**从Intel固态盘看SSD未来之发展

从Intel固态盘看SSD未来之发展
ZDNet 服务器频道 更新时间：2008-12-09 作者：赵效民 来源：ZDNet
本文关键词：NAND闪存英特尔SSD固态盘
第1页：高性能全整合的主控芯片决定SSD的性能第2页：ONFI闪存开始登堂入室第3页：MLC不再受排斥 SLC NAND也将重塑辉煌第4页：总结：SSD必将进入山寨时代 传统硬盘豪门将受严峻挑战
ZDNetChina服务器站 2008-12-09 分析
固态盘（SSD，Solid State Disk），这个名字在几年前还只出现在非民用产品领域，《存储时代》网站于2004年创建时，我们所报道的SSD都集中在工业产品范畴，比如航天航空以及军用领域等等的，它们以SCSI硬盘为模型设计（尺寸、容量分级与接口），对于普通大众来说基本上是遥不可及的，就算有钱想买，你都很难找到有卖的地方。可现在的情况大不相同了，多个厂牌，不同容量的SSD如雨后春笋一般向我们涌来，价格也在迅速的下跌的中，这一切的确让我们感觉到了一种趋势在临近——我是不是也该考虑换一块SSD了？如果想买的话，可购买的渠道大大丰富了。
不过，真正让我们感受到SSD实力的，不得不说是英特尔最近发布的两款新品，分别是M系列（X25/X18）和E系列（X25）的SSD，它们出色的性能给我们留下了深刻的印象，相对于以往的同尺寸SSD来说，完全可以说是鹤立鸡群（具体的评测可以见本站的相关报道）。从这两个系列的产品中我们也能看出一些新颖的设计，我想它代表了目前SSD设计的最高水平，让我们看到了SSD未来可能的发展方向，本文希望在这方面进行一些有益的探讨。
1、高性能全整合的主控芯片决定SSD的性能
不得不说英特尔在SSD市场上属于后来者，但凭借时其在半导体技术方面上的深厚功力，我相信凡是与数据传输协议相关的，以及和存储器（以前英特尔也是以DRAM为主业之一）相关的半导体领域，如果英特尔想进入，那么它必须会这一市场带来强大的冲击。
在早前的一些SSD中，我们还能看到闪存主控与接口主控桥接的样式，这主要集中于SATA接口产品中，近两年，SATA（I/II）至NAND的整合主控芯片已经崭露头角，东芝、三星这类的传统硬盘与闪存厂商不必多说，而第三方的解决方案也已经走向成熟，这其中比较著名的就是JMICRON公司的JM602主控芯片，它实现了SATA（I/II）/USB至NAND的转接，目前已经有不少原本没有生产过硬盘的厂商，采用这款主控进入SSD市场。

早期的SSD由于主控制芯片缺乏对SATA－NAND转接的原生支持，所以还要经过桥接芯片完成接口转换


东芝128GB SSD的电路板（上），从图中可以看出已经采用了单芯片原生集成主控，具备4通道并行能力，读写能力分别是100和40MB/s，其最新出品的256GB产品（上）应该升级为8通道了，不过性能仍然平平，读写性能为120和70MB/s，与同是MLC型的X25-M相比，相差甚远
相较之下，英特尔的SSD在这方面似乎没有什么新鲜的，也是集成主控，而且还外接SDRAM做缓冲，而JM602已经内置了数据缓冲。不过，细细分析就可以看出，英特尔这次仍然带来了新意，这主要体现在通道数量的设计。

JM602的架构图，这基本上也是SSD单集成主控芯片的主流架构

OCZ出品的Core系列SSD就是采用JM602的经典产品，其中一款可以看出同时具备了USB和SATA两个接口，兼顾了移动与内置应用
从JM602的设计中，我们可以看到其在内部提供了8通道闪存控制设计，理论上可以获得8倍于单NAND闪存芯片带宽的数据传输率，多通道——这种在内存控制上提升总带宽的设计理念其实很早以前就用在了闪存相关产品领域中，我们熟悉的存储卡中就有很多产品采用了双通道设计。而在这方面，英特尔显然是行家里手。
我们看看其他厂商的SSD，大多还是只提供4通道设计，比如上图中那块东芝在今年3月发布的128GB SSD，而在9月份发布的采用MLC闪存的256GB SSD应该提升到了8通道设计。可英特尔一上来就是10通道，这在目前还是绝无仅有的。

