SSD速度快慢的主因

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也許你像筆者仍然堅守著硬碟,認為固態硬碟進場時間點還沒到,甚至反而對固態硬碟硬碟更為有興趣。然而固態硬碟價格自去年中回穩之後,過去幾個月以來一再屢創新低,不時能見到特別促銷活動。你說這怎能讓人不心動呢!在付諸行動之前,舉如顆粒配置效能關係式,還有PCI-E介面卡式產品與RAID 0組建效益等,不妨先聊解再進行採購方向構思規劃。

更換料件實為業界常態

固態硬碟主要成本約7~8成來自快閃記憶體,然而同時擁有晶圓廠的廠商,數來數去就那約莫5家而已。其餘品牌隻能透過外購取得零組件,此看似稀鬆平常的商業運作模式,其實也牽動了商業道德問題。我們在網站所刊登「各大SSD廠商偷偷更換快閃記憶體顆粒、佈局,小心買到烙賽的SSD」一文,是為最好的範例。

廠商難處在於產品生命週期通常至少有2年,不容易在開案初期即評估出直到生產終止,總計需要簽約採購多少顆粒來庫存。就算學手機廠商搞飢餓行銷,控制出貨總量得以計算出來,備貨成本恐怕也會壓垮廠商。畢竟記憶體類產品價格變動頻繁,隨時會因供需失衡而大起大落,真實交易模式基本上如同期貨操作。

版本區隔標示是基本工

也因此,廠商通常會在必要的時候調整產品用料,其中又以快閃記憶體變動居多。然而固態硬碟有效能黃金比例因素限制,更換相近似規格顆粒,即便是不同廠商生產的也罷。就怕打亂原本開案設定好的效能組合,採用完全不同類型顆粒,甚至連顆粒配置數量都有異動,通常會導緻存取性能出現落差。

筆者認為,廠商的難處可以理解,更換料件亦屬於合理舉動。畢竟沒有廠商公開表示,產品採用哪種品牌、規格顆粒,沒有和法規相牴觸的問題。然而經常見到,廠商並沒有明確標示版本差異,連官方標示效能數據也懶得修改,這就很容易招人非議。我們比較樂見的作法,是如實的標示版本別,甚至更換新型號以正視聽。

顆粒配置關係式是簡單數學題

我們過去不時提及固態硬碟顆粒配置黃金比例,真要攤開來談會牽扯到控制器架構、快閃記憶體運作特性、顆粒結構類型,乃至於構成固態硬碟之後的功能性等多角關係。然而它其實沒有你想像中難懂,不過是簡單的數學乘除法,以及連連看邏輯觀念而已。

搭配組合令人眼花撩亂

現在隨手拆開任一2.5吋固態硬碟,十之八九都是完整尺寸電路闆,另外有極少數產品採用特規尺寸設計。隻在單面配置顆粒的產品,數量通常是8顆整,雙面配置的總和數量則多為16顆整,非8顆即16顆皆為偶數。如果你原本就知曉顆粒有ONFi、Toggle類型之別,那麼應該能立即計算出,配置效能變化式有4種。

雖然快閃記憶體封裝後都是黑壓壓的豆子,但本身又有TSOP與BGA封裝類型之別,這會讓變化式數量瞬間增加到8種。假使你還記得,我們先前還提過顆粒堆疊封裝這檔事,也會讓變化式數量隨之倍增。此外如同記憶體模式,亦有時脈規格之分,這也是重要的效能變數之一,到此已經足以讓人混亂。

數大便是美或許成立

究竟有幾種效能變化式組合,已經沒有去細究的必要,因為那不具有什麼實質意義。當大家望著固態硬碟電路闆,所謂內行看門道、外行看熱鬧,其實你也可以從新手進階為玩家。這邊先教大家一個基本的分辨原則,「數大便是美」此話難得可以派上用場,顆粒數量配置較多者通常是安全牌。

不過筆者要再次強調,固態硬碟效能黃金組合變數如前述,要考量的面向相當多,這隻是懶人辨識法而已。所謂安全牌並不表示效能絕對優異,相對意思應為代表地雷比較少,能降低誤觸烙賽產品的機率。雖然最終採購決策仍得視效能與價格而定,先搞懂這方面相關兩三事,你也可以自行決定最佳產品選擇。


如內文敘述,固態硬碟顆粒搭配組合有無數種,即便算清楚也沒有多大意義。簡單舉幾個常見組合為例,圖例產品顆粒分別是ONFi與Toggle類型,此外亦有TSOP和BGA封裝之別。雖然外觀上都是黑壓壓的豆子,其內部結構不盡相同,組合成固態硬碟的效能自然有別。


技術發展有物理限制

要談論顆類配置黃金組合,筆者試想從快閃記憶體基本結構切入,直探最為根本的部分或許會比較容易搞懂。快閃記憶體是由無數電晶體構成,在電路上排列井然有序,屬於矩陣的形式。矩陣(Matrix)是由列(Row)與行(Column)組成,將之想像為擁有眾多格數的書櫃/收納盒,就不難釐清和硬碟圓形碟片之差異。

當前19、20nm製程產品已蔚為主流,直接獲益的是在相同面積內,得以容納更多電晶體,相對而言就是容量提升。話雖如此,單一裸晶圓(Die)最大容量,目前也不過發展至128Gbit而已。換算下來為16GB,相較於3.5吋硬碟單碟片早已達到1TB,這般容量說來相當小。

