探究 SSD 速度快慢的主因：搞懂顆粒配置與架構， PCI-E 、 RAID 效益評估

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目前只有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，其結構只有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。

▲MLC類型快閃記憶體結構功能方塊示意圖。

▲快閃記憶體內部最小儲存單元為Page，各層級排列結構以行、列為原則，組合成偌大的矩陣。

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。目前顆粒大致上可區分為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，非同步則是只有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。

▲固態硬碟電路板基本結構示意圖。以8通道控制器為例，即便配置16顆顆粒，仍無法跳脫傳統通道數量觀念，它就是只有8條通道。

▲固態硬碟電路板基本結構進階示意圖。同樣8通道控制器範例，搭配16顆2CE類型顆粒時，姑且不算計Plane的部分，平行處理結構已相似於32通道。