2014年固态硬盘控制器的演进

齐河一家

在去年，我们和各位读者们分享了目前市场上闪存（Flash Memory）的阵营、技术、以及先进制程下，固态硬盘可能会面临的风险外，也约略地提及控制器对于各家固态硬盘效能的影响之重。今年，我们将把重点，放 于介绍控制器在年今度的革新，以及它们对未来固态硬盘产品的演进所占的重要角色。

PCI-Express界面的风潮

常在观察固态硬盘市场发展的读者，或许会觉得这个主题一点也不新鲜，早在2010年，少数的厂商都已推出使用PCI-Express接口的产品，效 能表现也不俗，但卖的量本来就不多，可以找到的持有者更少，其原因当然还是卡在价格上。至于它为什么要这种价钱，其实还是可以从过去的架构上看出些问题 点，在讨论这个风潮前，我们还是花点篇幅和读者们说明。

首先，不论是Sandforce、Marvell，还是其他控制器的厂商，都很清楚一个现象--如果我们只单论固态硬盘的线性读取速度，效能的瓶颈 早就不再是我们认为的硬件零件，或是控制器的算法，而是我们已认识好多年，而且再熟悉不过的东西--Serial ATA 6.0的接口，不论你选用多好的控制器、配多好的内存，花了多少个晚上去改韧体版本，从来2012年以后，固态硬盘线性的写入速度始终停在 550MB/s。这是接口的极限所造成的，所以有的厂商就开始思考如可以不同的接口来解决此一问题。在目前的系统平台上，最现成、又是最开放的解决方案， 就是PCI-Express。但是这个答案也同时显露了两个问题，有待技术上的解决。

第一个问题就是--这样的装置是需要驱动程序来进行优化的。和本来就是用于储存装置的ATA接口不同，不论我们加装的是显示适配器、无线网络，还是其他 的扩充装置，相信大家对安装对应的驱动软件还记忆犹新，但作为I/O用品，我们都希望它可以从开机开始就能以全速进行运作。但在一开始，谁也没想到我们会 这么快地走到这一步，是以，所有的固态硬盘控制器在2013年以前，都是以Serial ATA接口来进行设计的，要以PCI-Express接口来使用，它势必要在装置上多加上一个桥接芯片，来转换Serial ATA与PCI-Express的讯号。这样的装置是会比以往的SATA to SATA来得快，效能也会有明显提升，可是不管再怎么聪明的芯片设计，效能始终不会比少一道转换来得快。但多一颗芯片，就是多一分成本，而且作这种非常规 的芯片本来就不便宜，是以这些装置在2013年以前，价格也难免水涨船高。是以有勇气作这种突破性产品的厂商，小编要先为他们的勇于尝试至上一份敬意。

另一个问题就在于规格，在固态硬盘开始销售的前几年，大部分的厂商都努力地在笔记本电脑上的应用着墨，理由很简单，因为2.5吋的规格在PC上还不 一定可以找到固定安装的位置。所以那几年，作2.5吋转3.5吋转接架，以及反应快的机壳厂商多多少少也在这方面赚了一点钱，因为让使用者可以在他们自组 的主机上加装固态硬盘。好，现在这个装置必须是一片插在扩展槽上的板子，一开始行动运算的市场就不存在，简而言之，这种装置就是要专攻PC与高效能计算机的 应用。这下子本身就有限的市场空间就变得更小，在无法大量量产的前提下，这种需要另制PCB的装置，价格自然也难下修，所以在去年以前，这种装置非常少。

在2008年，Intel开放了NVMe的开放规格，让厂商们可以依照这个架构，制作直接以PCI-Express的开机启动装置。到了2014年 的控制器厂商的产品数据中，会发现各家厂商们都不约而同地在新一代芯片的规格上，看到一句原生支持PCI-Express接口的规格字样。在这样的规格 下，用户可以在维持系统轻薄的原则下，制作薄型、高效能的PCI-Express装置，但未来的问题在于这些板子目前还没有公定的规格，若我们期望这些 PCI-Express固态硬盘可以有更平民的发展，严格说来还有一年左右的观察期。

Sandforce的新应用技术

新一代的3000系列除了前述原生支持PCI-Express的接口外，最需要用户注意的应用其实不外乎OP〈Over-Provisioning〉的管理，以及ECC技术的应用，就是动态的OP应用。在解说前，我们以表格来作个简单的表示：

Over-Provisioning 的使用模式
标示OP百分比	0%	7%	16%	28%
实体OP百分比	7%	15%	25%	37%
SSD 容量	最后用户可用的容量值
64GB	64GB	60GB	55GB	50GB
128GB	128GB	120GB	110GB	100GB
256GB	256GB	240GB	220GB	200GB

首先，我们要赞扬LSI SanForce的诚实〈笑〉，在LSI SandForce的逻辑中，SSD本来保留的Spare空间是应该由控制器厂商自行定义的，这是一个负责任的作法，当然也可以解释成「丑话说前头」的处 理方式。理由很简单，一颗SSD的Spare越高，意味着可替换的Block也越多，相对的可用的容量也变少了，这是在Flash memory先天的状态下无法改变的事实，是以从2200系列开始，LSI SandForce其实就已经开出了这样的规则，只是到了3000系列，更是进一步的要求。

