固態硬碟技術簡介

固態硬碟（Solid State Drives，簡稱SSD）是一種能永久儲存資料的裝置，採用固態半導體的記憶體，如快閃記憶體（NAND Flash），有別於傳統硬碟機（HDD）所使用的磁性材料。由於可隨機存取資料且無須像硬碟機得仰賴讀/寫頭才能和旋轉中的碟片進行同步的特性，使得固態硬碟擁有更快的輸入/輸出（I/O）效能。此外，傳統硬碟的磁頭要移至碟片上資料所在的磁區位置，也得花掉數毫秒的時間。

固態硬碟的基本架構包含固態硬碟控制器/處理器、記憶體控制器、介面控制器、快閃記憶體晶片、同步動態隨機存取記憶體（SDRAM）、及介面連結器。

固態硬碟沒有移動式零件且近似傳統硬碟，因為兩者的尺吋規格相同，並支援各種標準硬碟機介面，如序列先進附加技術（SATA）、序列式SCSI（SAS）、及光纖通道（FC）等。由於沒有移動式零件，使其能有更長的運轉壽命，以達到更高的可靠度。固態硬碟的另一項優勢就是耗電遠低於傳統硬碟。

隨著記憶體容量的增加且價格越來越便宜，固態硬碟逐件取代傳統硬碟的使用。由於固態硬碟速度更快，每單位IOPS（每秒輸入/輸出作業）的成本也遠遠低於傳統硬碟。長期下來以每Gigabyte（GB）成本來看，固態硬碟將更具成本效益。許多分析師預測固態硬碟的價位未來可望持續穩定下滑，各個市場的使用率亦將陸續增加。

企業級固態硬碟

企業級固態硬碟是現今最高階的非揮發儲存裝置，其儲存技術在讀/寫效能、散熱、及能源消耗等方面比傳統硬碟更勝一籌。企業級應用能從固態硬碟發揮許多顯著的效益，用來作為儲存網路加速器，其中包括銀行與金融應用、線上交易處理、前端網頁伺服器、搜尋引擎、簡訊、及高效能運算等領域。

企業級固態硬碟與傳統硬碟皆有接腳相容性並支援各種標準磁碟介面，因此能安裝在絕大多數的伺服器平台及目前使用企業級硬碟的磁碟陣列。

企業級儲存裝置的主要效能標準，是依據IOPS的隨機讀取或寫入速度（見圖1所示）。

圖一 : 表1：資料來源: http://en.wikipedia.org/wiki/IOPS

企業級固態硬碟提供中等至高等的容量，並支援各種儲存效能與可靠性規範。專門鎖定企業級儲存市場，用來提供應用加速機制。

圖2 顯示SATA企業級固態硬碟的基本模塊圖。其他介面還包括與傳統硬碟相容的序列式SCSI（SAS）、光纖通道（FC）及PCIe。

圖二 : 企業級固態硬碟的基本方塊圖

以下將探討企業級固態硬碟採用SDRAM快取的必要性，以及在斷電時，運用目前超級電容或整排鉭質電容架構，備份SDRAM快取資料的關鍵部分，如圖1所示。此外，亦將探討此實作方式的可靠性，及運用非揮發記憶體解決方案（nvSRAM）作為更勝一籌的替代方案。

採用SDRAM快取的必要性

NAND flash快閃記憶體是企業級固態硬碟中的基本儲存元件。由於本身架構的因素，NAND flash快閃記憶體的主要限制是讀取速度無法跟上企業級儲存系統的資料傳輸速度。

也就是說，資料傳輸速度超過NAND flash快閃記憶體的寫入速度，因此企業級固態硬碟可利用高速資料快取改進寫入效能。企業級固態硬碟通常使用SDRAM作為快取，以存放與處理從儲存系統控制器所收到的部分數據。

此外，SDRAM中存放一份企業級固態硬碟元數據（metadata）的複本，其中部分必須根據元數據被寫入資料的相對應磁區位置進行修改。元數據通常包含平均抹寫、錯誤修正、轉譯表、實體/邏輯位址地圖、檔案配置表等資訊。其中，每份檔案都須進行多次寫入作業，而元數據的需求會隨著企業級固態硬碟的容量一起提升。

SDRAM快取資料與元數據的斷電備份

在企業級儲存系統進行資料傳輸作業，例如於企業級固態硬碟快閃記憶體中讀取或寫入位置，從電源供應系統一直到所有涉及的元件，包括儲存系統主控端、固態硬碟控制器、SDRAM快取、及快閃記憶體，都必須維持高效率的運作以確保成功的交易。然而，電子系統往往容易受各種電力中斷事件的影響，包括電壓尖波、斷電、突波、電壓下降等，可能導致以下資料流失或毀損：

