SSD冲击效应(二)

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有个不成文的经验法则，凡是机构碰到半导体，就是遇到绝命刀。半导体很可怕，因为它的价格滑落速度，就如同云霄飞车，心脏不够强，就不要自寻死路。ssd固态碟为何今日如此红，当前正夯，通吃开放性与入式系统。来看价格与应用便知个中奥妙。以1GB的平均价格来说，2007约是7.4美元，2009则是滑落到1.25美元。若是掉落曲线依然维持不变，2012年就会降到0.15美元。不要说硬盘，就连光盘也会咧等。这股SSD的原动力，就是半导体的先天本钱，它能够终结掉硬盘，让硬盘从此停止转动吗，本文就尝试从技术面与市场面的分析来推演吧!

根据储存装置厂商的说法，采用SSD之后，验证磁盘阵列的处理性能，大幅提升。诸如银行存折的数据库、证券公司的系统、航空铁路交通的定位系统等，在同一个时间内，会集中大量的存取。将负担重的处理，分配给SSD，不但解决了问题。消耗电力的节约以及装置摆设空间的节省，都是额外带来的好处。

美商升阳于2008/11发表服务器用途的“Sun Storage 7410”储存系统，也搭载了SSD。不过，它的使用方法略有差异。它并非来完全来替代硬盘，而是作为“高速缓存”的用途。也就是定位于主存储器DRAM与硬盘之间的位置。

利用SSD来作为快取的好处是可以使用较便宜的硬盘。过去，升阳的服务器系统采用高价的SAS(Serial Attached SCSI)或是Fiber Channel高速接口与高回转数对应的硬盘。有了SSD的快取，就可以选用低廉的SATA硬盘了。

而个人计算机业者，认为商业用途的笔电，SSD乃是最佳的拍。日商Canon于2009/1推出的iVISHF20摄影机，内建32GB的NAND型内存，小型薄型化又向前迈进了一大步。

若是依照这种价格滑落的重速度，当25GB可以用3.75美金左右来实现时，蓝光就要危机上身了。那么危机感最重的硬盘厂商，该如何来求活路呢?硬碰硬，肯定死的很难看，打不过它就拥抱它。没错!就是进入这个产业混。

2009年3月，硬盘商WD(Western Digital)就采用老美一贯的固定招式，买收了SSD的厂商SiliconSystems。

2008年11月，日立HGST发表与英特尔共同合作开发服务器用途的SSD。具体地说，就是拥有SAS、Fiber Channel接口的SSD。

由于SSD毫无机构部材，如何朝超小型化的高密度实装技术，也有一股动力来驱驶。以东芝为例，以半导体封装1.8min×14mm的封装来实践一个128GB；如此的安装面积可以说是仅有1.8英寸硬盘的1/15而已。若是使用16颗来制作1.8英寸的SSD，那么，容量就可以高达2TB的梦幻境界了。

注：这个超小型的SSD。是用容量32Gb的NAND芯片积层32枚来实现的。

难道，集三千宠爱于一身的SSD，是不败神话吗?金钟罩中是否有“数字落穴”呢?

SSD的高度期待与深度不安

好的一面谈的差不多了，该来面对一个血淋淋的现实面问题，寿命的矛盾情节。

半导体制程微细化以及多值化的手段，带来平均容量价格的加速滑落，却也带来一个万万没想到的致命后遗症。

2004年-2005年，开始量产的90rim制品，根本几乎没有人会去怀疑NAND型内存的信赖性。重复写入回数约10万回，数据的保持时间约10年。

在2005年-2006年70nm的世代技术4Gb制品，NAND型闪存的重复写入回数也可以维持约10Zi回，数据的保持时间约10年。2007年开始量产50nm的16Gb(2Bit/Cell)，却发生了变化。重复写入回数约1万回，数据保持时间减少到约5年。这个质量滑落的原因在于额外制程范围(Process Margin)的减低以及多值化的采用所引起的。从这个经验来判断，2008年40nm世代的32Gb产品(2Bit/Cell)，重复写入回数可能仅有5000回，数据保持时间减少到约3年。到了3Xnm世代(2Bit/Cell)，可能就在3000回、1年数据维持时间罢了。

