SSD读写次数受限

随着半导体制程不断进步，单颗NAND Flash储存容量也因此提升许多，从以往256MB到现在16GB，市场单价不断降低也有助于扩展市场应用的接受度。以电子储存为基础的固态硬碟SSD和记忆体模组设计，结合控制IC和NAND Flash，利用传统区块写入抹除方式并仰赖读写存取的设计效能，具备低耗电、重量轻、尺寸小、无噪音、耐震、开机速度快等特性优势。

不过NAND Flash本身的电子闸在读取次数越高的情况下越不稳定，且NAND Flash写入前必先全部抹除、即使是写入1bit也要全部抹除的特性，连带使得SSD读写次数有所局限。整体而言，SSD写入速度不若读取速度，也是影响SSD使用感受的问题。目前SLC架构的SSD读写次数可达10万次左右，一般为3～5万次；而MLC SSD则在5000～1万次左右。尽管MLC SSD架构却因其特性可大幅扩充储存容量，价格也较低，常应用于各类消费电子产品。不过MLC颗粒特性却会带来写入次数少、写入速度慢、可靠稳定度较差、寿命较短等问题。克服MLC架构缺憾对于提升SSD应用普及度而言，相当重要。

《图一 64GB容量的2.5吋SATA SSD与同尺寸规格5400rpm转速的HDD之间效能比较示意图 》 数据源：创见信息（Transcend）

控制IC角色关键

若要提升SSD硬碟与嵌入式小型SSD记忆体模组的运作效能，需要功能强大的SSD控制晶片，来克服SSD在稳定性、可靠度与使用寿命等课题。因为尽管NAND Flash随着微型制程技术演进储存容量变高，不过存取速度也因此变慢，使用寿命变短，这就需要控制IC的技术革新来解决问题。控制IC负责支援运作各种不同制程规格的NAND Flash，在这里控制IC注重的是稳定度、资料可靠度（data retention）和耐用性（endurance），韧体设计角色尤其关键。

不过单仅提升控制IC功能设计还不够，群联电子（PHISON）研发处产品专案管理部资深专案经理许江汉便指出，还要从模组内部考量控制IC与NAND Flash之间的运作效能，并且一并从外部系统整合角度，考量提升速度、使用寿命及相容性等要点。百佳泰（ALLION）新兴事业开发部业务部协理赖俊亨认为，目前台湾控制IC厂商在控制2～4颗NAND Flash的能力已经相当成熟，未来正朝向控制8颗或是2～3种各不相同的NAND Flash产品前进。

系统整合提升SSD效能要点

许江汉进一步表示，从系统整合角度来看，提升SSD速度不仅是读写速度，还包括照顾到消费者的使用经验，例如考虑到SSD在开关机速度及进入作业系统的速度。使用者不会计较多媒体影音视讯内容的储存时间，而是会介意开机时间和进入休眠状态、或者同时使用各类应用软体所花费的时间，这与random写入速度的效能关系密切，而与一般读写速度较无关。其次SSD使用寿命也很重要，包括温湿度、耐热度、Wear Leveling、读写次数等可靠度和耐用性。再者是相容性课题，除了与不同品牌大厂系统软硬体之间的对外相容性外，与各家NAND Flash大厂之间的内部相容性测试更是其重点。许江汉深入指出，单就掌握控制IC技术不足以掌握SSD系统整合要点，且获利及附加价值亦有限，因此控制IC厂商多朝向记忆体模组和SSD成品领域多元并进。

《图二 群联电子针对Netbook应用所整合设计的PATA界面CF控制IC与内存模块 》 数据源：群联电子（PHISON）

控制IC提升SSD效能技术大要

控制IC所注重的稳定度在于尽量让SSD资料读写正常，避免资料流失；可靠度是能让SSD快速正确地写入读取档案资料；耐用度的重点在于延长SSD资料保存年限。目前控制IC厂商多普遍采用损坏区块管理（Bad Block Management）、错误修正码ECC（Error Correcting Code）、平均抹除写入储存区块（Wear Leveling）三种演算机制，来达到上述效能要求。此外，除错管理（bit Error Handling）也是增加SSD稳定性的重要关键技术。

