SSD储存装置的嵌入式系统应用新趋势
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工控应用市场亟需高效能、高可信赖度、高强固度的固态硬盘。宇瞻科技(Apacer)开发出突破SATAⅢ瓶颈的超高效能的CSD产品，以特殊技术保存快取数据避免断电风险；产品以特殊镀膜与塑型技术，提供更佳的防水防尘等强固设计，并提供工╱军规数据抹写工具与云端监控软件，强化数据防护性并提升线上维护能力…
宇瞻科技(Apacer)产品研发处经理李俊昌，从储存装置界面技术演进、规格应用，及SSD如何因应工控领域的特殊需求做说明。Serial ATA International Organization(SATA-IO)组织，在2005年10月推出SATA Rev 2.5，2007年2月推SATA Rev 2.6，2009年6月推SATA Rev 3.0，2011年7月推出SATA Rev 3.1版。2013年8月推出SATA Rev 3.2修订版，列举从PCI Express界面技术延伸而出的SATA Express、M.2(NGFF)等新界面规格，增加对microSSD(SSD单芯片)、可抽取媒体的SSD模块(USM)等定义规范，以及针对固态混合硬盘(Solid State Hybrid Drives；SSHD)项目的最佳化。
SATA Rev 3.2新增的2.5寸新一代储存装置界面─SATA Express，其规格上沿用原先的SATA Connector，改成2组7pin SATA Port连接器+4pin PCIe信号的定义，能跟现有SATA埠接头兼容共存，并可安插两条连接线，若插入SATA Express的公接头时，则切换成以PCIe界面方式运作。SATA Express设计了x2双线道、双向多工串行信号，其最高传输效率可达2GB/s(PCIe 3.0)。
M.2起源于Intel于2012年IDF发表的Next Generation Form Factor (NGFF)，是针对Ultrabook、Tablet所设计的SSD附加卡标准。M.2目前有分为做SSD快取的Type 2242 SSD Cache Slot B，尺寸为22mm x 42mm；以及纯SSD附加卡模块的Type 2260 SSD Slot C、Type 2280 SSD Slot C，还有Type 22110 SSD Slot C，尺寸分别为22mm x 60 mm、22mm x 80mm与22mm x 110mm。
microSSD (uSSD)则是SATA- IO组织针对NAND Flash与Controller Die整合封装成单一芯片外观的SATA SSD所制定的规范(JEDEC MO-276)。芯片尺寸为20mm x 16mm，采Fine Pitch Ball Grid Array (FPBGA)封装，锡球间距(Pitch)为0.5mm。可用于直接焊接在小型嵌入式系统主板上以节省PCB空间。
Device Sleep (DEVSLP)则是SATA进阶电源管理协定，目前并非所有工控或一般主机板有拉出这条线。过去SATA对周边的节电管理，是透过软件方式，从全速作用(Active)到部份作用(Partial)，再进入睡眠(Slumber)模式。SATA 3.2追加DEVSLP信号线定义，使SATA周边能进入DEVSLP模式以进一步达成节电。
传输界面未来转向PCIe 但工控应用仍待观察
李俊昌提到储存装置势必从SATA转到PCI Express，但受限于工控主机板设计与验证的时间较长，他认为在短期内还不会看到。而PCI Express界面的时代╱速度规格，从第一、二代PCI Express (PCIe Gen1 & Gen2)采8b/10b编码，单线道(x1)传输速率为2.5？5GT/s (250？500MB/s)，16线道(x16)传输速率达4？8GB/s；到第三代PCI Express(PCIe Gen3)改采128b/130b编码方式，单线道(x1)传输速率为8GT/s(1GB/s)，16线道(x16)传输速率达16GB/s。
以各种尺寸的SSD储存装置，设计外接界面的可行性列表部份。M.2(NGFF)使用67/75pin Connector以及22mm宽，四种长度(42/60/80/110mm)的尺寸规格，可设计SATA与PCIe界面；MO-300 (mSATA)使用52pin mSATA插槽是沿自于miniPCIe插槽，因此也能设计成支持SATA与PCIe界面。至于2.5寸SSD尺寸为100mm x 70mm，可设计支持SATA与PCIe (SATA Express/SFF-
8639)界面，但MO-297(SATA Slim)储存模块，虽同样使用7+15的SATA Connector，目前仅支持到SATA，尚未支持PCIe。
应用于嵌入式系统的SSD技术解决方案
