固態硬碟技術簡介

時至今日，在筆記型電腦中採用固態硬碟技術已有驚人的斬獲：雖然在2005年幾乎寥寥無幾，但是Gartner預估到2010年，將會有2,900萬台電腦採用。這代表不管是消費性或商用筆記型電腦，都將採用固態硬碟。

固態硬碟是一種採用NAND快閃記憶體的資料儲存裝置，用以取代傳統機械式硬碟藉由旋轉磁碟記錄資料。如（圖一）所示，不論是1.8吋或2.5吋的外型，固態硬碟的大小都和傳統硬碟一樣，但不同處在於固態硬碟由快閃記憶體和控制器組成，得以將固態硬碟的功能最佳化，因應筆記型電腦的需求。快閃記憶體和控制器嵌在一塊電路板上，加上標準的平行ATA（PATA）或序列ATA（SATA）介面，因此固態硬碟得以充分取代傳統硬碟。

《圖一　 固態硬碟內部的固態元件》

在筆記型電腦中採用固態硬碟優於傳統硬碟之處包括：

接下來再一一檢視，上述的優點將如何影響每日必須仰賴筆記型電腦的工作者。

固態硬碟技術的優點

高可靠性

由於沒有會移動的元件，因此固態硬碟本質上來說就非常堅固耐用。即使在極度險惡的溫度、濕度、震動、搖晃或高度等條件下，快閃記憶體不會有傳統硬碟常見的失誤，例如會導致資料部分或全部遺失的磁頭撞毀。極度的震動或溫度變化，亦是傳統硬碟失誤的主要原因，例如在寫入資料時，進行偏離軌道的讀取；另外由於在高溫下會揮發氣體，易形成磁頭和磁碟表面的顆粒；在運送途中承受的水氣，亦可能導致傳統硬碟受到些微的腐蝕。

Gartner指出，筆記型電腦中的主機板和硬碟，是最容易發生錯誤的硬體元件（佔所有錯誤比重的25%到45%之間），同樣也是桌上型電腦發生錯誤的最大根源。這個發現將對筆記型電腦的總持有成本發生重大影響。Gartner表示，NAND快閃記憶體的高可靠性，是個人電腦採用固態硬碟最大的驅動力。因為對IT主管和消費者而言，意味著可以降低總持有成本（total cost of ownership, TCO)。但是，並不是所有類型的NAND快閃記憶體都可靠。

硬碟讀寫頭短暫或持續接觸硬碟磁盤，導致磁頭撞毀的嚴重程度不一。磁頭撞毀的原因有許多：包括實體震盪、系統移動、電力變換等。以記憶體為基礎的資料儲存裝置可以在攝氏0度至70度的溫度下運作；相較之下，硬碟僅能在攝氏5度至55度下運作。

精細的快閃記憶體管理軟體能具有電力管理功能，即使在供電發生錯誤時，亦能確保資料的可靠性。以記憶體為基礎的儲存解決方案的系統發生錯誤的時間距離（mean time to failure／MTTF）遠於傳統硬碟。舉例而言，典型的傳統硬碟 MTTF是30萬個運作小時，而SanDisk固態硬碟約為2百萬個運作小時，是前者的6倍。

最近一些第三單位對傳統硬碟錯誤的研究報告指出，傳統硬碟廠商所做的測試報告遠低於實際發生錯誤的機率。

更快的效能

固態硬碟的本質特性，可在不影響筆記型電腦使用週期的情況下，立即提升前者的效能表現。

與傳統硬碟不同，固態硬碟不使用旋轉後依靠機械手臂去移動轉動的磁碟來尋找資料，因此讀取檔案的速度遠快過傳統硬碟，隨機讀取小檔案的效能亦高於傳統硬碟。使用者可以在電腦開機執行容量在4KB左右或者以下的應用程式時，感受到兩者的差別。事實上，由於傳統硬碟的機械延遲，因此浪費了95%的時間在轉換這些小型檔案。SanDisk 固態硬碟平均只需要0.11分鐘來讀取資料，相較之下傳統硬碟需要14分鐘。如(圖二)所示，兩者的差距高達127倍。

