检视SSD性能、MTBF寿命表现关键

检视SSD性能、MTBF寿命表现关键

  固态硬碟是现有业界最热门的储存装置，具备高效能读写与低功耗特性，尤其是IC式储存设计完全无机械读写结构，让固态硬碟具备更高的环境使用耐受力，像是高温、震动都不致于构成固态硬碟的使用问题，但导入固态硬碟应用最令用户担忧的是储存装置稳定性与耐用度...

固态硬碟优点相当多，尤其是传统硬碟相关设备缺点，改用固态硬碟几乎都能一一改善，唯一在目前最具C/P值的MLC型固态硬碟，其产品让用户较担忧的部份，包含平均故障间隔(Mean time between failures；MTBF)的不确定性、快闪记忆体的整体效能提升助益等关键问题，影响用户导入目前价位相对较高的SSD产品决策。

SSD为大量NAND　Flash架构之储存装置，可因应载板尺寸设计，应用弹性相当高，成为目前相当具潜力的新颖储存方案。 
    
控制晶片设计水准，会直接影响SSD性能与寿命表现。

MTBF为SSD耐用度关键指标

影响SSD市场接受度关键问题，可以从几个要项进行讨论，如MTBF合理且接近现况的实际估算方式、SSD读写性能指标评估，这些关键重点都是用户选择导入SSD的重要指标。本文将剖析SSD架构与影响性能、寿命指标的关键，并说明SSD架构影响整体效能表现的相关问题。

SSD被作为新一代大容量储存媒体，相关概念与产品已经在业界发展数年，尤其在NAND Flash单位成本不断探底、容量持续上探规格极限下，SSD产品终端价格已持续压低，目前已达到一定经济效益水准。观察早期SSD无法迅速打开市场原因，不外乎SSD终端售价受NAND Flash元件报价直接牵动，若NAND Flash元件单价高则SSD产品价格势必居高不下。

SSD除了相较于传统储存装置有成本更高的问题，其产品耐用度也令多数用户疑虑。因此如何让MTBF估算方式更具体、精确，让SSD性能、寿命指标更受用户所信任，已成为推广SSD产品重要关键。而SSD即使在产品技术与实际应用效用方面，受惠于低功耗、矽工艺制法让其具备高抗震、耐恶劣使用环境的产品优势，但实际上SSD的市场接受度表现仍有相当大的改善空间。

控制晶片表现 左右SSD整体效能

SSD为由大量NAND Flash元件所组构而成，NAND Flash元件透过SSD控制晶片(Controller)进行原有系统对大型储存装置读／写操作，而影响整体读／写效能的关键核心，即在SSD连接介面、NAND Flash元件本身性能／寿命、控制晶片设计方法等关键问题影响。

在SSD连接介面方面，目前SSD主流设计连接介面方案有PATA、SATA、mSATA、SAS等不同设计方式，选用不同介面取决重点在于，一方面需看SSD用在何种用途，如果是轻薄型行动产品，多半会采行mini-PCIe卡板尺寸搭配mSATA介面设计，而针对PC/NB升级市场开发产品，则有PATA与SATA介面选择，至于针对高端伺服器应用市场，则会采取SAS介面设计方案。

视产品使用领域差异，SSD载板与设计方式会被封装成为不同的Form Factor，设计方案也可视系统设计需求，改用对应连接介面设计。不同连接介面在终端系统表现，即会直接影响SSD相容性、效能表现与稳定性表现，若是在外接设计方案采行如IEEE1394 a/b或是USB介面，该设计方案还须考量传输线、连接介面与讯号转换的讯号传递问题(Signal Implementation)，尤其是读取不稳定、断续等状况产生。

在控制晶片方面，其实可以说是SSD最核心的重要关键，控制晶片不仅直接左右SSD本身效能表现，同时不同设计方法也会影响其产品MTBF表现！控制晶片主要处理SSD资料管理(Data Shaping)、空间回收(Garbage Collection)、平均抹写技术(Wear Leveling)、输入／输出指令(I/O Command)、快取(Cache)记忆体管理、损坏区块(Bad Block)管理、电源供应等控制能力。

NAND Flash元件特性差异

尤其是在TRIM指令集支援性，与NAND Flash ECC(Error Checking and Correcting)设计机制整合等，均需透过控制晶片搭配进行运行，来优化整体SSD的稳定性与性能表现，尤其在平均抹写技术整合方面，透过控制晶片直接对NAND Flash记忆体颗粒最佳化驱动控制，搭配智慧型资料写入区块与记录管理形式，避免SSD在特定资料区间进行大量资料读写，而影响了MTBF表现数据。

而在NAND Flash快闪记忆体本身元件选用，先前也提过，SSD基本上是由大量NAND Flash快闪记忆体组成，NAND Flash为承载SSD储存资料最底层的单元，NAND Flash不同制程与设计方案，则会大幅影响SSD性能表现与相关规格。

例如，NAND Flash不同Cell Type，如SLC、MLC与TLC设计方案，即左右单一Cell可储存的资料量，尤其是单一Cell可储存的资料量增加，即代表该单元可被抹写次数与寿命相对缩短，同时也影响了整体SSD模组可靠度，当NAND Flash选用资料密度高MLC、TLC元件，这也代表制成模组的SSD寿命与性能表现也会受到NAND Flash元件特性所限制。

在此同时，针对不同NAND Flash厂商出产的记忆体品质、驱动电气特性、功耗(Power Consumption)表现也不同，在实际导入设计时，通常也必须透过控制晶片进行驱动NAND Flash记忆体最佳化设计，以求让SSD表现达到优化水准。

TRIM指令支援优化程度 是应用效能、寿命表现关键

至于SSD整体设计除了先前提过NAND Flash元件问题外，控制晶片的技术能力，则是影响SSD产品表现重要关键。因为控制晶片驱动NAND Flash能力，会直接影响NAND Flash寿命表现，同时控制晶片所进行的平均抹写演算法，若演算效率与处理区块读写程序过度繁琐，即会直接造成SSD读写效能表现不彰，甚至若为了提升性能表现而牺牲部分区块读写优化程序，虽然看似SSD性能提高了，但实际上也可能因为未优化的抹写策略，造成NAND Flash区块资料提早出现损坏与故障问题。

对SSD来说另一个较大的问题，在于整体储存装置效能退化问题，其实效能随着使用时间增加而表现趋于低落，主要成因在于控制晶片TRIM指令集设计与区块空间回收设计问题造成，因为SSD无法适时回收可用空间，维持SSD具足够大的空间提供平均抹写资料区块处理时，或是SSD本身无提供够大的Space Provisioning备用资料空间，即会让单一NAND Flash区块出现过度频繁写入状况，造成SSD提早出现NAND Flash区块读写故障问题，整体SSD读写效率也会因此显得逐渐劣化。

尤其是TRIM指令支援能力方面，TRIM指令是ATA对SSD应用制定的指令集，在Microsoft Windows 7与更新的作业系统开始在系统提供原生支援，可为采行SSD系统平台上提供效能与寿命最佳化应用基础。具最佳化TRIM指令支援之SSD产品，可在用户不用自行定期搬移SSD存储资料的维护型态下，让控制晶片自行清除SSD不用之资料区块、空间回收等动作，不仅可以增加SSD可使用空间，也能维持SSD本身效能表现。

至于SSD产品对TRIM指令支援是否已最佳化设计，像是执行TRIM指令之SSD回应速度、执行TRIM指令之SSD I/O Latency影响，与利用测试方法验证SSD本身效能衰减程度，都可以测出SSD产品的TRIM指令支援优化程度。