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稳又快 SSD已成工业储存新亮点
 

【作者: 王明德】2014年09月15日 星期一

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工业储存使用的技术,可分为HDD(Hard Disk ,硬盘)与Flash(无论NOR或NAND型)内存两大类,其中Flash内存又以SSD(Solid State Disk、Solid State Drive,固态硬盘),此一NAND内存配合控制芯片的计算机外部储存装置,随成本降低,逐渐成为市场新星。HDD使用了传统的马达及读取机构,储存容量大、单位价格便宜,但对于如震动、宽温、高粉尘等严苛操作环境仍存在许多先天无法克服的缺点。


图一
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过去HDD在工业储存领域称王,挟单位储存容量便宜、技术成熟普及的优势,吃下大量工业储存市场。HDD的储存结构是以多片带有磁性的金属或玻璃碟盘与存取机构所组成,当马达带动碟盘进行圆周运动时,存取机构移至碟盘相对应位置,即可透过磁场改变进行数据存取,碟盘数量多寡与储存容量成正比,存取机构与碟盘间的距离高度则会影响数据储存密度,透气孔的设计则是用来平衡内部碟盘高速运转产生的空气压力。


整个运作过程看来简单,实际操作却不容易,因存取机构运作时与碟盘间的距离非常接近,加上近来为了提升HDD容量更进一步缩短两者距离,不当的外力振动或是存取时的突然断电,都会让存取机构与碟盘接触、刮伤碟盘,形成所谓的坏轨(Bad Sector);此外HDD通电时,不论有无进行存取,碟盘都会以高于5400转的速度来回旋转,很难抑制电力消耗与发热,加上HDD机壳上的透气孔也难保外界粉尘在气流转换间被吸入硬盘内部,都是HDD不适用于工业储存的重要因素。


HDD发展多年,制造厂商对于碟盘转速及读取机构的控制技术相当成熟,特别是制程设备可延用的特性,更让HDD在进行世代交替时的容量、效能提升后,仍能保有相当合理的价格,这也是HDD在跨越2TB门坎后单位容量价格仍无太大变动的主因,然而先天的机械式马达结构对于严苛使用环境仍是力有未逮,这也给了SSD、DOM一个进入市场的大好机会。


SSD之所以崛起,归功于近年来制程的突飞猛进,除了在效能大幅领先传统机械式的HDD,也已有TB级的大容量产品问世,降低单位成本,加上传统HDD在技术发展上面临物理极限的挑战,在可见的未来,SSD会在工控市场大放光芒。


储存类型:SSD、HDD分工合作


工业储存少量多样的特性,让SSD及HDD能以分工合作的方式达到优化的储存效益。


SSD效能明显比传统机械式HDD出色,然而单位容量价格仍远高于传统HDD,两者各有擅长。可单独也可混合使用。


以安全监控为例,操作环境不恶劣,需要影像数据的庞大储存空间,若能先透过影像辨识软件的帮助,来判断数据的重要性或是异常处理状况,之后在分别存放至SSD及HDD,就能达到系统优化的效益。


单纯的SSD使用也存在不同方式,SSD所使用的NAND Flash可分为SLC(Single-level cell,单阶储存单元)与MLC(Multi-level cell,多阶储存单元)两种储存架构(flash memory),SLC拥有十万次的存取次数及更高的存取效能,不过也远较MLC昂贵;MLC虽然近期在控制芯片技术的发展下,效能部分已逐渐追上SLC,然而较低约1万次以下的存取次数,则让客户端对于产品的可靠度产生疑虑。


透过Controller IC的韧体程序撰写,导入平均读写(Wear-Leveling)或是错误修正码(Error-Correcting Code;ECC),能有效延长SLC及MLC的使用寿命。近期也有厂商导入SLC复合MLC的架构,能在节省成本的情况下进一步提高产品的可靠度。


大部分的工业储存并不需要太大的储存容量,能够适应恶劣环境的NAND Flash很早就进入市场,最广为使用的CF记忆卡(Compact Flash Card)就是明显的例子。


在工业储存领域行之有年的DOM(Disk On Moudle;微型硬盘记忆卡)也常拿来与SSD相提并论,因为DOM与SSD同样使用Flash储存技术,不过采模块化设计的DOM有着远较SSD更轻巧的体形,可配合应用端做出不同的外观设计,不论是水平、垂直、或是无外壳的嵌入式安装等,可轻易应用在对于空间有极度要求的工控设备或是1U服务器中,完全符合工业应用少量多样特性。


DOM是工控领域使用最多的NAND Flash产品,因为不论是水平、垂直、加入保护外壳、裸式直接嵌入主板的设计等,对于容量要不高的应用场合,是最具使用弹性的储存方案。


SSD与DOM少了HDD高转速的碟盘与存取机构,不会受到振动影响,电力消耗、温度、噪音也能得到更好的控制,高粉尘环境与运作更是八竿子扯不上边,同样的工业储存常用的CF、SD记忆卡也有着相同的特性。


单价高仍是SSD致命伤


虽然 SSD有着机械式HDD不及的优势,「单位价格较高」仍是短期、甚至是中长期SSD难以解决的问题,如何了解硬盘与各式使用及接口特性,藉以达成可靠度及储存成本上的平衡,将成为重要课题。


近期厂商持续推出各种采用新制程、接口、及各种复合技术的Flash产品,也让储存方案的选择更为复杂。事实上,这一切的改变都是由应用面回溯而来,从应用的角度出发,就能选择兼具可靠度及成本的储存方案。


很明显的,SSD、DOM都可应用在HDD难以胜任的严苛储存环境,杰出的访问速度表现也将竞争对手HDD远远抛在脑后,然而Flash内存单位容量价格较高的缺点,在许多需要大容量但运作环境并不恶劣的操作环境,如IT机房、安全监控中,HDD仍拥有难以撼动的地位。


SSD使用的Flash技术持续演进,HDD所具有的单位容量价格优势逐渐减弱,即便目前HDD与SSD在工业储存上仍拥有各自的一片天空,SSD肯定是后势持续看涨的绩优股,而DOM也将持续在嵌入式应用持续发光发热,成为改变工业储存未来的关键。


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