B9f64a7ee4decb6e4100c6541f367487 一顆SSD主要是由主控制器、DRAM緩衝記憶體、快閃記憶體所組成的,掌控SSD讀寫運作的主控制器,可以說是SSD的大腦中樞,搭配它運作的DRAM緩衝記憶體則是用來存放硬碟分區表(LBA,Logical Block Addressing),或是用來緩衝存放讀寫資料,至於你的資料則是全部存放在快閃記憶體裡。

目前在市場上常見的快閃記憶體,依據儲存資料的方式分別有SLC、MLC和TLC三種。SLC(Single-Level Cell)結構簡單,卻有高執行效率、低功耗率和存儲單元使用壽命長的優點,缺點則是因為每一個存儲單元僅能儲存1 bit資料,使得它的儲存成本高居不下,所以,多半會應用在高階商用的SSD產品上。MLC(Multi-Level Cell)雖然執行效率略低於SLC快閃記憶體,但是,比SLC快閃記憶體多1倍的容量,卻能在儲存成本、執行效率和使用壽命三者之間取得平衡下,成為目前消費級SSD固態硬碟所採用的主流。而TLC(Trinary-Level Cell)因為技術原理,使它SLC和MLC擁有更多的儲存容量,但在執行效率、使用壽命皆不如前兩者,多半應用在USB隨身碟、記憶卡行動儲存產品上。


▲一個存儲單元可儲存的容量分別比SLC快閃記憶體多3倍、MLC快閃記憶體多1.5倍的TLC快閃記憶體,具有低儲存成本的優點。

TLC快閃記憶體翻身的關鍵

在快閃記憶體幾乎左右SSD的使用壽命、讀寫效能下,儘管TLC快閃記憶體的儲存容量分別是SLC快閃記憶體的4倍、MLC快閃記憶體的2倍,但在P/E(Program/Erase Cycle)抹寫次數上,約為500 ~ 1000次的TLC快閃記憶體,仍落後約3000次的MLC快閃記憶體、約10萬次的SLC快閃記憶體。

因此,為了讓採用TLC快閃記憶體的SSD能夠受到消費者的青睞,廠商們便從SSD的運作中樞 — 主控制器著手,藉由透過最佳化主控制器的演算技術,再分別搭配SLC Cache、高OP(Over Provision,預留空間)的方式,讓採用TLC快閃記憶體的SSD不管是在讀寫效能、使用壽命,以及可靠性上都有一定程度的提升。

以目前市場上支援TLC快閃記憶體最為完善的SMI SM2258主控制器來說,這顆來自慧榮科技的控制晶片以LDPC(Low Density Parity Check,低密度奇偶修正碼)錯誤修正碼為基礎,發展出獨有的「NANDXtend」錯誤修正機制,在資料讀取過程中出現錯誤時,會依序由LDPC硬體解碼、LDPC軟體解碼,以及RAID Data Recovery這3個層級嘗試修正錯誤,相對於USB隨身碟、記憶卡所使用的BCH(Bose-Chaudhuri-Hocquenghem codes)錯誤修正碼僅有1層錯誤修正機制,NANDXtend錯誤修正機制不但可以確保所讀取出來的資料正確性,還能夠提升TLC快閃記憶體3倍的P/E抹寫次數,讓採用TLC快閃記憶體的SSD在儲存成本、使用壽命之間達到最佳平衡。

▲SMI SM2258主控制器以獨有的「NANDXtend」錯誤修正機制,不但可以確保所讀取出來的資料正確性,還能夠提升TLC快閃記憶體3倍的P/E抹寫次數。


▲Intel SSD固態硬碟540s系列採用SMI SM2256主控制器,並分別搭配1顆南亞科技512 MB DRAM緩衝記憶體,以及電路板正反面最多16顆的SK Hynix 16奈米TLC快閃記憶體。

另外,為了解決TLC快閃記憶體本身讀寫效能低落的情況,廠商在採用TLC快閃記憶體的SSD配備了「SLC Cache」技術,透過在SSD裡劃分一部分空間,並讓該空間裡的TLC快閃記憶體以1 bit的方式「模擬」SLC快閃記憶體的資料存取運作,來大幅提升SSD的讀寫效能。

至於SLC Cache的空間有多大?各家廠商會依據主控制器的演算技術、產品的定位…等因素而有所不同,不過,基本上不外乎底下兩種方式。
一種是在SSD裡直接劃出一個專屬空間當作SLC Cache,而這部分的空間,只有在SSD實際使用容量超過SSD本身容量減去SLC Cache後的臨界值時,就會取消SLC Cache的使用設定,回歸成原本的TLC快閃記憶體來使用。

