挑战常规SSD全面进占行动应用的NAND储存架构

挑战常规SSD　全面进占行动应用的NAND储存架构

Digitimes  林宗辉  2010/11/16

NAND Flash内存在行动产品上的应用其来已久，但相关储存媒体的技术发展在整个行动产品架构方面，往往都被摆到优先度较低的层级，也因为消费者对此架构改变的敏感度较低，导致硬件厂商在这方面的重视程度往往不如核心处理器。

但随着智能型手机(Smartphone)等行动应用产品对储存需求的抬头，从此起彼落的应用程序商店、影音应用，到个人资料储存，智能型手机等行动终端对储存需求的拉抬，终于让硬件厂商逐渐了解此一环节的重要性。从容量、效能，到数据的保全，储存架构甚至可以决定1款智能型手机的最终效能表现以及相关使用体验。

以高阶智能型手机为例，其内建储存空间已经从过去以ROM为主流的的MB、256MB，到现在转而以MLC NAND Flash内存为主的8~16GB，2011年甚至可上看32~GB，为了让硬件厂商能够更容易管理如此庞大的储存空间，并改善整体读写性能，内存产业也规范了一系列可供依循的标准。

这类标准其实都基于类似的架构，就是把过去只依靠应用处理器本身的NAND Flash存取接口，转而透过控制器来对NAND Flash进行存取，如此可改善储存成本、效能以及储存可靠性。换句话说，虽然定义上使然，这些储存架构不能称为SSD，但此类泛SSD架构储存媒体早已经悄悄进入行动终端市场。

行动应用的储存架构演进

传统智能型手机内建储存媒体为单纯的NAND Flash内存

数据源：DIGITIMES，2010/11

传统智能型手机对NAND Flash内存的使用要求，主要是兼顾可靠性及成本，因此多采用512MB以下的ROM或SLC NAND Flash内存作为系统及应用程序的储存及安装空间，采用应用处理器(Application Processor)内部的NAND控制电路以作为降低整体设计复杂度的手段，因此传统智能型行动通讯平台并未整合真正意义上的SSD。

但智能型手机内建的NAND Flash内存，随着网络应用的发展，其储存的内容及相关网络应用也越来越复杂，所需要读取写入的信息也越来越多，越来越大，小容量设计已不敷使用。

目前主流智能型手机平台除苹果产品外，皆可利用SD卡等接口来扩充可用储存容量，而各行动操作系统设计的方式虽各有不同，但是对于SD卡这种低成本、写入可靠性不高的容量扩充方式还是颇有忌惮，也因此，这类储存媒体多被鼓励用于储存影音媒体等重要性较低的数字内容，而非重要的程序或个人信息。

行动应用对储存接口速度要求日增　且同时要满足功耗、体积与效能需求

数据源：DIGITIMES，2010/11

但智能型手机的内建内存容量不足已然为事实，各厂商也积极寻求解决之道。SLC虽然最可靠，但容量小，价格也过于昂贵，因此业界也开始采用MLC甚至是更高容量的解决方案。但MLC写入寿命仅有SLC的不到10分之1，要达到足够的可靠度以及性能表现，整合控制组件及ECC纠错能力就成为必要的手段。

未来行动装置储存媒体将以结合控制器的NAND Flash内存为主

数据源：DIGITIMES，2010/11

结合控制组件、ECC纠错以及NAND Flash内存，这也等同是具体而微的SSD了，但因为各规格定义不同，所以并不是此类结构的组件都可称为SSD。

目前包括三星电子(Samsung Electronics)、东芝(Toshiba)、SanDisk等内存大厂都有推出整合控制芯片与NAND Flash内存的小型NAND Flash内存储存模块，达到容量、性能与可靠性3者兼具，满足手机厂商在产品设计上的需求。

平板(Tablet)方面也是类似的状况，但由于平板系统的推出主要是为了满足多元化的网络应用与串流内容，因此NAND Flash储存方面具备与高阶智能型手机同等，甚至更高规格表现。

泛SSD架构嵌入式NAND Flash内存储存规格纷纷到位

行动NAND Flash储存　与标准SSD的规格与定义区分

数据源：DIGITIMES，2010/11

2011年SSD产业将迎来极大的市场机会，但相对而言，也增加了潜在挑战。从消费性应用来看，mSATA规格的推广，将是SSD在这波市场机会中极为重要的推手，mSATA是2011年英特尔在NB平台上之主推规格，属于标准的SSD规格延伸。