《圖二　由於機械延遲，傳統硬碟急遽拉低了存取時間和IOPS》 - BigPic:699x302

更甚者，如(圖三)所示，在傳統硬碟效能持續減低的同時，固態硬碟仍能維持穩定的效能表現。有兩項主要原因導致上述結果：第一個原因是檔案破碎。經過時間，檔案會變得越來越支離破碎，因此傳統硬碟需要花更多的時間去找尋和重組完整的檔案。這降低了傳統硬碟的實際效能表現。於此同時，固態硬碟只需要最少的找尋時間就能達成以上目的。第二個原因就是資料以何種狀態存進傳統硬碟裡有關。倘若資料是首次寫入傳統硬碟，它將存在最靠近轉動磁碟的外圍，移動的速度遠高於靠近磁盤的中心位置。當傳統硬碟寫入的資料持續增加時，資料就會寫入比較慢速移動的中心位置。讀寫速度的降低幅度高達50%。固態硬碟則正好相反，由於沒有移動的元件，所以不論有多少資料寫入，效能仍然如同使用固態硬碟的第一天般快速。

《圖三　 連續讀取比較：經過一段時間之後，傳統硬碟的效能持續降低，固態硬碟仍能維持穩定》 - BigPic:667x287

更高的節電效益

傳統硬碟消耗的電力明顯高過固態硬碟。每分鐘轉速（revolutions per minute, RPM）越高的傳統硬碟，就要消耗更多的電如(圖四)。固態硬碟消耗的電力僅有5400 RPM硬碟的50%，和7200 RPM的硬碟相比，則為前者的75%。延長電池的使用壽命對外出工作者尤其重要，讓他們能夠在旅程中保持生產力。電池實際節省的電力存放在系統中，還必須視系統架構為何。

DRAMeXchange對SanDisk 固態硬碟所做的獨立研究評估指出，在對筆記型電腦同時執行多個應用程式軟體中的測試發現，傳統硬碟的電池使用時間大約為2小時35分鐘；於此同時，SanDisk為2小時52分鐘，多了將近10%。

《圖四　 SDD和傳統硬碟的耗電量比較，顯示當RPM增加時，耗電量也隨之增加（註11）》 - BigPic:699x293

對環境友善

在環保方面，固態硬碟還具有數個傳統硬碟所沒有擁有的優點：

這些優點讓快閃記憶體持續進軍消費性電子市場，包括進入USB快閃碟、MP3播放器、行動電話、全球定位系統（GPS），和數位相機的記憶卡。其廣泛的應用，加上其他的特質，讓快閃記憶的價格和容量深深吸引消費者。

突破成本限制

既然已經有了這一長串的優點，何以快閃記憶體尚未滲透到所有的筆記型電腦市場？歷經一個世紀以來，以快閃記憶體為基礎的固態硬碟已證實能應用在這個領域，為軍事和航空領域帶來可靠和堅固的資料儲存解決方案，前者對快閃記憶體需求遠勝於其他領域。

成本，就是讓快閃記憶體難以為筆記型電腦廣泛使用的原因。這個產業才剛開始讓高容量快閃記憶體的成本，下滑到足以和相對應容量的傳統硬碟抗衡。IDC的資料指出，60/64GB和 120/128GB的價格差距呈現出交集的趨勢，如(圖五)所示。

《圖五　60/64GB 的硬碟和固態硬碟的成本（以美金計算）比較，顯示正在交集》

無論如何，固態硬碟的優勢已經具有足夠吸引力。在估量導入快閃記憶體進入筆記型電腦的成本時，總持有成本必須永遠都被計算進去。IDC在近期的一個報告中強調，以同等容量來比較固態硬碟和傳統硬碟的價格，在衡量筆記型電腦是否需要採用固態硬碟時變得不必要。因為購買固態硬碟多出的價格，已被其能撙節的總持有成本抵銷。所以可以預見的，在可攜式電腦端，傳統硬碟將陸續轉變為固態硬碟。

在檢驗固態硬碟和傳統硬碟的總持有成本時，有幾點必須列入考量：

T人力成本。包括傳統硬碟的維修成本和IT人員設定（以及重新設定）筆記型電腦的時間成本

使用固態硬碟增加的生產力：

根據預估，平均三年的時間，就能夠回收固態硬碟的購買成本。

導入快閃記憶體管理功能

要讓固態硬碟容量和成本比足以吸引筆記型電腦使用者，必須考量到由於其採用NAND快閃記憶體，不易產生讀寫錯誤。而在導入更好的生產製程和更高密度的技術後，可進一步降低生產成本。因為其能節省矽晶片——快閃記憶體最昂貴的元件，需要更多有效的演算法來克服轉換到新的生產製程的限制，讓儲存媒介更倖免於錯誤。因此，快閃記憶體的管理專家面臨的下一步挑戰是讓NAND快閃記憶體可提供資料可靠性、高效能，以及筆記型電腦使用者所需要的電力效率。