ECC用来确保系统正常运作的稳定度，不因资料错误导致当机，这也可藉由强化NAND Flash特性着手。 BBM和Wear Leveling是针对耐用性所设计的坏区管理机制，可提升资料存取可靠度；控制IC可透过BBM侦测并标示NAND Flash内的损坏区块，并警示避免资料存入此区块中。 Wear Leveling是藉由控制IC尽可能让资料平均使用存取于每一block区块中，避免特定block区块因使用过度而坏损。无论是ECC、BBM还是Wear Leveling，都是针对资料储存程序已进入Flash区块阶段的维护设计。

《图三 SSD兼容性测试实验室一隅 》 场所来源：慧荣科技（SiliconMotion）

稳定度

百佳泰业务部协理赖俊亨表示，由于NAND Flash移转电子需要电动势（eV），高温易让电子移动，资料毁损风险也会因此提高。因此随着SSD存取读写量增加，储存效能及资料稳定度也会跟着下滑。因此SSD模组厂商应选择运用错误修正码ECC能力较好的控制IC设计。慧荣科技（SiliconMotion）总经理苟嘉章深入说明指出，ECC是帮助SSD在单位资料中回复修正原先资料的设计，ECC不仅要侦测，更要修正，例如在1.5k单位​​资料中回复24bits的除错能力。此外若要进一步避免资料存取错误，也必须强化pattern encryption设计，亦即避免特殊pattern进入Flash内，而使得page被感染到，进一步减小data corruption和noise injection的负面影响。

赖俊亨进一步表示，SSD记忆体模组设计藉由控制IC的ECC功能，检查传送至NAND Flash的系统和资料是否有误，可修复并提高资料储存保​​留时间，进而提高稳定度。一般记忆卡或USB device产品常以4bits的ECC除错修正码为主，而企业多使用8bits除错能力的ECC编码。

不过目前有关ECC部分测试相当困难，也较没有任何方法作为依循，因为ECC除错能力几乎属于各家控制IC大厂的专属know-how，测试方法也掌握在各家控制IC大厂手上。

可靠度（data retention）

资料可靠度则藉由控制损坏区块管理BBM演算机制强化提升，群联电子资深专案经理许江汉便以群联的Smart command设计举例指出，这可警示bad block写入抹除次数已达极限进一步提前预防。赖俊亨则说明指出，一般在设计上，SSD成品会保留2％以上block替换包含出产坏轨部分以及提早出问题的区块，不过这种方法却会导致降低效能的副作用。

《图四 群联电子相关测试环境建制示意图 》 数据源：群联电子（PHISON）

慧荣科技总经理苟嘉章则进一步指出，工规SSD测试对于资料可靠度的要求非常严谨，在BBM管理上更需要强化预警防范演算机制，亦即在NAND Flash本身的page和block到达使用临界点（edge）时，藉由控制IC自动产生警示机制，提醒系统搬移相关资料至其他NAND Flash储存区块，并标示损坏区块以避免资料存入导致损坏风险。宇瞻科技（Apacer）研发处硬体研发部经理李俊昌说明表示，以往控制IC以8051基础的8～16bits单晶片为核心，由于SSD可靠度不断提升，工规SSD控制IC也开始转向ARM或是RISC为基础的CPU架构发展。

可靠度测试要点

百佳泰业务部协理赖俊亨表示，电压、温度、写入次数大小，都会影响SSD产品资料可靠度的测试结果，至于PCB品质对于Data Retention影响则较小。可靠度测试藉由恒温箱环境测试，加强温度湿度变数缩短使用时程，加速成品临界点。慧荣科技在可靠度测试的要点则包括edging test、burning test、high and low temperature test以及power cycling test等项目。例如edging test就是测试产品老化程度，包括许多corning case应用测​​试方法。宇瞻科技研发部经理李俊昌则指出，对于工规SSD的可靠度测试，在模组成品阶段便会进行一连串项目，包括长时间环境测试、相容性平台测试、开关机断电测试等等。工规SSD对于稳定度和可靠度要求较高，效能反倒是其次。