注：2009年2月，东芝与Sandisk于ISSCC发表共同开发64Gb的NAND型内存，43nm之CMOS制程。多值化4bit/cell。

还好，以上这些数值是代表NAND的数据保持时间，并非直指SSD的寿命。

透过SSD控制LSI，对内存单元之间的写入做均等化(Wear Levelinng)的处理，也就是耗损平均化，加上ECC错误订正的处理，也就能够延伸SSD的使用寿命。当然，事情并非那么简单，控制器的算法加上OS操作系统的工夫，也是不可或缺的一环。而SSD存在这个潜在的致命伤，也就是写入回数的寿命问题。该点正是SSD与HDD的迥然不同之处。 要去解释这个生命周期，其实并不困难，可以从闪存的构造来找出答案。NAND闪存的数据写入并非直接对Page写入，而是经由消去(ERASE)、写入(PROGRAM)等两个阶段的动作。

在“POLY1FLOATING GATE”注入电子，抽离时会维持数据。浮动闸极(Floating gate)没有电子的状态为“1”，电子注入的状态为“0”。所注入电子会因为Tunnel Oxide的氧化膜(绝缘膜SiO2)，即使电源拔离，仍能保持。因此，当不停反复在浮动闸极注入电子，氧化膜长久之后会劣化。这就是闪存重复写入的上限所在。

再者，消去(ERASE)、写入(PROGRAM)的单位可能不同。消去是以区块(Block)为单位，写入是以页(Page)为单位。实际上，页之大小，区块空间是依据闪存的种类有不同。最为简单的范例即是2Gb的SLC NAND闪存芯片。一页的大小为2KB(2048字节的数据区加上64字节的备用区，共2112字节)。区块大小为64页，一个芯片有2048个区块。

注：SLC(single-Level Cell)。一个记忆单元只存放一个位(两个状态)。

MLC(Multi-Level Cell)，一个单元可以存放多个电位状态。以2位为例就是00、01、10、11等四个状态。

目前采用闪存作储存媒介的嵌入式系统，皆希望其效能可以追赶上传统式硬盘(HDD)。许多产品在运作时需要大量读写，因此对于闪存的产品寿命特别重视。闪存的缺点，在于有写入/抹除消去次数的限制，因此这些嵌入式系统的产品寿命，与闪存使用模式和写入/抹除消去的次数息息相关。

一般用来延长闪存预期寿命的方法，即是耗损平均(Wear Leveling)，又可以称为平均抹写储存区块技术，也就是将写入回数平准化的技巧。将每个区块的 磨损状况平均化，可以延长产品的生命周期，来符合系统的需求。

有些SSD开始对应Windows 7的Trim命令，性能提升到200MB/sec～260MB/sec之间。

SSD矛盾情节的解决战略对策

因应制程技术微细化以及多值化带来的质量问题，必须集结OS、控制器、NAND型内存、高速缓存等厂商的群体智能。

从OS操作系统的角度来观察，当前的窗口操作系统如XP、Vista，对于SSD仍将视为HDD储存装置，以硬盘最适化的处理来对SSD实施，好比说硬盘的碎片整理(De-fragmentation)。这个动作是对于硬盘拥有无限制的写入动作为前提的，将分散的数据做位移。但是对于SSD意义不大，徒然增加写入次数而已。

因此，新的OS可以针对SSD来做最适化的处理。不会执行重组的动作。对于扇区(Sector)的空间大小，也能够针对SSD做最好的处理。

譬如说，OS的档案管理单位为512B的扇区大小；而NAND型内存的页(Page)大小为4KB或是8KB。故，OS该有机会去调和两者之间的差异。

对于SSD业者来说，也许就必须从设计工夫来下手，提升信赖性。最为有效又快速的做法就是增加容量规格的额外冗长领域(Redundancy)。比如美商STEC针对服务器以及磁盘阵列的应用，提供如此的方式。(日立于2008/12发表的磁盘阵列就是采用STEC的SSD。)

