儲存新趨勢!QLC快閃記憶體參上,SSD儲存戰力再進化的關鍵!

相信對用過SSD固態硬碟的消費者來說,一定很難擺脫其所帶來的「高速存取」好處後,再回頭選用傳統的機械硬碟,因此,這也讓SSD固態硬碟的市佔率自2015年後,每年全球銷售量逐漸攀升,預計在2021年超越機械硬碟的銷售份額。(資料來源:Statista資料庫

但是,前景看似一片美好的SSD固態硬碟,卻有著「每GB儲存容量成本」無法追上機械硬碟的缺憾,雖然從Gartner Research所發佈的「Forecast : Hard-Disk Drives, Worldwide, 2014 - 2021, 1Q17 Update」報告中來看,SSD固態硬碟的「每GB儲存容量成本」已從2014年的$0.84/GB平均價格,逐年下降到今年約$0.25/GB,不過,還是無法跟每GB不到$0.1的機械硬碟相比。

 儲存新趨勢!QLC快閃記憶體參上,SSD儲存戰力再進化的關鍵!

由於內部構造完全不同於機械硬碟,不管是2.5”或M.2規格的SSD固態硬碟,其內部不外乎是由主控制器、快閃記憶體、DRAM這三種元件所組成的,掌控SSD固態硬碟讀寫運作的主控制器,可以說是SSD固態硬碟的大腦中樞,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。

因此,為了與機械硬碟在相同的容量規格下,逐漸拉近彼此之間的儲存成本,廠商們勢必得不斷提升肩負儲存資料的快閃記憶體技術,才能在滿足消費者的儲存需求下掏錢選購。

儲存空間更大的QLC快閃記憶體

SSD固態硬碟發展至今,快閃記憶體的技術已經歷經四次升級,從SLC、MLC、TLC,如今隨著Intel在今年的Flash Memory Summit展場上發表首款採用QLC的660P PCIe NVMe SSD後,QLC也正式進入消費市場,而QLC的到來,意味著SSD固態硬碟在一定的成本下,可以提供更大的儲存空間來滿足消費者的需求。

這是因為快閃記憶體是透過其最小的儲存單元(Cell)的電位,以劃分不同的階數在該儲存單元內存放1 ~ 4個位元數(bit),而依據每個儲存單元可存放的位元數不同,可以區分SLC、MLC、TLC和QLC這四種快閃記憶體類型。

SLC(Single-Level Cell)只有兩種電位變化,所以,每個儲存單元只能儲存1 bit的資料;MLC(Multi-Level Cell)則有四種電位變化,因此,每個儲存單元可以比SLC多儲存到2 bit的資料。

而市場上目前主流的SSD固態硬碟所採用的TLC(Trinary-Level Cell),則是每個儲存單元可以儲存3 bit的資料,是SLC的3倍、MLC的1.5倍,因此,在相同的體積下能夠儲存更多的資料,自然也讓儲存成本更加便宜。

所以,以此類推,新進入消費市場的QLC(Quad-Level Cell),就是將每個儲存單元可以儲存的位元數增加到4 bit,進而可以比TLC多儲存33%的資料,來達到儲存成本更低、容量更大的目的。

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然而,隨著每個儲存單元可以儲存位元數的增加,電位變化的狀態也隨之增加,在資料儲存運作上不但需要更大的電壓,耗用更高的功耗,也讓資料存取控制上變得更加複雜,進而拖慢資料存取速度;除此之外,由於其運作原理中絕緣層先天物理上的限制,伴隨著存取次數、資料量的增加,絕緣層也會因逐漸變薄的因素發生漏電的現象,造成P/E(Program/Erase Cycle)抹寫次數的減少,而縮短SSD固態硬碟的使用壽命。

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相同的,儲存容量比TLC更大的QLC,一樣有隨著電位變化狀態的增加,造成快閃記憶體耐用性,也就是SSD固態硬碟使用壽命的問題。為了解決QLC所帶來的同樣問題,廠商們便從SSD固態硬碟的運作中樞 — 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快取、高OP(Over Provision,預留空間)的方式,讓採用QLC快閃記憶體的SSD固態硬碟不管是在讀寫效能、使用壽命,以及可靠性上都有一定程度的提升。

Intel 660P PCIe NVMe SSD固態硬碟為例,除了依照512 GB / 1 TB / 2TB產品容量的不同,事先各自分別劃分6 GB / 12 GB / 24 GB固定大小的QLC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,作為固定的SLC快取來大幅提升SSD的讀寫效能外,同樣也會額外依照512 GB / 1 TB / 2TB產品容量的不同,分別最多劃分6 ~ 76 GB / 12 ~ 140 GB / 24 ~ 280 GB的QLC快閃記憶體作為動態的SLC快取後,隨著實際的使用容量來隨時調整SLC快取的空間大小,透過固定、動態的SLC快取技術的並用,來取得採用QLC快閃記憶體的Intel 660P PCIe NVMe SSD固態硬碟在讀寫效能和使用壽命彼此間的完美平衡。

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省下DRAM,輸掉效能!  

