固态硬盘（ＳＳＤ）产品现状与展望

【摘要】文章首先对固态硬盘的现状进行了分析，其次阐述了固态硬盘的技术难度，包括运作效能的改善、NAND Flash的使用寿命改善、不正常断电的管理、更错、整体固态硬盘的可靠度及稳定度改善等，最后对固态硬盘的应用市场进行了展望。

【关键词】固态硬盘 SSD NAND Flash

1 固态硬盘的现状

当NAND Flash应用从消费性市场进入PC领域后，固态硬盘SSD未来市场的发展潜力已引起相关产业的高度关注。笔者认为，固态硬盘以其速度较快、防震及耗电量较少等优势，被视为取代传统式硬盘的磁盘储存设备，但目前在技术及效能发挥上，仍面临难题。若能强化这些层面，固态硬盘未来的发展将更为快速。

NAND Flash的优势是大量数据储存的速度，其序列读写（Sequential Read/Write）的特性可减少储存时间。但PC计算机产品需要的不只是大量数据储存的动作，小档案（4KB or less）的处理也很重要，固态硬盘导入PC市场后，到底要如何才能达到像传统式硬盘一样的效能？这就是市场关注之处。

2 固态硬盘的技术难度

笔者大致整理了固态硬盘的五大技术问题，分别是：运作效能的问题、NAND Flash的使用寿命改善问题、不正常断电管理的问题、更错改善、整体固态硬盘的可靠度及稳定度改善问题。

在这五大问题中，前四项取决于控制IC的设计精进。控制IC在固态硬盘中用来支持的主要技术包括：故障区块管理（BBM，Bad Block Management）、错误修正程序代码（ECC，Error Correcting Code）以及平均抹写储存区块技术（Wear Leveling），这三个技术将确保固态硬盘的可靠度、稳定度与耐用度。至于最后一个整体性的问题，则需要固态硬盘制造商与控制IC厂商的合作。

2.1 运作效能的改善（Performance）

目前，已有多家随身碟或是记忆卡控制IC厂商欲跨足固态硬盘的控制IC产品。随身碟或记忆卡的控制IC，是以多通道的序列读写方式来增加读写速度，而控制IC厂商在此部份的处理早已相当娴熟。

为了跨足固态硬盘控制IC市场，这些控制IC厂商在设计PC操作系统平台小档案读写及回收使用（Garbage Collection）等效能时，有两个选择：一是选择高速的NAND Flash芯片，如ONFI 2.0；或是选择效能较佳的硬件结构，如多信道存取（Multi-Channel Access），交叉式存取（Interleaved Access）、效能更佳的微控制器、或是增加缓冲存储器─内建SRAM或是外加一个DRAM，来增进存取小档案的效能。

2.2 NAND Flash的使用寿命改善（Life Cycle）

由于NAND Flash的结构与磁盘储存装置差异极大，平均磨损（wear-leveling）成为固态硬盘系统设计的重要课题，一般的档案系统若没有对这个部份多加处理，将会使得内存区块消耗量不平均，间接缩短了闪存的寿命。

从理论上来说，NAND Flash用在固态硬盘上的使用寿命应该要比其它NAND Flash的应用储存产品长。但由于NAND Flash区块性读写的特性，重复读写会集中在单一区块，因此如何设计或促进抹除平均，是过去到目前的厂商着重考虑的地方。

现在主流的MLC（Multi-Level Cell，每个储存数据的单位可储存两个位的数据）每个区块的抹除限制则仅5千到1万次，未来若随着每个 Cell可存放的位数的增加（如3bit/MLC，使用不到1千次），闪存的使用寿命将势必更为缩短。

故要增加闪存的使用寿命，厂商可采用的方式有三：用回传统的SLC芯片（Single-Level Cell，每个储存数据单位可存取一个位的数据），NAND Flash SLC的每个区块可被抹除的限制为10万次，但这个做法成本太高。第二种方式就是在控制IC中，设计更优良的抹除平均计算程序，让每个区块都被平均使用，这样就能将写入的总数据量提升，以增加固态硬盘的使用寿命。最后就是采用较好的硬件架构，例如使用缓冲存储器来减少NAND Flash的写入次数。

笔者认为，抺除平均的技术是跨入固态硬盘控制IC厂商的基本技术，事实上，PC计算机中有许多数据的处理是属于静态数据，如果能在主区域处理静态数据，或是增加主区域的静态平均，就能改善这个问题。

2.3 不正常断电的管理（Power Cycling/ Abnormal Power Failure）

NAND Flash不像磁盘硬盘那样使用许多的机械部件，因此不用担心摔到地上发生不正常断电的情况，也不像DRAM那样需要在有电力的情形下才能运作。然而，就算是固态硬盘，写入中不正常断电也还是会导致数据的毁损，所以，数据的保护管理也是很重要的一个技术。因为如果发生这样的情况，不仅会导致使用者的数据遗失，而不正常断电也有可能对控制芯片的各项table造成影响，进而使固态硬盘损毁。