廠商何不生產更大容量裸晶圓?追高(容量)代表得集結更多電晶體,然而半導體晶圓片(Wafer)為圓形碟片,生產時所有區域不可能完美無瑕。電晶體電氣特性不佳甚至損壞,是隨機散布在任一位置上,這物理限制相當難以人為控制。意味同尺寸晶圓生產不同容量產品時,真實良率會大為不同,將直接影響到成本。

堆疊是積沙成塔之計

基於這點因素考量,晶圓廠廣為採用堆疊(Stack)封裝技術,將2~8或更多個裸晶圓封裝在一起。常見標示方式為裸晶圓數量加上CE(Chip Enable),如2CE即代表是拿2顆相同容量裸晶圓共同封裝。這做法有內部線路布局的難度限制,會相對反應在成本上,因此無法盡情疊疊樂。

實際參考晶圓廠商產品型錄,當前量產最高容量顆粒為1Tbit(128GB),這總算是不小了吧!然而翻開細部資訊可發現,此等級顆粒屬於8CE規格,由8顆16GB裸晶圓堆疊封裝而來。固態硬碟實際常見顆粒是以2~4CE類型居多,單一裸晶圓以至多8GB容量為主,16GB目前隻有Crucial、Intel身先士卒採用。

堆疊封裝技術另外有個重點,聯外I/O(CE#與T/B#訊號控制腳位)數量隨顆粒封裝類型而不一,對於寫入速度有莫大影響。過去常見固態硬碟廠商採用TSOP(腳位僅48支)封裝顆粒,其結構隻有1組對外I/O,反觀逐漸躍為主流的BGA(腳位可達132個或以上)類型,依內部布線而定可以有2~4組之多。

速度其實比想像中慢

聯外I/O數量何以影響寫入速度呢?如前面提過關鍵字「矩陣」,Die(晶圓)內部電晶體組織規劃,基本為Page(頁)、Block(區塊)、Plane(儲存矩陣)。藉由行與列的排序,將最小儲存單位Page,每數個集合成1個Block,最終構成龐大的資料紀錄矩陣。各層級實際組成數量,視廠商設計規格而定,沒有絕對值。


其資料存取動作,是將來自I/O控制器的指令送進位址暫存器(Address Register),然後提供給列、行解碼器(Row、Column Decode)進行解碼,以便在這偌大矩陣內找出目標位置。礙於內部電路控制因素影響,讀取作業時間可小至100µs以內,寫入卻可能達到1000µs以上,動輒至少相差超過10倍。

這時間落差即為訊號延遲,時間短代表在同一時間單位內,可量測、換算出來的速度值比較高。簡而言之,快閃記憶體有讀取快、寫入慢這特性,廠商因應之道,是在Block之上再設計了Plane結構層。其作用和多組I/O堆疊封裝相似,得以讓控制器先將資料拆分,然後再同時寫入到儲存單元內,藉此改善存取效率問題。

資料傳輸速率如頻寬

除了前述關係式外,快閃記憶體的資料吞吐量設計規格,亦會左右效能表現。目前顆粒大緻上可區分為ONFi、Toggle這兩大類型,前者支持廠商以Micron與Intel為主,後者則有Toshiba、SanDisk、Samsung等。ONFi當前規格已開至333MTs/,Toggle最高則是達400MT/s,其單位MT/s是表示資料傳輸速率。

不過得留意,快閃記憶體有同步(Synchronous)與異同步(Asynchronous)之別,兩者資料讀寫傳輸差距達數倍。以ONFi類型200MT/s規格顆粒為例,這是指同步模式理論上可達200MT/s,非同步則是隻有50MB/s。顆粒所標示速率規格,我們可以視之為通道頻寬,以相對應換算單位MB/s來看。

平行處理以提升速度

行文至此,簡單隨便列舉個範例,來看固態硬碟是如何存取這龐大矩陣。假設某一64Gb顆粒具有4096個Block,結構是每2048個Block組成共2個Plane,而每個Block又有256個Page,意味總共有1048576個Page。假設固態硬碟共配置16顆規格顆粒,那麼Page總數量將達到16777216個之多。

這些為數眾多的Page,固態硬碟到底是如何控制存取呢?其運作模式為平行分散處理。基於損耗平均技術(Wear Leveling)機制考量會將資料拆分,再藉由各個可用資料傳輸通道,同步分散寫入到各顆粒內。這運作模式相似於RAID 0架構,固態硬碟各資料傳輸通道,相當於組建RAID 0使用的儲存裝置數量。

表定通道數量是基本值

當前主流消費性控制器,無論是Marvell或LSI SandForce等品牌,普遍為8通道設計,每個通道最多可以控制2顆1~4CE類型顆粒。我們不用拘泥於真實通道數量這點,簡單將控制器通道、每個通道配置顆粒、聯外I/O等全數相乘,所得結果姑且稱為視在通道數量。

例如8通道控制器、每個通道2顆、2CE顆粒,計算下來即相等於32通道。在平行處理基礎下,意味控制器與快閃記憶體之間,同一時間點內可以利用的資料存取管道多達32個,會有利於提升存取效能。對消費者而言,顆粒配置這關係式用乘法來看,其實並不難理解。


[圖擷取自網路,如有疑問請私訊]

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