SanDisk採用結合軟體驅動程式與控制器的快閃記憶體管理技術，安裝在作業系統和快閃記憶體儲存媒介之間。提供作業系統完全的阻隔裝置功能，從作業系統看來，快閃記憶體裝置就如同一個標準的傳統硬碟。

於此同時，SanDisk快閃記憶體管理功能，透明化地管理快閃記憶體媒介，使其免於原始NAND快閃記憶體的的本質問題。這項技術是克服OEM挑戰的重要元素，因為它能應付需要大容量資料儲存裝置的高效能應用，也能順利啟動作業系統和應用程式。

SanDisk快閃記憶體管理功能利用下列結構克服生產NAND快閃記憶體中的限制：

滿足筆記型電腦的需求

在企業筆記型電腦市場，眾多使用者如外出工作者的需求，僅需要32或64GB的儲存容量。在各式各樣的筆記型電腦中，都已經以1.8吋和2.5吋規格提供上述容量。上述使用者不需要將所有的資料帶上路以完成工作。他們主要的考量點在於與典型的消費電子裝置，例如一定要下載流行多媒體的青少年產品做出區隔。企業用戶需要筆記型電腦堅固耐用，確保資料可以在辦公室以外的環境中存取。他們需要快速存取資料已確保能夠及時回應客戶，他們也需要較長的電池使用時間，確保即使在外也能夠保有生產力。

如(表一)所示，32GB的儲存空間是企業用戶儲存關鍵程式、檔案，甚至許多個人資料在筆記型電腦中所需要的最少容量。於此同時，32GB亦能確保員工不會利用工作時間從事個人活動，令IT部門確保大部分的資料存放在企業的伺服器，能夠同時維持機密資料和安全層級的控制。

展望未來

依據不同的需求，資料儲存解決方案可以有多種應用。已經有許多的市場區塊出現：例如快閃記憶體正在取代硬碟做為更小、更堅固資料儲存方案的消費性電子。筆記型電腦則正要開始經歷這項轉變。

是否採用固態硬碟技術的原因不一，不僅是端視依靠成本。其他的主要因素還包括了：需要的儲存空間、堅固耐用、高效能和低電力消耗。除此之外，傳統硬碟到SDD技術的典範轉移還需要市場教育，而這還需要時間。但是就如35公釐膠捲為快閃記憶卡取代，和磁碟片被USB快閃碟取代一樣，預期筆記型電腦產業也將尋類似的軌跡轉變。

快閃記憶體的成本是採用固態硬碟技術的關鍵原因。快閃記憶體市場變化多端，供需以及技術進步決定成本的變化，提供給在外工作者的商用筆記型電腦市場，將是第一個開始轉變到固態硬碟的市場。固態硬碟的總持有成本遠低於採用傳統硬碟。除此之外，這塊市場也能充分領會固態硬碟的高生產力和更佳使用者經驗。

倘若一如預期，快閃記憶體價格能維持過去幾年來持續下滑的趨勢，我們預期固態硬碟的堅固可靠、高效能和節電效益將會變得更為吸引人，加入商用筆記型電腦市場的採用速度。其他的市場也預期會依循這個模式，例如：

一個全新的筆記型電腦世代正要到來，提供固態硬碟新的機會。舉例而言：

根據Gartner的預估，整體筆記型電腦市場的成長率將超過桌上型電腦市場，至2010年到達1億5千3百萬台的規模。

高密度快閃記憶體技術如多層單元(Multi-Level Cell, MLC) NAND，每個單元可儲存相較於單層單元（single-level cell）NAND兩倍的位元數。更精密的製程可讓快閃記憶體在高儲存容量具有成本效益。較小的快閃記憶體裝置則用來逐步改變筆記型電腦中的資料儲存媒介。它們都將需要精密的快閃記憶體管理功能以滿足企業和消費者對效能、持久性、節電效益和MTTF頻率的需求，進一步提升使用經驗和生產力。

未來就在眼前。固態硬碟最令人興奮之處就在於進入筆記型電腦的版圖，已從快閃記憶體供應商擴及到電腦OEM、作業系統廠商、晶片組廠商，以及近來許多成功的硬碟供應商，也開始規劃加入這個高度成長的市場。由於固態硬碟從1995年即開始在固態硬碟領域深耕，SanDisk近期供應主要的OEM廠商第五代的SanDisk 固態硬碟，其優異的市場定位定能迎向未來的挑戰。

＜作者為SanDisk產品行銷總監＞