《图五 测试SSD可靠度的可程序恒温恒湿试验机 》 场所来源：慧荣科技（SiliconMotion）

耐用性（endurance）

赖俊亨进一步指出，为解决耐用性（endurance）问题，控制IC厂商常以Wear Leveling和White Cache方式，将读写次数平均化。 Wear Leveling技术将所有NAND元件视为同一记忆体单元，控制晶片能将host端资料的逻辑性区块转换为物理性区块，并平均写入任一区块之中，以此降低资料重复写入同一区块的机率，平均使用抹写次数，来提升SSD产品的耐用寿命。

赖俊亨深入说明表示，各家控制IC厂商在设计Wear Leveling演算机制异中有同，计算方法大约有两种，其一是Write Amplification，亦即写入1k资料需要多少k的Flash资料区作为奥援，目前一般设计为10×～40×。另一则为White Efficient，亦即调整Wear Leveling的控制能力。不过由于Wear Leveling会使用动态资料结构表，结构表不断变化的特性，会提高SSD当遇上资料损坏时救援储存资料的困难度。

耐用性测试要点

赖俊亨指出，测试Wear Leveling能力相对困难，必须依靠控制IC厂商协助，否则测试机构无法径自进行。目前一般SSD使用的MTTF或平均故障间时间（MTBF）百万小时只是经验值，T13组织正在制订相关回报机制，此外Intel也有公式可依此进行测试。目前百佳泰也已与相关厂商合作可先针对Wear Leveling进行测试。

提升SSD写入速度

除了需注意控制IC在资料可靠度以及耐用性的关键角色之外，如何提升写入速度也是关系到整体SSD效能的重要环节。前面已经提到相关使用者经验与random写入速度的密切关系。 SSD处于random写入状态时会影响使用寿命，而可用空间零散导致效能降低的现象，也是今日所有SSD硬碟所面临的共通问题。

《图六 SSD可靠度测试设备一隅 》 场所来源：慧荣科技（SiliconMotion）

方案一：外加cache提升random写入速度效能

群联电子资深专案经理许江汉指出，若要提升random写入速度效能，可采取NAND Flash加DRAM cache的混合（hybrid）记忆体模组设计，尽管DRAM会因为断电就丧失储存特性，但其写入速度比NAND Flash快上许多。以DRAM当作cache与控制IC相互搭配，可进一步提升像是Netbook在random作业时的储存效能。藉由控制IC的韧体设计，先将小型资料快取存入DRAM，等一段时间后再搬入NAND Flash中，可有效提升random写入速度。百佳泰业务部协理赖俊亨提醒,把RAM加大,Flash抹写次数相对减少,可进一步提升效能,不过DRAM一旦断电,资料储存会有遗失风险,这点必须注意。

方案二：向内提升NAND Flash本身写入抹除速度

另一种方式是直接改变NAND本身介面，提升NAND Flash的写入抹除速度，例如藉由ONFI NAND和Toggle NAND，Flash不再经由Flash介面而改采DDR介面，其传输介面速度比约为40： 133，可有效提升写入速度，不过这样的改变，可能会使得以往的控制IC，无法有效相容支援ONFI NAND和Toggle NAND。

许江汉表示，今年5月群联电子即将推出的控制IC系列，结合自身研发的韧体控制设计，除可支援各类奈米制程的NAND Flash之外，亦可支援混合式记忆体模组以及新款采用DDR介面的NAND Flash产品，能解决上述无法相容支援的难题。由于群联也是ONFI NAND的创始成员之一，而Toggle NAND的两大创始者之一的Toshiba（另一则为Samsung），也是群联的最大股东，因此在支援此新款NAND Flash上​​具有相当优势。

