新高速传输介面加持 SSD表现性能倍增

新高速传输介面加持 SSD表现性能倍增

 SSD固态硬碟设计方案，对于开发规格来说，产品开发目标无不追求极致之传输效能，目前SSD所采行的MLC快闪记忆体技术在传输效能已有显著提升，反而新的设计瓶颈在于控制晶片与外部连接介面，选用高速介面亦可直接让SSD表现性能倍增...

SSD(solid-state drive)为固态硬碟简称，为利用标准NAND快闪记忆体建构的低耗能储存系统，相较传统机械式硬碟，导入SSD最大效益是无HDD可能的硬体机械元件耗损，进而减低震动造成资料损坏威胁，IC型态设计也可因应矽晶片制程工艺提升、进而改善产品体积、效能与容量表现。

SSD具传统HDD更小的尺寸，却能提高至少一倍的效能表现，可为小型笔电、行动装置提供优异的储存设计架构。
    
NVM　Express架构设计之SSD储存板卡，可为企业级高阶应用或是云端服务储存应用，提供高速、快速响应之储存系统。

SSD产品目前几乎已经成为PC／工业电脑／嵌入式应用首选的效能性、抗恶劣应用环境之大容量储存方案，即便现有SSD与HDD的性价比仍无法相提并论，但在主流容量SSD已具备与HDD竞争实力，尤其加上SSD的固态运行特性，也为3C或嵌入式产品导入提供绝佳产品特性优势。

NAND Flash制造工艺精进 SSD效能瓶颈在传输介面

在NAND Flash元件制造工艺持续精进下，SSD产品目前产品读／写效能已有相当程度之改善，加上SSD本身读／写特性毋需控制机械结构即可读取内容之优势，让SSD效能表现明显较HDD高许多，尤其是4K大小的资料读／写效能表现尤其惊人，显著超越HDD表现，更有助于如作业系统开机或是大型应用程式开启之效能提升，一般SSD产品都能提供2~3倍读／写效能的提升。

在NAND Flash制程已有一定程度改善，记忆体元件之读／写效能表现提升之下，目前左右SSD效能表现的关键已不在NAND Flash元件本身，反而是SSD控制晶片、对应外部连接介面规格，成为SSD运作效能的最大瓶颈。

以目前业界主流SSD产品方案观察，为延续PC／笔记型电脑升级应用市场需求，SSD所采行的传输介面多半为IDE、SATA 2/3...等，IDE介面为早期电脑设备的主流连接介面，ATA介面极限约在133MB/s，除排线体积较大，传输效能升级效益也因为介面限制受限，目前仅针对旧设备升级用途需求。

SSD使用介面不同 效能表现呈倍数差距

在PC/NB与嵌入式应用市场主流，目前以SATA 2/3介面为主，SATA传输速率为1.5Gb/s，SATA 2为3Gb/s，SATA 3则为6Gb/s，虽说介面实际传输效能会受SSD整体装置传输效能最慢的部份所限制，但实际上，在主流SATA 2介面SSD产品在4K小档案传输可达40,000~50,000IPOS上下，而SATA 3的4K小档案传输多数产品均可达80,000IPOS，读／写效能也分别为200Mb/s与400~500Mb/s近倍数差距，介面规格表现会直接影响产品的效能极限。

针对嵌入式应用，为了强化产品竞争力，近来SSD趋势亦逐步赶上消费性市场主流规格，除大量使用SATA介面外，也出现如SATA 2/3高性能规格之工业SSD产品，加上单板电脑、嵌入式硬体平台的介面支援，亦跟上主流市场介面需求，提供如SATA 2/3介面周边装载支援，尤其在较需储存与运算资料快速传输的嵌入式应用平台，例如多媒体KIOSK媒体广告终端、彩色电子看板内容处理终端，有高效能传输介面整合与加持，亦可对多媒体展演效果提供更具余裕的支援能力。

mSATA仍为SATA架构 效能受限SATA传输技术

除高效能SATA介面外，在内接应用方面也朝向寻求更具效能提升空间的内接介面，例如，近来原先以内接应用优先的PCIe(PCI Express)，相关厂商也相继提出针对高效能传输商业应用的PCIe介面SSD产品！尤其是针对企业储存领域，SSD的PCIe介面支援，可令SSD产品达到超越一般市售SSD近4倍传输效能。但必须注意的是，早期采Mini-PCIe介面设计的SSD产品，大多是针对笔记型电脑或低价小笔电、超薄型笔电设计的储存应用方案，虽然采取PCIe介面与连接器设计，但实际上SSD仍仅采行mSATA进行资料传输，顶多仅具SATA传输效能表现，并非PCIe介面极速表现。