這種方式的好處是,只有在SSD實際使用容量超過臨界值時,才會取消SLC Cache的使用設定,在絕大部分沒有達到臨界值時,SLC Cache可以全部用來提升SSD的讀寫效能,唯一的壞處就是在頻繁的讀寫下,讓這個專屬SLC Cache空間裡的TLC快閃記憶體,使用壽命相對於其它空間的TLC快閃記憶體來得短。

有別於直接劃出一個專屬空間當作SLC Cache的方式,另一種則是把整個SSD容量納入SLC Cache動態劃分的範圍後,隨著SSD實際使用容量來隨時調整SLC Cache的空間大小,這種方式雖然SLC Cache所佔用的空間並不固定,但是,在頻繁的讀寫動作不會偏重在特定空間下,可以讓整個SSD裡的TLC快閃記憶體都能有平均的使用壽命。

不過,SLC Cache也不是萬靈丹,因為,無論SLC Cache是採用哪種方式,一旦要寫入的資料量大於SLC Cache時,SLC Cache將無法發揮效用,這時SSD的寫入效能才是最真實的表現。

▲從HD Tune Pro測試工具的資料連續寫入圖表中,可以看到Intel SSD 540s系列480 GB在連續寫入48 GB資料後,循序寫入速度將從最高346.8 MB/s掉速到平均125 MB/s,由此可以得知該SSD的SLC Cache大小為48 GB。

Intel SSD固態硬碟新成員

在主控制器的演算技術日益精進下,採用TLC快閃記憶體的SSD勢將如雨後春筍般出現在市場上,因此,為了因應SSD市場的發展,Intel日前將旗下的SSD重新劃分成Consumer、Professional以及Data Center三大產品線,若以產品型號來看,分別可以往下細分成Cnsumer產品線有500、700系列,Professional產品線有1500、2500系列,Data Center產品線則有3500、3600、3700系列。

而在重新劃分SSD產品線的同時,Intel也推出首款導入TLC快閃記憶體的產品 — Intel SSD 540s系列。

雖然身為Consumer產品線500系列的新成員,但是,在不同於該系列其它產品都採用MLC快閃記憶體的情形下,為了讓產品有更明確的定位,Intel在Consumer產品線再區隔成針對效能最佳化的「5系列(5 SERIES)」、針對安全與管理最佳化的「PRO 5系列(PRO 5 SERIES)」,以及針對效能強化的「7系列(7 SERIES)」,讓消費者可以從彩盒包裝上所印製的系列標示來選購合適的SSD。

屬於5系列的Intel SSD 540s系列具有2.5”和M2兩種外觀規格,均採用SATA 6 Gb/s、AHCI介面,並分別有120 / 180 / 240 / 360 / 480 / 1000 GB六種不同儲存容量的版本。


▲由於Intel SSD的外觀都長得一樣,因此,必須從SSD後面貼紙上的資訊,才能辨識、得知SSD的規格與版本。


再從Intel所發佈的規格文件來看,Intel SSD 540s系列的每一款產品,最高循序讀取速度都可達到560 MB/s,但在循序寫入速度上,除了120 GB和180 GB分別只有400 MB/s和475 MB/s外,其它產品都能達到480 MB/s。

要注意的是,不管循序寫入速度是400、475,還是480 MB/s,這些都是SLC Cache仍有緩衝空間下的尖峰存取效能(Burst Performance),一旦SLC Cache的緩衝空間塞滿待寫入的資料時,循序寫入速度將會大幅下滑,使得120 GB和180 GB分別只有70 MB/s和90 MB/s、240 GB和360 GB只有100 MB/s、480 GB和1000 GB只有125 MB/s的持續存取效能(Sustained Performance)表現。

▲採用TLC快閃記憶體的SSD一定會有尖峰存取效能(Burst Performance)和持續存取效能(Sustained Performance)兩種截然不同的表現。


Intel SSD 540s系列效能實測

我們以捷元電腦的頂級宙斯機(詳細規格如下表)為測試平台,分別使用Anvil's Storage Utilities、AS SSD Benchmark、CrystalDiskMark,以及PCMark 8一共4套常見的SSD測試工具,來測試Intel SSD 540s系列的效能表現。


▲捷元電腦宙斯機測試平台規格

▲從CrystalDiskInfo工具中,可以看到將要進行測試的Intel SSD 540s系列的容量大小、韌體版本、讀寫次數…等資訊。

▲使用Anvil's Storage Utilities測試工具,以1 GB大小的檔案進行讀寫測試後,Intel SSD 540s系列分別有近480 MB/s的循序讀取速度、450 MB/s的循序寫入速度,整體的讀寫效能成績則為4069。

