QLC快闪记忆体参上,SSD储存战力再进化的关键

2018-12-18 15:12

导读: 前景看似一片美好的SSD固态硬碟,却有着「每GB储存容量成本」无法追上机械硬碟的缺憾,虽然从Gartner Research所发布的「Forecast : Hard-Disk Drives, Worldwide, 2014 - 2021, 1Q17 Update」报告中来看,SSD固态硬碟的「每GB储存容量成本」已从2014年的$0.

前景看似一片美好的SSD固态硬碟,却有着「每GB储存容量成本」无法追上机械硬碟的缺憾,虽然从Gartner Research所发布的「Forecast : Hard-Disk Drives, Worldwide, 2014 - 2021, 1Q17 Update」报告中来看,SSD固态硬碟的「每GB储存容量成本」已从2014年的$0.84/GB平均价格,逐年下降到今年约$0.25/GB,不过,还是无法跟每GB不到$0.1的机械硬碟相比。

 

▲ 随着快闪记忆体的技术发展,SSD固态硬碟与机械硬碟的每GB储存容量成本的差距会越来越小。

 

由于内部构造完全不同于机械硬碟,不管是2.5”或M.2规格的SSD固态硬碟,其内部不外乎是由主控制器、快闪记忆体、DRAM这三种元件所组成的,掌控SSD固态硬碟读写运作的主控制器,可以说是SSD固态硬碟的大脑中枢,搭配它运作的DRAM(缓冲记忆体)则是用来存放硬碟分区表(LBA,Logical Block Addressing),或是用来缓冲存放读写资料,至于你的资料则是全部存放在快闪记忆体里。

 

因此,为了与机械硬碟在相同的容量规格下,逐渐拉近彼此之间的储存成本,厂商们势必得不断提升肩负储存资料的快闪记忆体技术,才能在满足消费者的储存需求下掏钱选购。

 

储存空间更大的QLC快闪记忆体

 

SSD固态硬碟发展至今,快闪记忆体的技术已经历经四次升级,从SLC、MLC、TLC,如今随着Intel在今年的Flash Memory Summit展场上发表首款采用QLC的660P PCIe NVMe SSD后,QLC也正式进入消费市场,而QLC的到来,意味着SSD固态硬碟在一定的成本下,可以提供更大的储存空间来满足消费者的需求。

 

这是因为快闪记忆体是透过其最小的储存单元(Cell)的电位,以划分不同的阶数在该储存单元内存放1 ~ 4个位元数(bit),而依据每个储存单元可存放的位元数不同,可以区分SLC、MLC、TLC和QLC这四种快闪记忆体类型。

 

SLC(Single-Level Cell)只有两种电位变化,所以,每个储存单元只能储存1 bit的资料;MLC(Multi-Level Cell)则有四种电位变化,因此,每个储存单元可以比SLC多储存到2 bit的资料。

 

而市场上目前主流的SSD固态硬碟所采用的TLC(Trinary-Level Cell),则是每个储存单元可以储存3 bit的资料,是SLC的3倍、MLC的1.5倍,因此,在相同的体积下能够储存更多的资料,自然也让储存成本更加便宜。

 

所以,以此类推,新进入消费市场的QLC(Quad-Level Cell),就是将每个储存单元可以储存的位元数增加到4 bit,进而可以比TLC多储存33%的资料,来达到储存成本更低、容量更大的目的。

 

▲ 从SLC、MLC、TLC,以及最新的QLC快闪记忆体,随着每个储存单元可储存的位元数增加,使得SSD固态硬碟拥有容量更大、储存成本却更低的发展趋势。

 

然而,随着每个储存单元可以储存位元数的增加,电位变化的状态也随之增加,在资料储存运作上不但需要更大的电压,耗用更高的功耗,也让资料存取控制上变得更加复杂,进而拖慢资料存取速度;除此之外,由于其运作原理中绝缘层先天物理上的限制,伴随着存取次数、资料量的增加,绝缘层也会因逐渐变薄的因素发生漏电的现象,造成P/E(Program/Erase Cycle)抹写次数的减少,而缩短SSD固态硬碟的使用寿命。

 

▲ 透过CrystalDiskinfo工具可以检测SSD固态硬碟的存取次数、资料量,来约略推断其使用寿命。

 

相同的,储存容量比TLC更大的QLC,一样有随着电位变化状态的增加,造成快闪记忆体耐用性,也就是SSD固态硬碟使用寿命的问题。为了解决QLC所带来的同样问题,厂商们便从SSD固态硬碟的运作中枢— 主控制器着手,藉由透过最佳化主控制器的演算技术,再分别搭配SLC快取、高OP( Over Provision,预留空间)的方式,让采用QLC快闪记忆体的SSD固态硬碟不管是在读写效能、使用寿命,以及可靠性上都有一定程度的提升。

 