英特尔SSD的内部架构，根据相关资料，其主控芯片的闪存通道达到了10个，为目前的最高水平。而且这种设计带来一个比较巧合的好处就是，让SSD的容量与传统的硬盘容量等级挂钩，比如40GB（采用16Gb芯片）、80GB（采用32Gb芯片）、160GB（采用64Gb芯片），这些正好也是目前2.5英寸硬盘的容量等级，比传统的SSD那种以2的幂数为等级要灵活一些（32/64/128/256/512GB的等级对于客户的选择显然跨度太大了些），也更能与传统硬盘客户相“兼容”，不知这是不是英特尔有意为之


英特尔两款SSD（上为X25-E，下为X25-M）采用了相同的主控芯片与芯片布局，与东芝和OCZ的设计相对照，可以看出单面闪存芯片数量从8颗变成了10颗，双面共20颗，这与10通道设计正好对应，每个闪存通道内有两颗芯片。所不同的就是X25-M采用的是MLC型，而E系列采用的是SLC型NAND闪存。另外，为了保证数据传输更为稳定，还配备了一颗容量为16MB的PC166 SDRAM做数据缓冲（16bit位宽），带宽为332MB/s，正好刚刚超过SATA-3.0G标准（理论带宽300MB/s），可算精明到家了
SSD的这种设计，让我们对SSD相对于硬盘的不同有了更多的认识。至少在设计上讲，同一时期内的同等容量的硬盘之间的性能差距不会超过10%，但在SSD中这种差距可能就是100%的。与现有大多数SSD的读取速度还在100MB/s左右相对照，英特尔X25-M/E在测试中体现出的性能已经快是它们的两倍了，这其中主要的差距就在于主控芯片的素质。
熟悉闪存的朋友都明白，在基于NAND闪存的存储设备中，对于闪存的控制与管理，在某种角度上讲比NAND闪存自身的进步更为重要，东芝、三星等大型闪存芯片厂商也都致力于闪存控制器的研究或是控股相主控芯片设计公司，就是因为好的控制芯片可以让闪存的性能得到最大的发挥，并能为存储设备提供一些新的功能，比如优化闪存的访问与缓冲、优化坏块的管理、通过错位存储保证SSD等存储设备的使用寿命等等。
在传统的硬盘领域中，控制芯片涉及到的不再仅仅是数字处理部分，还包括模拟信号的处理，相对于SSD来说要复杂得多。但正因为硬盘的数据最终都要经过前端的模拟信号处理，所以最终的硬盘性能更多的取决于盘片与磁头的进步，因为瓶颈并不是后端的数字主控。而当前端信号也是数字式的，那么后端的处理与总体控制管理的效率就将直接反应到最终的性能上，从而在同一容量等级上，性能差出一倍也就不那么新鲜了。
可以想像，未来的SSD发展，芯片的进步推动着容量的提升，但现阶段能拉开产品档次的并不是闪存芯片而是主控，就像硬盘中盘片数量并不能代表性能一样。英特尔的这次发力无疑为这个产业树立了新的标杆，也许你会说10通道并不难呀，应该很快就能赶上吧。可是，为什么很多厂商一开始不做到8通道呢？理想与实现理想之间还是需要实力的。我相信，最终所有实力的厂商终归会向这一方向靠拢。
ONFI闪存开始登堂入室
本次英特尔的SSD在闪存应用上也有自己的新意，那就是它是第一个采用ONFI（Open NAND Flash Interface，开放式NAND闪存接口）闪存的SSD，对于这一点可以说意义深远。
对于什么是ONFI，大家可以参考一下我们的相关报道。简而言之，这是英特尔为了杀入由三星和东芝两大巨头控制的NAND市场所采取的一招狠棋。
早前英特尔是主攻NOR闪存的，与NAND阵营打了多年的嘴仗。在当时业界对容量需求还不高的时候，NOR凭借着出众的访问速度与传输带宽，一直打压着NAND的发展，可后来随着整合封装技术的广泛采用，以及对大容量数据存储的需求不断增涨，NAND已经成为了实际的后台主力，大NAND厂商可以通过整合封装NOR来为客户提供单芯片存储方案，以打进移动处理市场。反过来NOR则无法进入以容量为主的存储设备市场。
但原有的NAND市场已经被三星和东芝占据了近70％，要再想进入这个市场并有所作为谈何容易，除非你能新领导一个标准，英特尔也正是看到了这一点。毕竟英特尔在内存领域就是玩标准出身的。
英特尔发现的机会就是当时市场上销售的NAND闪存芯片在引脚定义方面，各家都不完全相同，这就造成了同一个闪存控制器，如果是为东芝芯片设计的，很可能就无法使用三星或海力士芯片的局面，这给上游的主控设计商以及最终的产品（U盘、MP3、存储卡等）的设计人员出了一个很大的难题。
为此，英特尔提出了ONFI的设想，就是将NAND闪存芯片的引脚的定义统一，并在此基础上进一步采用新的技术以实现新的功能。2006年4月，英特尔正式提出了ONFI计划，之后迅速得到了业界多数厂商的支持，这其中就包括了闪存厂商与控制芯片厂商，以及最终产品厂商，毕竟这对于简化产品设计是个好事，虽然三星与东芝并不支持该计划，但英特尔相信它可以创造出一个市场，来蚕食那两大巨头的份额，而位列NAND市场第三的海力士也出于同一个目的（老的玩法玩不过三星和东芝，那么就争取通过新玩法当老大）宣布支持ONFI。到了2007年1月，ONFI 1.0标准就颁布了。
英特尔这次在其自家SSD上所采用的就是ONFI 1.0标准的NAND闪存，也就是说与以前我们在市面上看到的SSD相比，这是其在芯片方面的最大特点。另外，从其出众的性能来看，即使是10通道设计，其所采用的芯片的素质也是非常高的。
我们从NAND闪存的原理出发，以及其所采用芯片的容量来看（20枚芯片共80GB，合每颗芯片32Gb容量），采用大页面容量设计是必然的。但就算我们把4KB容量的页面来进行性能分析，也可以看出来与传统的MLC NAND芯片不太一样。但需要指出的是，不知为什么，现在的闪存厂商对自己的闪存芯片的设计文档都严格保密，不再像以前那样可以轻易下载了，所以我们做分析用的对比数据是一两年前的产品，这期间有什么样的进步，只有厂商自己最清楚了。
NAND闪存页容量为什么要增加到4KB
NAND闪存增大页容量的主要用意之一在于提高读写性能。从NAND闪存的工作原理中就能看出来，NAND闪存页的容量越大，性能就越高，具体的分析可以参见本人早前的文章。另外，由于寻址效率的原因，对于大容量闪存（一般至于在8Gb或以上)来讲，大的页面容量，在总容量一定的情况下，有助于降低页的数量，节省寻址周期。举个例子，页面容量为512字节时，128Mb芯片的地址传输周期是3个，而到了2KB页容量时，32Gb芯片的寻址周期为5个，如果仍然采用512字节的页容量，寻址周期数目可想而知。