因此，针对固态硬盘中不正常断电下的保护应包括：Controller Firmware code 及 register settings，还有OS file system table（例如 FAT），以及Mapping tables （例如 L2P table)。

2.4 更错（Bit Error Handling）

NAND Flash容易坏、稳定性不够是其令人诟病之处，ECC的能力在固态硬盘中是为了保障数据的完整性，所以不仅要能更正程序的错误，也要有更正写入、读取数据错误的能力。这种可自动侦测并修正数据在读取过程中所发生的错误、确保数据在传输时可被正确读取、保持计算机正常运作的功能十分重要。

目前，伴随制程技术的精进，对ECC更错能力的难度要求就会愈来愈高。50奈米制程需要至少8-bit ECC错误侦测回复功能，40奈米制程需要的就达12-bit ECC错误侦测回复功能。

2.5 整体固态硬盘的可靠度及稳定度改善（Reliability Assurance）

目前，要如何去订定一个标准的固态硬盘稳定度或使用寿命还未达共识，因为并无测试的标准，而台商也普遍缺乏磁盘硬盘测试稳定度的技术。关于量测方面，可分三个层面来讨论，例如速度的标准、兼容性的标准及基本寿命要求。

目前，大陆已经成立中电标协移动存储标准工作委员会，已将SSD标准的制定与推广列为重点工作，标准制定首先集中在SSD寿命评估算法、外形尺寸、通用测试平台等方面。鉴于SSD产品在大陆地区广阔的市场前景和大陆厂商的综合实力，JEDEC也已经强烈表示出与移动存储标工委的战略合作意向。台湾地区的各界产业人士结合NAND Flash上下游产业成立SSD联盟（SSDA，SSD Alliance），包括东芝、威刚、广颖、智微、祥硕、多利吉、鑫创、联阳、慧荣、群联电子、工研院、百佳泰等公司皆参与，共同推广固态硬盘技术。联盟先以2.5吋串行式先进附加技术（SATA）产品为测试模板，订定测试标准流程与认证计划，目标就是成为国际通用的标准。SSD联盟也与联合电子装置工程协会（JEDEC）合作，加速标准认定。笔者相信通过两岸厂商的通力合作，必定能够在SSD标准制定方面取得突破。

3 固态硬盘的应用市场

除了讨论目前技术难度外，笔者也大概将固态硬盘的应用市场分成三类，若用金字塔的概念来看，底层市场最广大的，便是目前普遍使用的低价计算机。不少PC/NB业者也纷纷推出内建SSD的NB机种，这部份都是业界期待用以取代既用磁盘硬盘的产品，只要价格够便宜，很有可能会是固态硬盘通吃的市场。目前在NB市场上，固态硬盘的渗透率仍比较低，只有不到3%的渗透率，后续成长空间极大。

金字塔市场的第二层，便是Industrial/Embedded PC的市场，这块市场强调的不是以速度为主，而是需要稳定及长期的供货。这部份有不少的厂商等投入，如Mtron、STEC及TDK等厂商都瞄准此块市场的商机。而在此块经营甚久的硬盘大厂并没有坐以待毙，他们同样看好未来固态硬盘的应用并先行布局，近期购并的动作也颇为积极。如硬盘储存大厂WD宣布，以 6500万美元购并位于美国加州的SiliconSystems公司，强化跨足嵌入式系统市场固态硬盘（SSD）市场的布局。SiliconSystems于2002年成立，迄今已有数百万台的固态硬盘等产品售出，供应给网络通讯、工业、嵌入运算、医疗、军用与航天等市场。以2008年为例，上述市场约占全球固态硬盘总销售便近三分之一的比重。

至于金字塔的最顶端，便是高阶的ServerPC市场，这块市场需要的是绝佳的效能表现、运作稳定、超高耐用度与数据的绝对正确性，价钱则是次要因素。因此，有许多国际大厂，例如Intel、SanDisk……等，皆积极推出给企业使用的高阶Server SSD，并以较硬盘还具优势的TCO （Total Cost of Ownership）来说服企业来采用SSD产品。

4 结束语

虽然固态硬盘应用市场目前对两岸厂商挑战较大，但笔者仍认为两岸厂商在固态硬盘市场是很有机会的。虽然两岸厂商目前没有NAND Flash芯片厂，但台湾的控制IC厂商、模块厂商及PC/NB厂商供应链，加上大陆的3C电子品牌厂商，以及未来广阔的市场前景，构成了完整的产业链。固态硬盘产业的兴起，加上两岸特有的个人计算机产业链，未来将不再让国外硬盘大厂独占鳌头，商机将无限宽广。★

【作者简介】

陈明达：毕业于美国加州大学洛杉矶分校（UCLA），航天工程博士。现任职于威刚科技股份有限公司，副总经理。在闪存应用产品开发上绩效卓著，已取得全球85件专利，另有86件专利申请中。截至目前已荣获8项德国iF、4项德国reddot、5项日本G-Mark、4项美国CES创新奖、3项台湾精品金/银质奖、2项Computex最佳外销信息产品奖等。其所负责的闪存产品线，业已开发出完整之记忆卡、随身碟系列产品，产品持续销售拓展至全球市场。