SSD已广泛应用到像零售点(POS)、医疗设备(Medical)、服务器(Server)、游戏机(Gaming)与平板电脑(Tablet PC)等嵌入式系统的开机╱储存碟的应用。从应用面(Application)、效能(Performance)、成本(Cost)与可信赖度(Reliability)四个SSD选购特性来说，工控用户过去的诉求是：应用>信赖度>效能>成本，但近年来会因市场属性不同，会有强调效能的：应用>效能>信赖度>成本之选择，以及跟消费者相同的：应用>成本>信赖度>效能之选择。
对工控应用市场而言，挑战在于需要极致高速的SSD，具备断电时快取数据的防护机制，防尘、防水与更多因应特殊环境的强固设计。需要保全防护措施避免数据外泄，客户想随时得知目前SSD的状况与使用寿命，也希望有更薄、更轻且更小巧的SSD产品。
突破1G高效能传输的工控用SSD
李俊昌介绍宇瞻开发的2.5寸Combo SATA Drive(CSD)固态硬盘，它用单片SSD PCB板实现两颗SSD Controller的两套实体SSD系统，封装成一部单一磁碟机外观；以RAID 0方式运作下，工控主机板设计支持两埠 SATA 界面，达到接近于PCIe Gen2 x2的效能(1GB/s)。以CrystalDiskMark v3做效能评测，循序读取与写入速度分别达到1,024MB/s、602MB/s。CSD也可因应客户需要，提供采一组SLC SSD搭一组MLC SSD的混搭设计，让SLC存放OS与重要应用程序，MLC存放一般数据。
宇瞻的CSD使用SFF-8482 29pin的SAS公接头设计。其防呆卡榫(Notch)的设计上，可以连接到服务器╱网络储存装置背板(backplane)上的SAS母接头，但无法连接到SATA母接头。若客户端设计SAS母接头于主板上，除了可连接一般SATA SSD/HDD外，亦可采用宇瞻的CSD 做加速、备份等模式SSD应用。
一般SSD会加上DRAM做为读写数据快取(Data Cache)以增加读写速度，但潜在风险就是遇到突然断电时，储存于DRAM快取区内的数据遗失。宇瞻SSD导入CorePower技术，以大型超级电容(Super Capacitor)储存备援电力，能在断电时提供电流给控制芯片做紧急处置，确保到完全断电之前，所有快取区的数据能写回NAND Flash非挥发性存储器。
在防护╱信赖度(Reliability Protect)设计上，宇瞻SSD导入低压塑型(Low pressure molding)技术，把PCB板上的IC连同接脚整个塑型包覆起来，避免氧化、板弯且增加抗震能力。另外还提供经济的一般性镀膜(Conformal Coating)，而纳米镀膜(Nano Coating)可以进一步填补到任何IC接脚、底部的空隙，强化抗氧化与防湿能力，杜绝化学物质、溶剂或二氧化碳的侵蚀。
宇瞻SSD导入CoreSecurity核心防护技术，以独特加密编码方式，避免SSD被移至其它平台读取；CoreProtector核心防护技术，提供数据、磁碟与装置三种等级的防写防护能力；CoreEraser Technology核心抹写技术，则提供快速抹写(QuickErase)、全磁区抹写(Full Erase)以及MIL军规抹写(MIL Erase)功能。
要了解SSD的运作状态，取得磁碟容量╱韧体等系统信息、S.M.A.R.T状态值、系统负载、SSD已区块抹除次数(Block erase count)、预估寿命、SSD检康状态、断电失效次数(System power hours/cycle/failure)等，过去只能在安装该部SSD的电脑上安装并执行检测软件；宇瞻提供SSDWidget云端监控Apps，可在手机╱平板下载后，透过云端来监控SSD状态；宇瞻的SSD会在任何有联网的机器上，将SSD硬件系统信息，经编码后送到客户自建的私有云服务器，供SSDWidget随时撷取并显示出来；或透过网页浏览器的方式，在任何联网终端经过简易设定后，就能读取远方机器的SSD系统状态值。
宇瞻开发的uSSD固态硬盘芯片为microSATA Disk Chip(uSDC)，芯片尺寸大小为20mm x 16mm，FPBGA156封装，支持SATAⅢ传输界面。目前uSDC已应用在移动设备、主板内建储存(Storage on board)，或轻薄笔记本电脑╱Chromebook的应用。此外也开发出无须外拉电源线，直接插在7pin SATA界面的小型SATA Disk Module。它直接利用搭配主机板在SATA Port公接头固定柱增加电源，电力透过附金属夹片的SATA埠母接头传至SATA Disk Module。
面对更轻薄短小的需求，宇瞻开发出仅5mm厚度的SSD，采SATA 6Gb/s界面设计并与标准22pin SATA接头兼容，重量仅57g；跟希捷(Seagate)、威腾(WD)的5mm SSD产品相比，宇瞻5mm SSD具备450MB/s循序读写的效能优势，也兼顾SATA界面接头的兼容度与轻盈度。
李俊昌最后总结，目前有更多针对工控应用的SSD产品出现，可依客户在嵌入式系统应用的需求，做特殊硬件、韧体定制化SSD的技术与服务，且宇瞻科技未来在嵌入式应用市场，将持续提供更多应用的产品。