NAND的工作示意图，每个NAND闪存的读写是基于页的，由于页到页面数据寄存器之间的存取用时基本固定，所以页容量越大，单位时间内的传输率就越高

看完这两个表就知道了页面容量对NAND闪存读写性能的影响，由于MLC自身的特性，使其在读写方面的性能要比SLC差一些（毕竟要在一个浮栅上存放两个电压值，这就需要额外的判断与校验操作），尤其是在写入性能方面，只有SLC的33%左右。
结合X25-M和X25-E的测试成绩，我们能看出来，如果以其读取性能来看，应该是25ns/30ns级的MLC/SLC芯片，但这个等级的芯片在写入性能方面就与测试成绩有些不符了（X25-M的写入速度超过了70M/s，X25-E则超过了200MB/s）。因此，我怀疑要么是英特尔的芯片在某些方面做出了明显改进（比如缩短了页编程用时），要么是在控制器与缓冲区配合方面做得相当出色，综合来看，后者的可能性更大一些。
总之，英特尔这次终于将ONFI产品化，而不再是纸上谈兵了，而且我们上面说了，ONFI的第一步就是统一接口，之后再发力，实现新的功能，具备更强大的性能。2008年2月27日ONFI 2.0标准正式出台，通过DDR技术的引入，其接口速度已经达到了133MT/s（8bit位宽，带宽为133MB/s，注意这仅仅是一颗芯片的速度），英特尔的盟友美光（Micron）已经有166MT/s的产品推出，由此可见ONFI 2.0的NAND在内部设计上肯定也是必须有了很大的革新，否则不可能跟得上如此高的速度。未来英特尔还将进一步把SDRAM的技术向NAND转移，以使其达到400MT/s的传输率。如果这种闪存配合多通道技术用在SSD上，那么SSD的接口标准就将面临空前的压力了。但这也的确让我们对这种基于ONFI 2.0的SSD充满期待。
其实，从很多地方我们都能感觉到ONFI的进化越来越像SDRAM（2.0标准引入了同步传输，并出现了我们熟悉的DQS、DQ等引脚标识），而SDRAM的标准化也正是英特尔的强项，所以当ONFI站住脚跟之后，接下来英特尔可发挥的东西就太多了。即使三星和东芝不买帐，相信ONFI也能为自己开辟很大的一块市场，对此的确不得不佩服英特尔在操控标准方面的高瞻远瞩。回想过去，DDR SDRAM时代英特尔也是后来居上，NAND市场呢，ONFI也很有当初英特尔急起直追的味道。
MLC不再受排斥 SLC NAND也将重塑辉煌
 