会在单板卡式SSD产品应用Mini-PCIe介面连接器，设计目的在于使用笔记型电脑硬体平台内部就已存在的连接介面，由于Mini-PCIe连接器比标准SATA平整，采行mSATA设计可因应薄化产品设计、高效能传输等设计目的将SSD采更薄化设计，SSD电路载板可用Full-size mSATA尺寸(50.95 x 30 x 4mm)，另还有多种尺寸可选，尤其是NAND Flash矽晶片堆叠扩增单一晶片储存容量，可以轻易在有限板材面积实践大容量设计，在Ultrabook产品是相当常见的设计方案。

Mini-PCIe的mSATA介面SSD，目前主流容量约在64~128GB上下，高阶版本还有256GB以上产品，其mSATA介面为采行SATA2 3Gb/s规格，整个SSD模组重量可极致压低至7~10g上下。由于这类产品采行SATA 2介面技术，一般其读取4K随机读／写测试约可达46,000IPOS、280MB/s读取、260MB/s写入。

有趣的是，这类产品为单板式结构、加上机构件简洁，抗震能力表现亦相对亮眼，单板式mATA SSD产品抗震能力可达1,500G/0.5ms，尤其是高抗震能力应用优势，也是行动产品导入mSATA介面设计SSD储存方案最大利基。此外，SSD本身优于HDD读／写效能表现，也能透过mSATA产品设计达到让笔记型电脑产品在体积、重量双重优化前提下，同时又可以达到磁碟效能倍增的优异元件改善效益。

利用PCIe 大幅强化SSD商业应用实力

若PCIe为针对效能提升目的设计，那内接介面就不能仅以Mini-PCIe连接器形态来传输mSATA资料，因为这种设计型态仍会受限于原有SATA传输效能限制，对于高效能设计方案则必须选择如PCIe进行产品开发。PCIe介面规格特性具备高传输效率、低延迟效用，对企业网路伺服器在发展云端应用时，可以利用PCIe介面特性大幅改善服务器响应时间，提升云端应用在伺服器端资料读／写效能，适合用于资料中心、云端伺服器效能升级改善零组件。

PCIe基本上在传输速率方面可达到3GB/s，同时介面延迟极低，除原本SSD内部读／写效能具一定水准，外部传输介面更可因为介面规格具3GB/s效能表现，而获得更大幅度改善效果，即便目前市售PCIe介面形式商用SSD产品单价仍高，但导入资料中心或用以改善／升级云端伺服器的应用需求仍未见下滑。

以目前可见的PCIe SSD产品观察，针对高阶商用伺服器设计开发的SSD储存卡，为采PCIe介面卡设计，由于不受限SATA 3最高6Gb/s限制(约为0.75GB/s)，采PCIe介面设计之SSD理论上可以使用8通道之PCIe 2GB/s传输频宽。检视实际采PCIe开发的板卡形式SSD产品，大多同时整合了4 Way RAID 0架构，SSD储存板卡读取速度可达800~900MB/s，写入可达700~800MB/s，持续写入则能达到600~700MB/s，若是采SLC快闪记忆体方案，读／写速度可达1.4~1.5GB/s，持续写入也有900~1GB/s表现。

而为了掌握高阶商用PCIe SSD市场，Intel、IBM等业者也推出NVM Express技术规格，NVM Express基本上是针对高阶商用伺服器高效读／写应用前提下，以PCIe为基础的SSD固态硬碟产品设计方案。NVM Express为由超过70家非挥发型记忆体主控制器介面(Non-Volatile Memory Host Controller Interface；NVMHCI)工作小组成员共同制定规范，NVM Express前身为Enterprise NVMHCI，但目前亦可用以发展企业和客户端应用。

至于NVM Express主要针对PCIe设计之SSD定义最佳化之暂存器介面、控制指令集与相关功能组合，NVM Express规范可提供硬体开发人员快速发展相关应用产品，尤其针对商业高阶应用环境，NVM Express针对装置可扩充性进行强化，一部NVM Express装置可支援最多64个I/O伫列、介面亦还支援多核心架构。

除NVM Express规范外，Dell与相关业者则提出SCSI over PCIe(SOP)设计规范，但NVM Express与SCSI over PCIe多仅止于提出设计方案，哪一种技术能成为商业高效应用主流尚需观察市场动态。