▲Intel SSD 540s系列在AS SSD Benchmark測試工具中,同樣以1 GB大小的檔案進行讀寫測試後,可以看到它分別有近480 MB/s的循序讀取速度、310 MB/s的循序寫入速度,整體的讀寫效能成績則為961。

▲接著,再使用AS SSD Benchmark測試工具內建的「Copy-Benchmark」測試項目,分別透過讀寫ISO、Program、Game這三種類型的檔案後,可以看到Intel SSD 540s系列在讀寫單一大檔類型的ISO檔案時效能最高,最低的則是在讀寫檔案較小,但數量比較多的Program檔案。

▲最後,使用AS SSD Benchmark測試工具內建的「Compression-Benchmark」測試項目,以模擬資料在不同壓縮比的情況下,SSD的整體讀寫效率,而從測試圖表可以看到Intel SSD 540s系列的資料讀取曲線從380 MB/s起始就一路狂飆到490 MB/s,之後也都能維持在480 ~ 490 MB/s之間;反觀資料寫入曲線從470 MB/s起始後,就在440 ~ 470 MB/s之間上下擺盪,甚至在近60%的資料壓縮比時,掉速到330 MB/s。

▲在CrystalDiskMark測試工具中分別使用「隨機亂數模式(左圖)」、「0 Fill循序測試模式(右圖)」」來測試Intel SSD 540s系列後,可以看到不管是在哪個測試模式,Intel SSD 540s系列都能表現出560 MB/s讀取速度、500 MB/s寫入速度的平均效能成績。

▲在PCMark 8的Storage綜合測試中,Intel SSD 540s系列的整體讀寫效能成績為4891。

其中,在讀取401 MB、寫入624 MB的Adobe InDesign測試中,Intel SSD 540s系列需耗費近60秒的時間,而在以讀取任務的遊戲應用中,Intel SSD 540s系列分別在Battlefield測試中耗費近135秒、World of Warcraft測試中耗費近59秒,另外在以寫入資料為主的Photoshop heavy(讀取468 MB、寫入5640 MB)測試中耗費了365秒。

結語

對於採用TLC快閃記憶體的SSD,相信大家最在意的就是它的使用壽命。不過,我們在前面內容中提到:隨著廠商在主控制器的演算技術日益精進下,再分別搭配SLC Cache、高OP的方式,採用TLC快閃記憶體的SSD不管是在讀寫效能、使用壽命,以及可靠性上都有一定程度的提升。

就以Intel SSD固態硬碟540s系列所採用的SMI SM2256主控制器來說,透過獨有的「NANDXtend」錯誤修正機制,不但可以確保所讀取出來的資料正確性,還能夠把TLC快閃記憶體的P/E抹寫次數,從500 ~ 1000次提升到1500 ~ 3000次,換句話說,如果以我們這次試用的480 GB容量版本來計算,就算在每天讀寫100 GB資料的情形下,它仍有長達19 ~ 39年的使用壽命。

至於在讀寫效能方面,受限於本身資料讀寫的原理下,雖然比不過採用MLC快閃記憶體的SSD,但是,仍有記憶體該有的效能水準,再加上低儲存成本的優勢,相信用來取代傳統硬碟的系統硬碟、讀取比較頻繁的NAS網路硬碟…等應用場合上,採用TLC快閃記憶體的SSD其實是相當好用的選擇!

使用 Facebook 留言

Jazzbear
1.  Jazzbear (發表於 2016年7月13日 11:13)
Max Chao讀者你好,48GB指的是SLC Cache的容量大小。

當資料要寫入SSD固態硬碟時,是先寫入速度較快的SLC Cache,在資料完成寫入後,再透過主控制器把資料寫入TLC快閃記憶體中,同時擦拭SLC Cache裡的資料,好讓下一批要寫入的資料再寫入SLC Cache。

所以,SLC Cache裡並不會永遠裝滿資料,同樣的,SSD固態硬碟也不會因為儲存超過SLC Cache容量的資料後,就比普通硬碟還慢;只有在連續寫入的資料超過SLC Cache時,SSD固態硬碟才會發生掉速的情況。
Jazzbear
2.  Jazzbear (發表於 2016年7月13日 11:16)
感謝呂明政讀者來信指正。
關於圖說:「每一個存儲單元可儲存的容量分別比SLC快閃記憶體多四倍、MLC快閃記憶體多兩倍的TLC快閃記憶體,具有低儲存成本的優點。」的內容,筆者誤撰,應為「每一個存儲單元可儲存的容量分別比SLC快閃記憶體多3倍、MLC快閃記憶體多1.5倍的TLC快閃記憶體,具有低儲存成本的優點。

發表回應

謹慎發言,尊重彼此。按此展開留言規則