STEC的做法是将容量73GB的SSD搭载128GB的NAND型内存来实现。用户领域之外的55GB，作为耗损平均(Wear Leveling)用的领域，也是不良区块的替代领域。同时，为了要求极高度的信赖性，还特意经过严厉的预烧(Burn-in)测试，组装后的SSD经过24小时高温环境的通电试验，将不良的区块彻底洗出来，将不良区块多的内存组件替换才出货。写入回数确保200万回。如此多的历程当然会降低产出，多出来的冗长领域也增加了不少的组件成本。不过其用途是针对高信赖性的用途，价格压力价低。

控制器LSI，为了提升SSD的信赖性，传统是实行耗损平均以及不良区块的管理。这类处理的演算方法持续在进化中。可以判断是ECC错误订正的强化，用来对抗微细化与多值化带来的错误位数。以90hm一70nto的世代的1bit/cell来说，平均512B为一个位。大意是说512B的数据中，1个位的错误修正。到了50nm的世代，1bit/cell的制品需要1～4hit/512B，2bit/cell的制品需要4～8bit/512B的ECC。

若是到先端的40nm世代，1bit/cell的制品需要4bit以上/512B，2bit/cell的制品需要8hit/512B的ECC。依此类推，当进化到30nm或20nm的异世代，3～4hit/cell高值化的时候，就需要非常强而有力的ECC才行。

提升SSD的信赖度，还有一块领域需要加速改进。那就是高速缓存(Cache)。当前，多数的SSD多是采用DRAM。有一派的观点是以FeRAM、MRAM、PRAM等非挥发性的内存来替换。所抱持的理由是目前的窗口操作系统，为了抑制系统挂掉的最小限制下，在极短的时间间隔发行Flush Cache Commands，这个高频度命令的发行就是带来频繁的写入动作，信赖度就往下滑落了。解决的方法之一，就是采用非挥发性的内存。就算系统挂掉，数据也不会遗失，能够回复到挂点之前的状态。也就是完全可以忽略掉Flush Cache Commands。依据东芝的试算，若是采用FeRAM来替换DRAM，SSD的写入效率约提高两倍。换句话说，可以写入的次数，提升了两倍。而且，间接地消耗电力也节省了30％。目前，SSD的快取容量约为32MB(256Mb)的程度，若以FeRAM当前的容量能力，还要加一把劲。

注：FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)，利用强诱电体材料性质的存储组件。

注：MRAM(MagnetoresistiVe Random Access Memory)，磁电阻式随机存取记忆。是指以磁电阻特性储存记录信息的非挥发性随机内存。NEC倾向SSD运用MRAM。

注：PRAM(Phase Change RAM)，相位变化内存。尔必达(EIpida)以及瑞士商Nu-monyx的见解倾向SSD运用PRAM。 统合集结了这些技术，方向一旦确立之后，厂商们寻求的高目标，是写入次数100万回甚至一亿回的研究。美商Micron预计推出的“Enterprise NAND”，写入次数达100万回。东京大学的研究团队预计在2009Symposium on VLSI Technology/Circuits发表成果，写入次数可能达一亿回。这些技术的底细，很难获知。

结语：

就当前的技术情况来说，诸如基干系的服务器或产业机器等要求信赖度极高的场合，选择该是1bit/cell的制品，数据的保存时间10年以上。

而像携带式音乐播放器、随身碟等低价产品的应用，3bit/cell的超多值技术，该是最佳最棒的选择。

而在选择SSD之际，最为困扰的该是笔电、摄影机、相机、PND这类属性介于中间的产品。当前，笔电厂商正在检讨最新4Xnm世代的2hit/cell，是否可以取代HDD。以东芝的试算维例子来看，假设128GB的SSD，可写入回数3000151，SSD全体写入总位量为128GB×3000/1.5=256TB(1.5为东芝考虑的写入效率)。

而PC用户一日的写入数据量约为20GB的程度。那么，估算的SSD寿命该是256TB/20GB/365日=35年左右。笔电用户的替换周期时间，大约是5年。因此，从这些实质面来看完全是行得通的。不过，毕竟这是试算，SSD的信赖性还是必须控制LSI-OS-内存等总力的集结，才能够完全却保SSD的信赖度。

有此来看，硬盘虽然面临停止转动的危机，不过，它的价值与成长空间还是存在。HDD与SDD的完美互补，各司其职，消费者就有福气啦。

补充：

在PCle接口的NAND方案，英特尔称为Robson技术。