當企業級固態硬碟向儲存系統控制器回報已將資料「通報已寫入到NAND flash快閃記憶體」時，就不允許發生資料流失。企業級SAS/SATA市場有一項熱插拔規範，即不論在任何時刻都不允許「回報已儲存（committed）」的資料發生流失，包括電力忽然中斷的狀況與操作人員疏失，在熱插拔維護作業時拔出錯誤的磁碟。

企業級固態硬碟控制器向儲存系統控制器回報接收資料狀態的機制有兩種：當資料真正已寫入媒體之後，企業級固態硬碟再回報已寫入的「秉實回報（write-thru）」模式，在這種模式中，企業級固態硬碟控制器會等到資料與修改後的元數據已真正安全存入快閃記憶體後，才會向儲存系統控制器回報寫入完成（committed）。

另一種作業模式就是在尚未實際存放，企業及固態硬碟就回報已完成的「提前回報（write-back）」模式，在某些資料串流與/或相對應的已修改元數據，實際上尚未「通報寫入」到快取，卻向儲存系統控制器回報為「已寫入（committed）」。

當發生電源故障事件時，任何向儲存系統控制器回報為 「已寫入」的資料，都必須立即儲存至非揮發記憶體中。企業級固態硬碟的快取所存放的任何其他資料，一律假設在斷電時都會流失。提前回報模式讓隨機IOPS的效能遠遠超越秉實回報模式，是高度隨機寫入式IOPS碟機的優先選擇模式。

為確保提前回報型產品能順暢運作，業者在企業級固態硬碟加入電源故障偵測電路，以監視電壓，在電壓下降至預設門檻值之下時，即向固態硬碟控制器發送訊號。系統中會建置一個輔助電壓維持電路，以確保儲存裝置有足夠的電力來備份SDRAM快取資料。

當電力失效時，輔助電壓來源就會提供所需的能源讓系統撐過作業時間，將內容從SDRAM傳送到快閃記憶體。圖3是企業級固態硬碟中典型電源故障偵測電路的模塊圖。

輔助電壓源可以是一個高容量超級電容或整排分立式鉭質電容。

圖三 : 典型電源故障偵測電路的方塊圖

超級電容

超級電容亦稱為超電容或電雙層電容（EDLC），這種電容的能源密度遠高於市面上其他種類電容，在許多電池備援應用中作為取代電池的可靠方案。

然而，超級電容存在許多可靠性問題，如長期可靠性方面存在許多不足之處，類似鋁電極電容。超級電容的使用壽命有限，因為電極經過長時間使用與元件運作溫度等因素逐漸消耗，導致元件損耗。超級電容的性能會隨著電極消耗而下滑，最終在沒有顯著徵兆，甚至完全無前兆的情況下完全失效。此外，運作電壓和運作與非運作溫度越高，電極的消耗率也越高。周圍運作溫度每增加攝氏10度，超級電容的使用壽命就會減半。

超級電容的失效模式包括：

當長時間在高溫環境下運作，電極的水份就會蒸發，進而導致等效串聯電阻（ESR）增高。最根本的失效情況是破口隨著ESR提高同時出現。

所有超級電容都附有類似這樣的警語：當使用這些電容時，設計中應加入適當的安全措施，如冗餘配置與各種保護措施。

整排分立電容

整排的分立電容提供一種更可靠的替代方案，但須更小心的設計。採用分立電容的電壓維持電路，以並聯方式加入一排分立電容。分立電容可採用鋁質電容、鉭質電容、或鈮質電容。由於少了超級電容的緊緻性，分立式解決方案的電容-尺吋比導致這類元件會佔用可觀的電路板空間。鉭質電容亦對短路與各種煙失效（smoking failure）機制敏感。

非揮發記憶體解決方案

非揮發記憶體（nvSRAM）對企業級固態硬碟的價值主張就是完全不用或盡量減少超級電容或整排分立電容，以及可靠地備份傳輸中的SDRAM快取資料與元數據，採用單晶片、無電池、非揮發的RAM技術。以下簡單介紹非揮發記憶體的運作方式，然後再探討在企業級固態硬碟中使用非揮發記憶體元件的細節。

非揮發靜態隨機存取記憶體（nvSRAM）

非揮發記憶體將兩種CMOS技術結合在一個元件，亦即SRAM與SONOS非揮發技術。在正常的系統啟動條件下，非揮發記憶體的作用和傳統SRAM沒有兩樣。IC中的SRAM部分以高達20奈秒的存取速度執行隨機存取式讀/寫動作，過程中採用標準的非同步SRAM訊號與時序。