提升MLC SSD写入速度和耐用性

前面提到克服MLC架构缺憾对于提升SSD应用普及度而言，相当重要。慧荣科技总经理苟嘉章认为，一般系统厂商会对于MLC SSD稳定度较不具信心，原因在于MLC属于双paired架构，写入过程时突然断电，尽管host端会察觉而不再传输储存资料，但这会影响paired page之前的paired page在储存细胞的物理特性，使得资料储存中断造成data corruption。这时便需要软体处理error handling以及retreat相关问题，需要事先预防断电时进一步回复指令，以便每次写完时有效整理资料，另一方面针对MLC SSD不同的保护层设计也是其软体设计重点，这些都是各家控制IC厂商的专属know-how。

《图七 SLC（Turbo MLC）与MLC Hybrid架构示意图 》 数据源：慧荣科技（SiliconMotion）

群联电子资深专案经理许江汉深入说明表示，群联在去年底已开发出Ultra MLC技术，藉由自立研发的韧体技术，可把MLC写入速度和可靠度提升至SLC水准，虽然容量会因此变小，不过价格仍维持ML​​C的水准，只有SLC的1/3。慧荣科技也进一步以混合架构概念（hybrid concept）为基础，利用演算法设计所谓turbo MLC架构，亦即将density位居次要考量，把经常储存写入的资料搬进SLC或是turbo MLC当中，不常用或是以读取为主的资料则放进MLC内，来进一步提升SSD耐用性和提高产品使用寿命。

SSD相容性测试重点

正因为要提升SSD产品品质，不仅要从内部需考量控制IC与NAND Flash之间的运作效能，也要从外部系统整合角度考量提升速度、使用寿命及相容性等要点，因此除了提升控制IC 、NAND Flash以及MLC架构的效能外，SSD与其他系统装置相容性测试更是关键重要。SSD产品技术再如何精进，也需与系统整合厂商确定SSD产品与系统装置的相容性和稳定度；对于系统品牌大厂来说，提升SSD效能不仅是取得SSD测试数据而已，更要全面考量提升使用者经验，如此才可进入实质价格协商阶段，否则无法满足系统厂商相容性需求，一切再好的效能也无用。

一般而言，PC端应用的SSD测试较注重random写入速度，嵌入式小型SSD应用在例如数位摄录影机（Camcorder）装置则不着重random写入速度效能，因此测试要点便需针对不同SSD产品应用，提供客制化的革新内容。嵌入式小型SSD产品的测试困难之处，在于品牌大厂各自拥有专属且封闭的内核、指令和韧体设计要点是赖以生存竞争的关键环节，因此在相容性测试上，控制IC和记忆体模组厂商必须与品牌大厂维持机密封闭的合作关系。这对于建立共通性的测试标准来说无疑是相当难以克服的现实挑战。

《图八 各类Camcorder、手机、数字相机等可携式产品，在与SSD储存装置或是内存模块进入兼容性测试之前，均按照厂商编号及产品型号依序放在保藏室内 》 场所提供：慧荣科技（SiliconMotion）

SSDA 1.4版相容认证测试方案要点

SSDA针对2.5吋SATA介面SSD产品的1.4版相容认证测试方案，现阶段的测试概念分三个部分，一个是以HDD为基准进行的标竿测试（Benchmark Test），第二个部分为使用者模拟（User Simulation），针对使用者执行上的问题来测试，例如SSD与作业系统搭配的结果。第三部分则是SSD的Wear Leveling问题，与SSD使用寿命问题息息相关，也是各厂商积极发展的核心技术。

目前1.4版相容认证测试方案内容便包含OS独立测试（OS Independent Test）和互通性测试（Interoperability test）两大类，OS独立测试包括机械测试Mechanical Test、效能测试Performance Test、可靠度测试Reliability Test三大项，互通性测试则包括主机控制Host Controller以及作业系统安装OS Installation。其中Performance Test就涵盖标准检查程式（Benchmark Test）、OS Installation Time、Windows Boot Time、Power Consumption子项。 Reliability Test则包括Stress Test、SSD Power Cycling Test、Hot Plug Test子项。