而在SSD固態硬碟內部組件的變動中,除了比較受到注目的QLC快閃記憶體外,另一個就是近年來有些廠商所導入的DRAM-Less設計,藉由移除SSD固態硬碟內部的DRAM,來達到廠商們可以降低SSD固態硬碟整體物料成本(BOM)的目的。 

這對消費者來說,雖然能夠以更低的價格買到儲存容量相同的DRAM-Less SSD固態硬碟,但在資料存取效能上卻無法跟一般的SSD固態硬碟相比,因為,一般來說,SSD固態硬碟所配置的DRAM容量多為256或512 MB,容量雖然不大,但卻對提高SSD固態硬碟的每秒輸出入(IOPs)效能有著關鍵性影響,所以,如果SSD固態硬碟沒有DRAM來擔任快取緩衝、暫存讀寫資料的話,將會拉低其存取效能。 

因此,NVMe工作小組在2014年提出的NVMe v1.2版本中,制訂了「Host Memory Buffer(HMB)」規範,讓主機端(Host)可以將目前用不到的系統記憶體資源,透過NVMe傳輸協議提供給SSD固態硬碟使用,如此一來,DRAM-Less SSD固態硬碟就可以在本身沒有配置DRAM的情況下,從主機端取得系統記憶體資源作為快取來提升其存取效能。

也因為DRAM-Less SSD固態硬碟會透過HMB取用主機板上的系統記憶體,除非主機板上的系統記憶體已經插好插滿,否則,當系統記憶體的容量過小,電腦的整體效能就會被DRAM-Less SSD固態硬碟拉低,畢竟這是一種「挖東牆、捕西牆」的做法,省了SSD固態硬碟的花費,勢必要在價格也不便宜的系統記憶體補足,是否划算就看消費者個人的選擇了。

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想要在選購SSD固態硬碟前確認其是否為DRAM-Less設計,最準確的方式莫過於看該SSD固態硬碟是採用哪款主控制器。以比較廣為SSD廠商所採用的Marvell、Phison和SMI這三家主控制器廠商來說,Marvell 88NV1160 / 88NV1120、Phison PS3110-S11 / PS5008-E8T,以及SMI SM2263XT / SM2258XT都是這些廠商基於NVMe v1.2的HMB規範,目前所推出的DRAM-Less控制器解決方案,知道這些基本資訊後,才不會在自以為撿到便宜的情況下,買到存取效能不如預期的SSD固態硬碟。

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高容量、儲存成本更便宜的QLC快閃記憶體  

在今年的快閃記憶體高峰會(Flash Memory Summit)眾多新技術、新產品中,最受注目的莫過於採用QLC快閃記憶體的新一代SSD固態硬碟,不同於過往的MLC、TLC快閃記憶體,新登場的QLC快閃記憶體挾其儲存空間更大、價格相對低廉的特點,未來有望與儲存成本相當便宜的機械硬碟一較高下,尤其是在目前單一QLC顆粒的儲存容量已經突破1 TB,2 TB的目標也近在咫尺下,依照技術演進的趨勢來看,假以時日推出6 TB或更高容量的產品似乎也沒什麼問題。 

至於存取效能比較差的DRAM-Less SSD固態硬碟,比較適合只有上網瀏覽、打文書作業這類不需要SSD固態硬碟長時持續讀寫的環境,或是在乎入手預算的消費者選購使用,相反的,如果是經常進行影音編修、不時複製搬移文件檔案這類需要SSD固態硬碟進行長時持續讀寫的操作時,建議還是選購一般有DRAM擔任快取緩衝的SSD固態硬碟會比較合適。

 

(同場加映:小心低價陷阱!SATA vs PCIe SSD 你該怎麼選?一次告訴你藏在細節裡的魔鬼!

 

產品資訊

Intel SSD 660p 1T

 

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