宜鼎国际：SSD制造商应善用各项技术　解决其在嵌入式系统装置所遇到的问题

宜鼎国际研发部协理吴锡熙。

工业用固态硬盘(SSD)─特别是MLC Flash由于价格便宜，目前已经在嵌入式业界广泛被运用做为设备的主要数据存储装置，但其朝向小型化的发展趋势，使得SSD在数据保存期间(Data Retention)、错误检查及校正(Error Checking and Correcting；ECC)与抹写次数(Programming/Erase Cycle, P/E Cycle)…等方面遇到严重的问题。为此有业者提出相关的SSD解决技术，以有效提高产品的表现品质，并能延长其可正常使用的寿命。

目前工业用固态硬盘(Solid State Drive, SSD)已经广泛应用于不同类型的嵌入式机器设备上，像是工业电脑(Industrial Personal Computer, IPC)工业电脑、Kiosk、POS、自动提款机、医疗用设备 …等上。长期深耕于工业控制业者快闪存储器存储装置供应制造领域的宜鼎国际(InnoDisk)，其研发部协理吴锡熙表示，与一般PC用芯片不同，由于嵌入式机器设备通常所处的作业环境较为特殊，因此对于其所使用的SSD于品质、耐震、防尘、效能、可靠度、实时回应速度、较大的温度忍受范围(在高温或低温环境下仍可正常运作)、定制化属性 …等方面的要求多半会较严格。

举例来说，「像是安装在行车记录器上的SSD记忆卡，如果无法承受车辆震动、高低温差的状况，很容易就会发生所记录的影像数据遗失的问题。」而另一方面，也随着现在智能手机、平板电脑…等移动设备的快速兴起，未来SSD继续朝高速、稳定、低耗能与小型化的方向发展也成为主要趋势。吴锡熙说：「像宜鼎国际所推出世界体积最小超微型的CF(CompactFlash)卡、CFast、PCIeDOM、mSATA、SATA SSD、SATA Slim、SATADOM、USB Embedded Disk Card(USB EDC)...等产品，都是SFF(Small Form Factor) SSD的典型代表。」

为因应新兴嵌入式系统装置的需求 SSD小型化是趋势

我们由Flash芯片制程的演进历史中亦可得到SSD往小型化发展证明。吴锡熙表示，根据数据显示，Flash的制程自2006年开始即快速由60纳米演进到2011年的20纳米，并预计到2013年可达到1X纳米的水准。「Flash虽然越做越小、成本也越来越低─2011年每GB容量的价格仅1美元，但在效能方面却变得越来越好，使得SFF SSD类型产品有很好的功能展现。」吴锡熙认为，这是因为SFF SDD产品在嵌入式系统平台上的传输接口多半都是以SATA(Serial Advanced Technology Attachment)为大宗所造成。

他解释，传统的PATA(Parallel ATA)界面数据传输速度到了133MB/s已是极限，但SATA I规格的速度为1.5Gb/s，而最新的SATA III更可高达6Gb/s，两者之间存在着极大的差距，这使得现在业界最新的SFF SDD产品普遍都以采用SATA界面为主。「像是用做便携式电子设备数据存储设备CF卡，现在宜鼎国际为因应工业控制厂商的需求，也设计出CF-SATA的版本规格，在保留其原有的连接线之余，在内部增加SATA界面的pin脚，以减少设备摇动/震动的影响，提高整体可靠性，并同提升数据传输的速度。」而由于一个插槽中拥有两种界面，在无形之中也让设计人员能保有更多的弹性可供选择。

不过即便解决了效能上的问题，但随着SDD产品小型化的发展，在其数据保存期间(Data Retention)、错误检查及校正(Error Checking and Correcting, ECC)与抹写次数(Programming/Erase Cycle, P/E Cycle)…等项目中却面临了相当严峻的挑战。「现在SSD产品所使用的Flash芯片可分为『单级单元(Single Level Cell, SLC)』及『多级单元(Multi Level Cell, MLC)』两种不同类型。」

吴锡熙表示，在实际的测试之下，虽然SLC Flash的读写速度会较MLC Flash来得更快，P/E Cycle更多(SLC Flash平均为10万次，MLC Flash为3,000次)，数据保存期间更长(SLC Flash为10年，MLC Flash为5年)，但由于MLC产品在相同制程的Die Size, 确比SLC多出一倍的容量制造技术较为成熟，平均单价仅约为SLC的1/3甚至1/4，因此有不少轻度抹写的嵌入式装置(像是POS及Kiosk…等产品)，已经开始逐渐在采用MLC产品做为其存储器配备。