另一个功能就是ECC，3000系列中，LSI SandForce放出了很有趣的一招：我连ECC的比例也可以动态调整！在他们的名称中称之为「LSI Shield」〈哇……神盾耶，设计者该不会叫美国队长吧………〉，这项功能其实是为了因应控制器厂商一直很想打进的企业级应用市场，透过ECC的调整， 可以将一颗SSD在写入数据时所产生的ECC校验码透过检验密度与数字信号处理〈DSP；Digital Signal processing〉的搭配，让合作厂商自行与LSI决定一颗SSD可以拥有的ECC功能强度。强度越高，表示校验码的密度也越高，花费在演算与比对资 料的储存容量和演算时间也会越多，这个部分也会影响到一颗SSD可以使用的总容量空间总值。

想想为什么要搞得这么复杂呢？理由很简单，未来SSD的Flash memory难免就是会搭载使用寿命更短的TLC，如果没有更强的保护机制，相信没什么人敢把数据储在里面，若是企业应用的产品，即使使用MLC的款式， 使用者还是会希望有高一点的可靠层级。这两项变通的功能，都是可以有效提高固态硬盘的可靠性，但同时也会牺牲掉部分容量与效能的应用。正如LSI诚实的白 皮书所说：「没有完美的储存媒体」，效能与可靠性，永远都是在天枰的两端，端看使用者的需求来调配。

另一项其实已经不算新技术的消息就是LSI RAISE〈独立硅元素冗余数组；Redundant Array of Independent Silicon Elements〉，这个功能的设计理念，在于当一颗SSD「很自然地」或是「一不小心」挂掉的时候，可以自动进入唯独模式，并确保里面的数据「还可以被 读出来」，只是不能再写东西进去而已，使用者可以透过这项技术以另一个正常的固态硬盘将数据Clone到新硬盘上以延续数据的寿命。当然，我个人是没有实 际使用过这项功能，我也希望用户不会使用到，但若真有示范，也希望能有机会看到用户的范例。

在此也附上LSI SandForce 3700系列的规格表，供大家参考

SF3700 Flash Controller Family	SF3719	SF3729	SF3739	SF3759
核心	SF3000
支持接口	SATA 6 Gb/s PCIe Gen2 x2 (AHCI and NVMe)		SATA 6 Gb/s PCIe Gen2 x2/x4 (AHCI and NVMe)
支持内存与信道数	MLC 9 channels up to 400MT/s ONFI 2/3, Toggle 1/2	MLC, TLC 9 channels up to 400MT/s ONFI 2/3, Toggle 1/2		SLC, eMLC, MLC, TLC, 9 channels up to 400MT/s ONFI 2/3, Toggle 1/2
封装与大小	624-ball FCBGA - 17 x 17 mm, 0.65 mm pitch
最高支持容量	128 GB	2 TB

Marvell的新应用技术

相对于LSI SandForce落落长的技术白皮书，Marvell倒是干净利落地以新闻稿与现场展示处理了新芯片的讯息。两颗最受注见的Marvell新一代SSD 控制器，当推88SS9293与新一代的88SS1083这两个小朋友。有趣的是，这两个芯片的完整数据很隐密，在Marvell的网站上一直没有详细的 官方讯息透露，只有几篇新闻在网站上呢喃。倒是在年初的CES展场上，Marvell开心地展示了以PCI Express Gen2 X2为界面的88SS9293在几颗Flash memory的陪伴下，开心的跑出了超过1GB/s的带宽，想想现在1GB/s有一种越来越不值钱的感觉。

不过Marvell大动作的地方，倒是在力推SATA Express的新型接口，希望透过新接口的推广，来突破Serial ATA 6.0Gb/s的限制。这个新接口说穿了，就是在既有的SATA插槽外侧，新加一组以PCI Express Gen2接出来的X1信道，透过信道的整合，SSD可以在原有的接口下，同时以Serial ATA与PCI Express的讯号和主板传输讯号，自然也就能突破原有的瓶颈。这颗控制器就是88SS1083，第一颗成功整合了SATA与PCI Express讯号奇葩，相对于以往选A或选B的思维，这颗芯片倒是以让用户在尽量在原有的模式下，同时使用两种接口来逹成高带宽的目标。也就是说，使 用者仍然可以在原有的2.5吋装置中，使用到新型的应用，当然，这个功能必预要你的主板和SSD同时都拥有SATA Express新接口才行。换句话说，Marvell是定睛在Intel 9系列平台来决定这样的策略的。

至于其他安全性的设计，其实Marvell本来在ECC技术和数据保护技术上都有完整的功课，所以在这次的介绍中我们就不作多余的赘述。不过我们还是花点功夫，把今年Marvell杀出来的新控制器约略地整理一下：

芯片名称	主要特点
88SS1083	整合Serail ATA 6.0Gb/s与PCI Express Gen 2 两组通道的控制器，带宽可以超越1GB/s〈在数据中说Replace SATA 6.0Gb/s，不确定是否可以仅支持SATA 6.0Gb/s〉 支持28nm或更新制程的Flash内存 支援Toggle 2 / ONFI 3
88SS1074	搭载LDPC〈低密度校验码检测；Low-Density Parity Check〉功能，主要搭配TLC Flash memory的应用。 支援15nm TLC/MLC/SLC and 3D NAND。
88SS9485	用于网络云端应用储存与网络影像录制的系统。 标榜低耗电、高容量，与高成本效益的搭配。
88SE9235
88SM9705
88SS9293	已知可支持PCI Express Gen2 X2的接口〈未能确认是否支持SATA 6.0Gb/s〉
88SE9235/9215	仍以以往的Serial ATA 6.0接口为主。