固態硬盤（ＳＳＤ）產品現狀與展望

【摘要】文章首先對固態硬盤的現狀進行了分析，其次闡述了固態硬盤的技術難度，包括運作效能的改善、NAND Flash的使用壽命改善、不正常斷電的管理、更錯、整體固態硬盤的可靠度及穩定度改善等，最后對固態硬盤的應用市場進行了展望。

【關鍵詞】固態硬盤 SSD NAND Flash

1 固態硬盤的現狀

當NAND Flash應用從消費性市場進入PC領域后，固態硬盤SSD未來市場的發展潛力已引起相關產業的高度關注。筆者認為，固態硬盤以其速度較快、防震及耗電量較少等優勢，被視為取代傳統式硬盤的磁盤儲存設備，但目前在技術及效能發揮上，仍面臨難題。若能強化這些層面，固態硬盤未來的發展將更為快速。

NAND Flash的優勢是大量數據儲存的速度，其序列讀寫（Sequential Read/Write）的特性可減少儲存時間。但PC計算機產品需要的不只是大量數據儲存的動作，小檔案（4KB or less）的處理也很重要，固態硬盤導入PC市場后，到底要如何才能達到像傳統式硬盤一樣的效能？這就是市場關注之處。

2 固態硬盤的技術難度

筆者大致整理了固態硬盤的五大技術問題，分別是：運作效能的問題、NAND Flash的使用壽命改善問題、不正常斷電管理的問題、更錯改善、整體固態硬盤的可靠度及穩定度改善問題。

在這五大問題中，前四項取決于控制IC的設計精進。控制IC在固態硬盤中用來支持的主要技術包括：故障區塊管理（BBM，Bad Block Management）、錯誤修正程序代碼（ECC，Error Correcting Code）以及平均抹寫儲存區塊技術（Wear Leveling），這三個技術將確保固態硬盤的可靠度、穩定度與耐用度。至于最后一個整體性的問題，則需要固態硬盤制造商與控制IC廠商的合作。

2.1 運作效能的改善（Performance）

目前，已有多家隨身碟或是記憶卡控制IC廠商欲跨足固態硬盤的控制IC產品。隨身碟或記憶卡的控制IC，是以多通道的序列讀寫方式來增加讀寫速度，而控制IC廠商在此部份的處理早已相當嫻熟。

為了跨足固態硬盤控制IC市場，這些控制IC廠商在設計PC操作系統平臺小檔案讀寫及回收使用（Garbage Collection）等效能時，有兩個選擇：一是選擇高速的NAND Flash芯片，如ONFI 2.0；或是選擇效能較佳的硬件結構，如多信道存?。∕ulti-Channel Access），交叉式存?。↖nterleaved Access）、效能更佳的微控制器、或是增加緩沖存儲器─內建SRAM或是外加一個DRAM，來增進存取小檔案的效能。

2.2 NAND Flash的使用壽命改善（Life Cycle）

由于NAND Flash的結構與磁盤儲存裝置差異極大，平均磨損（wear-leveling）成為固態硬盤系統設計的重要課題，一般的檔案系統若沒有對這個部份多加處理，將會使得內存區塊消耗量不平均，間接縮短了閃存的壽命。

從理論上來說，NAND Flash用在固態硬盤上的使用壽命應該要比其它NAND Flash的應用儲存產品長。但由于NAND Flash區塊性讀寫的特性，重復讀寫會集中在單一區塊，因此如何設計或促進抹除平均，是過去到目前的廠商著重考慮的地方。

現在主流的MLC（Multi-Level Cell，每個儲存數據的單位可儲存兩個位的數據）每個區塊的抹除限制則僅5千到1萬次，未來若隨著每個 Cell可存放的位數的增加（如3bit/MLC，使用不到1千次），閃存的使用壽命將勢必更為縮短。

故要增加閃存的使用壽命，廠商可采用的方式有三：用回傳統的SLC芯片（Single-Level Cell，每個儲存數據單位可存取一個位的數據），NAND Flash SLC的每個區塊可被抹除的限制為10萬次，但這個做法成本太高。第二種方式就是在控制IC中，設計更優良的抹除平均計算程序，讓每個區塊都被平均使用，這樣就能將寫入的總數據量提升，以增加固態硬盤的使用壽命。最后就是采用較好的硬件架構，例如使用緩沖存儲器來減少NAND Flash的寫入次數。

筆者認為，抺除平均的技術是跨入固態硬盤控制IC廠商的基本技術，事實上，PC計算機中有許多數據的處理是屬于靜態數據，如果能在主區域處理靜態數據，或是增加主區域的靜態平均，就能改善這個問題。

2.3 不正常斷電的管理（Power Cycling/ Abnormal Power Failure）

NAND Flash不像磁盤硬盤那樣使用許多的機械部件，因此不用擔心摔到地上發生不正常斷電的情況，也不像DRAM那樣需要在有電力的情形下才能運作。然而，就算是固態硬盤，寫入中不正常斷電也還是會導致數據的毀損，所以，數據的保護管理也是很重要的一個技術。因為如果發生這樣的情況，不僅會導致使用者的數據遺失，而不正常斷電也有可能對控制芯片的各項table造成影響，進而使固態硬盤損毀。