MLC虽便宜但品质不稳定

但与SLC Flash相较，MLC Flash有相对不稳定的问题，需要更多的ECC bit才能确保数据正确，而小型化的发展趋势则更助长了此一现象的恶化。根据研究数据显示，2X纳米制程的MLC Flash在其P/E Cycle为7,000次时，所产生的Error bit就已经很快到达25个；而3X纳米制程的MLC Flash则要到P/E Cycle到达3~50,000次时，Error bit个数才会到相同的水准。

如果更进一步分析，「3X纳米制程的eMLC Flash在P/E Cycle值为90,000次之前，其Error bit值都一直长期保持在稳定的状态─大约2~3个，超过后才呈现缓慢上升的趋势。」吴锡熙表示：「至于2X纳米制程的MLC Flash，其Error bit值在一开始就有急剧增加的状况出现。」

吴锡熙说，无论是SLC Flash或MLC Flash，当其制程缩小时，P/E Cycle都会减少，所需的ECC bit数会增加。「如SLC Flash由5X制程发展到2Y制程，其P/E Cycle由10万次减少到6万次，所需的ECC bit由1增加到40个；而MLC Flash由4X制程发展到2Y制程后，P/E Cycle亦由5,000次减少到3,000次，所需的ECC bit则从4变为40个。」吴锡熙强调，这都再再表示当制程不断地往小型化发展时，其所制造出的Flash在品质上会变得较不稳定，读写过程中产生error bit造成数据遗失的状况会增加，因此需要更多的bit数进行错误检查及校正。

吴锡熙还补充：「数据保存期间也会随着制程缩小而减少。」像2X制程Flash的数据保存期间大约只有5X制程的一半。此外，当Flash的P/E Cycle次数增加时，或是本身处于极高/极低温度的状态下，也都会增加Error bit的数量、减少其数据保存期间，并让产品的可用寿命缩短。

根据数据显示，「当P/E Cycle到达3,000次时，其Error bit平均会由4个增加到20个，数据保存期间则从5年缩短到约不到1年的时间。」而在温度方面，当所处环境温度过摄氏75度或低于0度之时，产生的Error bit数量会快速升高，数据保存期间也跟着降低。「由于在工业控制环境中常有宽温-40°C ~+80°C应用的需求，这对MLC而言会是很大的挑战。」

改善MLC品质的可用措施及技术

为了因应制程缩小对数据保存期间、错误检查及校正与抹写次数…等方面所带来的不良影响，并避免嵌入式平台装置的消费者在使用一段时间之后，所可能产生的系统不稳定、数据遗失、处理效率缓慢…等严重客诉问题，宜鼎国际在工业控制应用的基础之上，针对MLC Flash的耗损平均技术(Wear-Leveling)演算、ECC Engine、Read Shift Retry、危险区块的数据再写入、随机化处理(Randomizer)及错误处置(Error handling)…等议题也发展出相关解决技术，以提高产品的表现品质，并延长其可正常使用的寿命。

以SATA6GHz 500MB/s的SSD为例子，其采用的原生指令排序(Native Command Queuing, NCQ)可加速主机与装置之间的数据传输并改善整体系统效能；SMART((Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology)则可监控装置内的SSD设备，并针对其各项可靠性指标表现进行侦测与报告，以便于在事前进行预防，避免问题的发生；至于TRIM功能则是对改善SSD系统作业表现的方面很有帮助。

吴锡熙说，这是由于Flash数据写入与删除两者所使用的单位空间大小不同(一次可写入的单位较小─4KB，删除的单位大─512KB)，以及SSD的数据删除作业与以往HDD不同，已经使用的数据区块必须在其实际被擦除之后，才能再次被写入数据，如果还沿用在相关磁区进行标记的方式，造成SSD实际可用于写入的空间越来越少，整体性能也因此而下滑。「TRIM指令会在操作系统进行数据删除的动作之后，即通知SSD的控制芯片该数据区块可被删除，SSD即会在系统空闲的时间，将该区块其余有用的数据搬移至记忆暂存区内，再进行擦除数据的动作，以避免无用的数据一直占用Flash的空间。」