目前SSDA在相容性测试上的Gold System包括Asus、HP、IBM、Acer、Dell、Apple等品牌大厂，作业系统涵盖Windows、Linux和Mac及其相关细项。基本上相容性测试使用一般测试工具进行模拟测试，例如Benchmark Test便采用HD Tune 2.55、FDBENCH 1.01、PCMark05 v120、 HDTachRW-3-0-1-0、Iometer 2006.07.27等测试工具。

《图九 SSDA在标竿测试（Benchmark Test）上以FDBENCH 1.01测试工具对各厂商SSD产品的测试数据结果 》 数据源：SSDA

1.5版相容性测试方案即将出炉

百佳泰业务部协理赖俊亨表示，SSDA未来将推出1.5版相容性测试方案，此方案强化耐用性和资料可靠度测试内容，并扩展至2.5吋SATA以外的记忆体模组测试，并增加对Windows 7的相容性测试。

针对SSD与Windows 7测试部分，赖俊亨进一步表示，Win7可藉由ATA8-ACS定义测试，来判别储存装置是否为HD还是SSD。其运作机制大要是Win7会停止部分HD相关的自动程序（例如硬碟整理），并增加对应SSD的指令，进一步改进起使安装磁碟区的设定，从原来#63区块改成#64区块，以符合Flash原则而提升耐用性和效能。赖俊亨乐观期待，Win7可进一步带动SSD一致性测试标准的需求。

台湾厂商SSD测试实验室发展现况

为求与系统厂商在相容性测试上维持更紧密的合作关系，以及维护自身在专属know-how的技术机密，大部分台湾记忆体控制IC和模组设计厂商均设有SSD或是NAND Flash模组测试实验室，一方面先期在市面上购买各类品牌大厂数位相机、摄录影机、Netbook等系统装置，进行不对外开放的内部性质相容性测试，一方面与长期合作的系统厂商进行客制化的测试合作项目。严谨的测试时间也需要1～2个月左右。慧荣科技总经理苟嘉章认为，不同的测试方法对于SSD产业而言并不见得是坏事，厂商也必须藉由与各大厂合作中学习，整合开发出一套软体，去模拟各项PC领域或是不同corning case的测试环境，使其发生变数能在短期内出现，有助于产生各项life span测试模型。

《图十 Host端系统兼容性测试实验室一隅 》 场所提供：慧荣科技（SiliconMotion）

群联电子的测试中心与各家系统厂商维持紧密的合作关系，例如NAND与DRAM的混合方案设计，或是增加硬体加密功能，即便拆解后放入其他装置内也不可读取储存资料的设计，便是来自于系统厂商的回馈建议、进一步改良所推出的解决方案。群联也邀请Microsoft、HP等系统整合厂商参与研讨观摩SSD测试相关内容，也会委外与百佳泰进一步合作测试。慧荣科技拥有规模相当大的SSD产品测试中心，目前约有1800～1900台各类款式型号的手机和数位相机，在测试中心进行嵌入式小型NAND Flash记忆卡测试，另外慧荣也针对10多种工业应用的软体，配合工业标准测试程序，进行SSD相容性测试，同时也针对SSD驱动多媒体视讯内容储存进行效能测试。

创见资讯也有自己的测试团队，强调记忆体模组及成品的稳定度与品质，会针对各项作业系统则包括Windows、Linux、Mac以及细项进行测试，此外创见在提升资料可靠度以及耐用性上，也有属于自己的韧体升级方案，在测试要点上也包含相容性、效能、环境、以及耐用性等环节。

结语

欲提升SSD运作效能，控制晶片角色关键，克服SSD在稳定性、可靠度与使用寿命等课题。除此之外，还要从模组内部考量控制IC与NAND Flash，并且一并从外部系统整合角度，考量提升速度、使用寿命及相容性等要点。为提升SSD写入速度，外加cache提升random写入速度效能、或提升NAND Flash本身写入抹除速度，均是可行方案。藉由混合架构强化MLC SSD写入速度和耐用性也是设计重点。为强化系统整合，相容性测试方案是目前SSD测试要点关注所在，未来针对可靠度及耐用性的共通性测试标准也即将出炉。