一旦發生供電異常或中斷，晶片中的智慧功能會偵測出威脅，並自動把SRAM資料複製到非揮發記憶體，在這類記憶體中資料會儲存超過20年之久。在啟動電源進行RECALL回復作業時，IC會把資料複製到SRAM，系統就能精準地從關閉前一刻的狀態接續運行，提供永遠不會流失資料的高速SRAM。最新的高密度（16Mb）非揮發記憶體亦提供高頻寬的DDR NAND Flash（ONFI 3.0/Toggle 2.0）介面。

SRAM與非揮發陣列元件內部之間的傳輸屬於完全平行式（cell對cell），因此STORE儲存作業能在8微秒內完成，速度快到使用者感覺不到任何停頓。這類IC還提供由使用者控制的軟體STORE與RECALL啟動指令，大多數版本還提供由使用者控制的硬體STORE啟動指令。

非揮發記憶體是一種高度可靠的產品，採用成熟的CMOS與SONOS製程進行量產。此外，在許多應用領域至今已累積超過20年的歷史，其中包括軍事、商業、儲存、醫療、及各種工業應用。

圖4是非揮發記憶體的概念，將高速SRAM元件與非揮發元件整合在同一單元（cell）中。圖5是非揮發記憶體的單元結構。

圖四 : 非揮發記憶體概念

圖五 : 非揮記憶體單元

非揮發記憶體 – 企業級固態硬碟的非同步解決方案

圖6是將非同步非揮發記憶體，作為非揮發緩衝區，在電力中斷時，為企業級固態硬碟的資料流與元數據提供緊急儲存空間。圖6中的VCAP電容提供STORE作業所需的電力，將資料從SRAM移到非揮發單元。VCAP是一個標準電容，容量約50 μF（詳細資料請參閱產品規格表）。

圖六 : 企業級固態硬碟非同步非揮發記憶體解決方案

對於許多新設計而言，現今市售的非同步非揮發記憶體密度從256 kbit至8 Mbit皆有提供，16 Mbit的元件於2012年問市。

非揮發記憶體–企業級固態硬碟的同步型解決方案

圖7是針對企業級固態硬碟設計的非揮發記憶體元件，這類元件採用新型同步式高頻寬（最高達12.8 Gbps）NAND介面的非揮發記憶體。這些元件將推出16-Mbit的密度，目前已開始送樣，預計於2013年第1季開始量產。

圖七 : 業級固態硬碟專屬的同步式非揮發記憶體解決方案

如前文所述，運用一個超級電容或整排的分立鉭質電容作為輔助的電壓來源，在供電中斷時提供所需的能源，讓系統把資料從SDRAM傳送到快閃記憶體。

在電力中斷時把資料從高速揮發性記憶體傳送到非揮發記憶體的作法，採用的概念和Cypress在20年前發表非揮發記憶體時的概念相同。兩者的差別在於Cypress的非揮發記憶體內含電力偵測、資料傳輸管理、高速揮發記憶體、及非揮發記憶體等元件，並全部整合在一顆IC內。

資料傳輸作業全程在記憶體單元內部完成，耗費的時間相同，耗電極低，僅數毫秒就完成。另外，SDRAM至快閃記憶體之間的傳輸，是利用高功率I/O管道在系統層級中進行，不僅會很快耗盡大型電容所積蓄的電力，耗費的時間也大幅增加。

企業級固態硬碟架構中的控制器亦支援透過高速同步式NAND介面，連結到快閃記憶體（ONFI 3.0與Toggle DDR 2.0）元件。

Cypress經過長時間考驗的非揮發記憶體核心技術能支援高速同步式NAND介面，搭配業界標準的ONFI 3.0/Toggle 2.0介面，為企業級固態硬碟製造商提供一個高效能的同步式非揮發記憶體解決方案。這種新型非揮發記憶體能直接置入快閃記憶體匯流排，作為儲存關鍵非揮發資料的記憶體空間（如圖6所示）。

新型非揮發記憶體介面刻意設計成為開放性標準，並採用標準化的指令與標準設計時序。這樣的作法可盡量省掉或完全不用超級電容/整排鉭質電容與資料傳輸邏輯元件，大幅縮短企業級固態硬碟系統的備份時間，還可解決電容備份解決方案的可靠性問題。

企業級固態硬碟在面臨供電中斷時，必須要能可靠且快速地備份正在傳輸中的關鍵資料與元數據。然而，目前的電容備份解決方案仍存有許多嚴重的可靠性問題。

本文所探討的非同步非揮發記憶體解決方案與同步式非揮發記憶體，能直接置於快閃記憶體匯流排之上。非揮發記憶體能可靠且快速地備份關鍵的企業級固態硬碟資料，同時消除超級電容與整排鉭質電容在可靠性方面的顧慮。