而在智能型手机与平板系统方面，NAND Flash内存的整合目前可归为3大主流，分别是eMMC、单纯板载NAND Flash内存及SSD模块。 eMMC等嵌入式规格的普及，初期对传统标准型SSD虽无冲击，但之后恐成竞争局面。

Sandisk iSSD架构符合标准SSD定义　支持ATA传输讯号

数据源：DIGITIMES，2010/11

至于标准型SSD架构，Sandisk推出了单芯片SSD，产品名称为iSSD，另1家Greenliant也推出类似架构的SSD，产品名称为NANDrive，这2款产品都是利用SiP或MCP封装，将控制器与NAND Flash整合为单一芯片，由于都原生支持SATA讯号，虽然外型不像，但骨子里确是百分之百的SSD产品。由于外型仅有芯片大小，且支持SATA规范，此类产品很适合用于小尺寸X86嵌入式系统，包含MID、Tablet、机顶盒、网络通讯等相关产品中。

另智能型手机、主流Tablet由于对储存的需求持续提升，内建容量需求增加，成本也相对提升，业界不能再使用过去的SLC架构，因此寻求MLC之类的多bit内存产品以求降低成本，但MLC之类的多bit单元NAND Flash非常依赖ECC纠错与耗损平均(Wear Leveling)来延长使用寿命，并改善效率，在主流应用处理器把完整的NAND Flash内存ECC纠错能力与耗损平均能力加入之前，整合控制器已然是避无可避的趋势。

业界目前规画了eMMC、UFS(universal Flash storage)、eSD等嵌入式储存规格，这些规格在架构上均大同小异，皆是整合控制器的NAND Flash内存模块。其中，eMMC目前已经进展到4.4版，接口速度可达104MB/s，是目前最主流的行动NAND Flash内存储存规格。

UFS则是由三星主导，接口速度可达300MB/s，意欲统一所有NAND Flash内存接口，换句话说，三星希望透过UFS，来统一未来所有采用NAND Flash内存的设备接口。不过NAND Flash内存应用非常广，在记忆卡方面，SD规格已然是主流，UFS不大可能在此领域有何作为。

eMMC会持续改版至4.5版　之后由UFS 1.0版接手

数据源：JEDEC，2010/11

其实，eMMC目前发展已经到达极限，业界也期望USF接手，但UFS完成规格制订也要到2011年中，因此JEDEC仍会推动eMMC的规格改版，以利衔接eMMC与UFS。诸如eMMC等作法，就是在内存封装中整合1个控制器，它除了可以提供标准接口并管理NAND Flash 内存，如ECC纠错和耗损平均，除了不支持ATA指令以外，基本上就是具体而微的SSD。

■    行动NAND Flash储存架构模糊SSD定义　为正规SSD带来挑战

但不论如何，eMMC、UFS、eSD甚至是行动版的ONFi，其实都模糊了SSD的原始定义，虽然SSD的定义主要是透过PC的ATA接口存取数据，但这是因为PC的BIOS，未来新版BIOS及操作系统若支持非ATA接口储存装置开机，那么这个定义的存续就没有意义了。加上UFS传输速度300MB/s起跳，已经赶上主流SSD产品，整体成本也可望比SSD还要低，这也将拉抬此类嵌入式NAND Flash内存储存设备的应用广度。

Mobile NAND将侵蚀常规SSD部分市场

数据源：DIGITIMES，2010/11

因此，当这些嵌入式NAND Flash内存储存设备在持续改善效率、可靠性，并藉由3D封装技术增加容量的趋势下，未来也将带给传统常规SSD业者非常大的压力，毕竟这些嵌入式内存组件一般常规SSD业者难以碰触，只有NAND Flash内存供货商及少部分封装厂才能进入，未来嵌入式NAND Flash储存设备将有机会在OEM/ODM端就跨到PC、NB领域，抢食传统SSD生存空间，届时传统SSD厂商若无应对之策，原本就的市场空间将更被侵蚀。

结 语

SSD的推广仍受几大关键要素影响，除成本、容量外，缺乏可以创造SSD需求的应用，但随着相关规格的演进，以及苹果新产品的推动，加上2011年英特尔的全面支持，对于整体SSD产业可望大大加分。未来若突破ATA，那可望把SSD带往更高层次的应用，而非仅目前的PC、NB主流市场。

但这些规格的演进，与应用的不断发展，对SSD厂商而言，不指代表了机会，也代表着更深层的挑战，绝大部分SSD厂商都只能进行后段组件组装部分，换句话说，当UFS、eMMC之类的泛SSD规格开始导入普及，SSD厂却只能坐看，而无法实际参与，在许多应用上，甚至会面临被边缘化的风险。