因此，針對固態硬盤中不正常斷電下的保護應包括：Controller Firmware code 及 register settings，還有OS file system table（例如 FAT），以及Mapping tables （例如 L2P table)。

2.4 更錯（Bit Error Handling）

NAND Flash容易壞、穩定性不夠是其令人詬病之處，ECC的能力在固態硬盤中是為了保障數據的完整性，所以不僅要能更正程序的錯誤，也要有更正寫入、讀取數據錯誤的能力。這種可自動偵測并修正數據在讀取過程中所發生的錯誤、確保數據在傳輸時可被正確讀取、保持計算機正常運作的功能十分重要。

目前，伴隨制程技術的精進，對ECC更錯能力的難度要求就會愈來愈高。50奈米制程需要至少8-bit ECC錯誤偵測回復功能，40奈米制程需要的就達12-bit ECC錯誤偵測回復功能。

2.5 整體固態硬盤的可靠度及穩定度改善（Reliability Assurance）

目前，要如何去訂定一個標準的固態硬盤穩定度或使用壽命還未達共識，因為并無測試的標準，而臺商也普遍缺乏磁盤硬盤測試穩定度的技術。關于量測方面，可分三個層面來討論，例如速度的標準、兼容性的標準及基本壽命要求。

目前，大陸已經成立中電標協移動存儲標準工作委員會，已將SSD標準的制定與推廣列為重點工作，標準制定首先集中在SSD壽命評估算法、外形尺寸、通用測試平臺等方面。鑒于SSD產品在大陸地區廣闊的市場前景和大陸廠商的綜合實力，JEDEC也已經強烈表示出與移動存儲標工委的戰略合作意向。臺灣地區的各界產業人士結合NAND Flash上下游產業成立SSD聯盟（SSDA，SSD Alliance），包括東芝、威剛、廣穎、智微、祥碩、多利吉、鑫創、聯陽、慧榮、群聯電子、工研院、百佳泰等公司皆參與，共同推廣固態硬盤技術。聯盟先以2.5吋串行式先進附加技術（SATA）產品為測試模板，訂定測試標準流程與認證計劃，目標就是成為國際通用的標準。SSD聯盟也與聯合電子裝置工程協會（JEDEC）合作，加速標準認定。筆者相信通過兩岸廠商的通力合作，必定能夠在SSD標準制定方面取得突破。

3 固態硬盤的應用市場

除了討論目前技術難度外，筆者也大概將固態硬盤的應用市場分成三類，若用金字塔的概念來看，底層市場最廣大的，便是目前普遍使用的低價計算機。不少PC/NB業者也紛紛推出內建SSD的NB機種，這部份都是業界期待用以取代既用磁盤硬盤的產品，只要價格夠便宜，很有可能會是固態硬盤通吃的市場。目前在NB市場上，固態硬盤的滲透率仍比較低，只有不到3%的滲透率，后續成長空間極大。

金字塔市場的第二層，便是Industrial/Embedded PC的市場，這塊市場強調的不是以速度為主，而是需要穩定及長期的供貨。這部份有不少的廠商等投入，如Mtron、STEC及TDK等廠商都瞄準此塊市場的商機。而在此塊經營甚久的硬盤大廠并沒有坐以待斃，他們同樣看好未來固態硬盤的應用并先行布局，近期購并的動作也頗為積極。如硬盤儲存大廠WD宣布，以 6500萬美元購并位于美國加州的SiliconSystems公司，強化跨足嵌入式系統市場固態硬盤（SSD）市場的布局。SiliconSystems于2002年成立，迄今已有數百萬臺的固態硬盤等產品售出，供應給網絡通訊、工業、嵌入運算、醫療、軍用與航天等市場。以2008年為例，上述市場約占全球固態硬盤總銷售便近三分之一的比重。

至于金字塔的最頂端，便是高階的ServerPC市場，這塊市場需要的是絕佳的效能表現、運作穩定、超高耐用度與數據的絕對正確性，價錢則是次要因素。因此，有許多國際大廠，例如Intel、SanDisk……等，皆積極推出給企業使用的高階Server SSD，并以較硬盤還具優勢的TCO （Total Cost of Ownership）來說服企業來采用SSD產品。

4 結束語

雖然固態硬盤應用市場目前對兩岸廠商挑戰較大，但筆者仍認為兩岸廠商在固態硬盤市場是很有機會的。雖然兩岸廠商目前沒有NAND Flash芯片廠，但臺灣的控制IC廠商、模塊廠商及PC/NB廠商供應鏈，加上大陸的3C電子品牌廠商，以及未來廣闊的市場前景，構成了完整的產業鏈。固態硬盤產業的興起，加上兩岸特有的個人計算機產業鏈，未來將不再讓國外硬盤大廠獨占鰲頭，商機將無限寬廣?！?/p>

【作者簡介】

陳明達：畢業于美國加州大學洛杉磯分校（UCLA），航天工程博士?，F任職于威剛科技股份有限公司，副總經理。在閃存應用產品開發上績效卓著，已取得全球85件專利，另有86件專利申請中。截至目前已榮獲8項德國iF、4項德國reddot、5項日本G-Mark、4項美國CES創新獎、3項臺灣精品金/銀質獎、2項Computex最佳外銷信息產品獎等。其所負責的閃存產品線，業已開發出完整之記憶卡、隨身碟系列產品，產品持續銷售拓展至全球市場。