以Intel 660P PCIe NVMe SSD固态硬碟为例,除了依照512 GB / 1 TB / 2TB产品容量的不同,事先各自分别划分6 GB / 12 GB / 24 GB固定大小的QLC快闪记忆体,以1 bit的方式「模拟」SLC快闪记忆体的资料存取运作,作为固定的SLC快取来大幅提升SSD的读写效能外,同样也会额外依照512 GB / 1 TB / 2TB产品容量的不同,分别最多划分6 ~ 76 GB / 12 ~ 140 GB / 24 ~ 280 GB的QLC快闪记忆体作为动态的SLC快取后,随着实际的使用容量来随时调整SLC快取的空间大小,透过固定、动态的SLC快取技术的并用,来取得采用QLC快闪记忆体的Intel 660P PCIe NVMe SSD固态硬碟在读写效能和使用寿命彼此间的完美平衡。

 

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▲ 透过固定、动态的SLC快取技术的并用,Intel 660P PCIe NVMe SSD固态硬碟除了可以带来QLC所具有的高容量储存空间外,也能提供等同SLC的读写效能。

 

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▲ 藉由Intel SSD Toolbox中的「Intel SSD Optimizer」功能,可以手动清除、搬迁SLC快取里的暂存资料后,将Intel 660P PCIe NVMe SSD固态硬碟回复成最佳的初始效能。

 

省下DRAM,输掉效能!

 

而在SSD固态硬碟内部组件的变动中,除了比较受到注目的QLC快闪记忆体外,另一个就是近年来有些厂商所导入的DRAM-Less设计,藉由移除SSD固态硬碟内部的DRAM,来达到厂商们可以降低SSD固态硬碟整体物料成本(BOM)的目的。

 

这对消费者来说,虽然能够以更低的价格买到储存容量相同的DRAM-Less SSD固态硬碟,但在资料存取效能上却无法跟一般的SSD固态硬碟相比,因为,一般来说,SSD固态硬碟所配置的DRAM容量多为256或512 MB,容量虽然不大,但却对提高SSD固态硬碟的每秒输出入(IOPs)效能有着关键性影响,所以,如果SSD固态硬碟没有DRAM来担任快取缓冲、暂存读写资料的话,将会拉低其存取效能。

 

因此,NVMe工作小组在2014年提出的NVMe v1.2版本中,制订了「Host Memory Buffer(HMB)」规范,让主机端(Host)可以将目前用不到的系统记忆体资源,透过NVMe传输协议提供给SSD固态硬碟使用,如此一来,DRAM-Less SSD固态硬碟就可以在本身没有配置DRAM的情况下,从主机端取得系统记忆体资源作为快取来提升其存取效能。

 

也因为DRAM-Less SSD固态硬碟会透过HMB取用主机板上的系统记忆体,除非主机板上的系统记忆体已经插好插满,否则,当系统记忆体的容量过小,电脑的整体效能就会被DRAM-Less SSD固态硬碟拉低,毕竟这是一种「挖东墙、捕西墙」的做法,省了SSD固态硬碟的花费,势必要在价格也不便宜的系统记忆体补足,是否划算就看消费者个人的选择了。

 

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▲ 透过「Host Memory Buffer(HMB)」规范,DRAM-Less SSD固态硬碟就可以在本身没有配置DRAM的情况下,从主机端取得系统记忆体资源作为快取来提升其存取效能。

 

想要在选购SSD固态硬碟前确认其是否为DRAM-Less设计,最准确的方式莫过于看该SSD固态硬碟是采用哪款主控制器。以比较广为SSD厂商所采用的Marvell、Phison和SMI这三家主控制器厂商来说,Marvell 88NV1160 / 88NV1120、Phison PS3110-S11 / PS5008-E8T,以及SMI SM2263XT / SM2258XT都是这些厂商基于NVMe v1. 2的HMB规范,目前所推出的DRAM-Less控制器解决方案,知道这些基本资讯后,才不会在自以为捡到便宜的情况下,买到存取效能不如预期的SSD固态硬碟。

 

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▲ 从SMI SM2263EN / SM2263XT两款主控制器的规格比较表来看,DRAM-Less的SM2263XT尽管有HMB加持,但在随机读取效能上仍不及SM2263EN。

 

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▲ Micron Crucial公司近期所推出的BX500,采用SMI SM2258XT主控制器,是一款定位为入门的DRAM-Less SSD固态硬碟。

 

高容量、储存成本更便宜的QLC快闪记忆体

 

在今年的快闪记忆体高峰会(Flash Memory Summit)众多新技术、新产品中,最受注目的莫过于采用QLC快闪记忆体的新一代SSD固态硬碟,不同于过往的MLC、TLC快闪记忆体,新登场的QLC快闪记忆体挟其储存空间更大、价格相对低廉的特点,未来有望与储存成本相当便宜的机械硬碟一较高下,尤其是在目前单一QLC颗粒的储存容量已经突破1 TB,2 TB的目标也近在咫尺下,依照技术演进的趋势来看,假以时日推出6 TB或更高容量的产品似乎也没什么问题。

 

至于存取效能比较差的DRAM-Less SSD固态硬碟,比较适合只有上网浏览、打文书作业这类不需要SSD固态硬碟长时持续读写的环境,或是在乎入手预算的消费者选购使用,相反的,如果是经常进行影音编修、不时复制搬移文件档案这类需要SSD固态硬碟进行长时持续读写的操作时,建议还是选购一般有DRAM担任快取缓冲的SSD固态硬碟会比较合适。

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