段的劇烈波動代表著每次效能表現的差距極大,並不斷出現超出正負20%範圍的情形。總歸而言,檢視所有受測SSD的效能穩定度測試結果,除了OCZ的產品外,其餘七台都出現程度不等的穩定性的問題。

*OCZ Vertex *Corsair R120 *Legend
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極端值落差(High/ Low Gap over mean

極端值落差指的是同一顆SSD最好與最差的表現差距,當差距越大,也就代表著穩定性的不足。此次的評估標準是比較各顆SSD測試結果中領先群(效能表現前10%)與落後群(效能表現後10%)的平均值差距,來看出其穩定度上的不同。比較的方式包括絕對落差與相對落差,絕對落差指的就是領先群與落後群實際的數據差距,相對落差指的則是考慮了SSD平均效能大小的因素後,計算出數據差距所佔整體平均效能的比例,也就是數據差距除以整體平均效能的百分比。

在實際的測試結果中,尤以Intel與OCZ的兩顆SSD表現為最好。Intel的領先群與落後群之絕對落差為12.1MB/s,而佔整體平均效能比例的相對落差則是16.2%;OCZ的絕對落差更是僅有4.6MB/s,相對落差則為7%。除此之外,其餘六顆SSD都有落差值過大的問題,以Corsair P128為例,絕對落差為26.4MB/s,但相對落差則達到了整體平均效能的55%,也就是說在泰半的測試回合中,該顆SSD都有效能表現落差過大的問題。

標準變異數與離散程度(Standard Deviation over mean

此處我們再度採取應用統計學的方法,來瞭解SSD效能表現的,也就是看所有測試結果距離平均數的分佈情形。舉例來說,在SanDisk受測SSD的測試結果中,效能平均數(μ)為47.2MB/s,標準變異數(σ)為3.2,至於其離散程度(σ/μ)則為7%,也就是說多數測試回合的數據均落在其平均數正負3.2MB/s的範圍內,且這樣的差距範圍僅佔整體效能平均數的7%;而KINGSTON的效能平均數為32.6MB/,標準變異數為4.6,離散程度則達到14%,因此SanDisk的表現明顯優於KINGSTON。

在所有的受測SSD中,除了Corsair的兩顆SSD與KINGSTON的SSD以外,在這個項目都能有符合期待的表現,離散程度都落在2%到10%之間。

評估指標四:效能退化(Performance Degradation)

Category Performance Degradation
Item Performance Degradation Overall Performance

所謂效能退化指的是SSD隨著使用時間增長、與使用次數的增加、尚餘儲存空間減少等等因素,而導致效能的逐漸下滑。主要原因是由於若SSD控制晶片的TRIM與Garbage Collection設計未臻理想,無法適當的回收可用的空間,產品本身便無法讓資料有更大的空間可平均抹寫於SSD的各個儲存區塊(Wear Leveling),另外當SSD沒有預留足夠的備用空間(Space Provisioning)供運作滿載或資料量接近飽和時使用,也會產生效能退化的狀況。

*Example of SSD Performance Degradation
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效能退化的情況主要有兩種,一種是SSD的效能表現從開始使用後每況愈下,右圖便是這種情形的示意圖,在這個範例中,桃紅線段為SSD的各回合效能,規律的藍色折線則是剩餘容量的多寡,除了一開始能有高達200MB/s的速率外,從第20回的使用後便僅能達到75MB/s左右的速率。另一種情形則是隨著SSD中剩餘儲存空間的減少,速率也跟著下降,而當SSD中的儲存空間重新被釋放時,速率又會再度回到較佳的表現水準。

*SanDisk G3
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在此次的測試實驗中,KINGSTON與SanDisk都出現明顯的效能退化,並且都是屬於第二種情況。附圖便是SanDisk受測SSD在不同測試回合的效能變化圖,可以明顯看出,SanDisk G3的效能高低(深藍線段)隨著剩餘空間的多寡(淺紫折線)而有規律的起落除此之外,其餘SSD都沒有顯著效能退化的情形出現,整體的效能也未出現異常狀況。

最後必須一提的是,Corsair R120這台受測品在測試過程中便出現故障(malfunction),無法完成全部回合的測試,因此在可靠度、效能穩定度和效能退化程度上都被評為不佳。

全面驗證 打造SSD黃金品質

從前面的幾項測試可以發現到儘管同樣是SSD、同樣標榜著高效能,在表現上卻極為不同。以此次所設計的四項評估指標、共十三項標準觀之,眾品牌的SSD的表現可說是大相逕庭,也發現到許多不同程度的問題,這些問題對於SSD這項產品本身而言都是至關重要,必須加以改進與補強的,而這似乎也代表著這些品牌製造商對自家產品在前端的設計驗證階段,還需更下功夫。

SSD在現下的諸多科技產品中,仍是屬於較年輕新式的一種產品型態,由於其設計架構的複雜性,任何一個環節都有可能影響到SSD的產品效能表現、可靠度、穩定度等。再加上SSD的產品樣貌多變,可以內嵌於筆電之中、可以是外接的行動式消費性電子商品、更可以應用在企業級的儲存使用、或是應用於軍事用途,這些不同的用途都有各不相同的性能訴求,也就更需要合適的測試,來確保每個SSD產品表現是否能確實符合其使用目的性。根據百佳泰累積至今十數年的專業測試諮詢經驗,我們歸納出四個足以左右SSD品質與效能的關鍵,分別是控制晶片(Controller)、快閃記憶體(NAND Flash)、連接介面(Interface)和與應用面(Application)的結合,這幾個關鍵都分別能以不同的驗證方式,找出產品問題的癥結點,並進而確保SSD的良好品質。

*The Complexity Math of SSD Design
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市面上眾多品牌讓人眼花撩亂,雖然選擇眾多,但也使消費者不知如何正確選購合適的產品。百佳泰便希冀以本篇文章,用最宏觀的角度,指出目前一般消費者可能並未注意到的SSD品質問題,同時也希望這樣的測試結果,能提供廠商作為未來修正與研發的參考,讓這項產品的技術持續精進,消費者也才更能享受更高品質的產品。

附註:本文測試實驗中所選測之SSD為2010年中所購得,當時購買之約略市售價格如下表所示,僅供本文讀者參考之用。

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