有关MLC与SLC之争由来已久，追求性能的厂商极力追捧SLC NAND，而追求利益最大化的厂商则着力于MLC NAND，前者的代表就是三星，后者的代表就东芝，当然还有后来者英特尔，MLC就是它的专利。
MLC在当时因制程工艺以及多芯片封装技术限制而无法做出更大的SLC闪存时，及时满足了客户对大容量NAND的需求，而且其性能劣势主要体现在写入，而在读取方面并不比SLC差很多。其实在那时，NAND闪存所使用的场合，大多数是读的多，写的少，或者对写入速度没有太高要求，比如U盘、MP3等，但在另一些场合则仍然是SLC的天下，比如给专业数码单反相机使用的高速CF存储卡，以及我们今天所谈到的SSD。不过，高速CF卡以及SSD在以前很长一段时间都还属于奢侈品，对于整个NAND产业无足轻重。在当时全球第二大闪存厂商东芝的NAND产品目录中，就基本看不到SLC的身影。
然而，MLC在性能方面的劣势长期以来一直被一些用户所排斥，尤其是一些发烧友，一听是MLC就嗤之以鼻，而在早前推出的MLC型SSD性能也的确比SLC型SSD差不少，这也给发烧友们提供了瞧不上眼的理由。但英特尔的X25-M则让人眼前一亮，虽然比自家的X25-E在写入性能上还是差3倍，但对于大多数用户来说已经绝对够用了，和一些厂商的SLC型SSD相比，也毫不逊色。

三星的SLC型SSD的读写性能与X25-M相比，没有任何亮点，MLC型NAND已经不用再受人白眼了
本文前面已经对X25-M的出色表现进行了分析，不管是不是英特尔对芯片技术进行了革新，还是其新开发的主控芯片很厉害，总之MLC型NAND，不再仅局限于低烈度的I/O场合，采用它的SSD也开始走向成熟，这无疑也为MLC NAND打开了新的应用市场，对于主流SSD市场来说，MLC NAND也将再次以其“利益最大化”的思路重新进入大多数用户的视野。
但是在另一方面，我们也从X25-E的身上清楚地体会到了SLC NAND的威力。如果芯片与主控的技术等级一致，SLC的读写性能还是要明显胜过MLC，尤其是写入性能。而且，在可用寿命方面也将是相对于MLC的永远与绝对性的优势（擦写次数基本上是后者的10倍）。不过X25-E的32GB容量却高达7000元人民币的价格，明显不是面向个人用户的产品，英特尔也将其定位于企业应用市场。与传统的高端企业级硬盘相比，MLC的综合能力还不够格，但SLC则完全可以胜任，高带宽与高I/O响应能力，是传统硬盘所比不了的。不过早前的一些SLC型SSD在性能表现上，并不尽如人意，不要说与1.5万转硬盘相比，就是与高端的SATA台式机硬盘相比，在一些性能方面也不占优势。而从X25-E的表现来看，SLC型SSD取代传统的企业级硬盘，除了容量外，在性能方面已经有了充分的理由。另外要指出的是，ONFI 2.0高速NAND闪存也基本都是SLC型的，届时如果有它来做企业级SSD，估计现有的SAS-6.0G接口都将面临进一步升级的压力。
有人可能会说，企业级应用对容量要求很高，SSD现有的容量能满足需求吗？不错，以X25-E为例，最大容量仅为64GB，但随着企业IT架构的前计算与后端存储的各自集中化，服务器对本地存储容量的需求开始减少，业务应用的启动卷与工作卷可以是分开的。应用在服务器中进行启动和计算，生产数据则保存到后方的存储中，因此服务器本身只需视应用体积来配备硬盘即可，这方面的典型就是刀片式服务器。笔者认为，它将是SSD最先大规模进入的企业级市场。而对于专用存储设备，就看客户的需求了，企业毕竟不是个人用户，当应用对性能的确有需求，并会因性能的提升带来直接效益时，企业对成本还不是特别敏感，EMC率先在其企业存储系统中采用SSD，就是一个很好的尝试，而我相信这仅仅是个开始。
英特尔现在也正与日立环球存储技术（HGST）公司联合开发FC与SAS接口的SSD，它将在英特尔的SSD主控基础上融入对FC与SAS接口的支持，毫无疑问，其主要的目标就是刚成气候不久的SAS硬盘，尤其是2.5英寸规格的产品。目前在这一领域，HGST还无法与老大希捷抗衡，但如果以SSD切入，那么希捷就要相当小心了，除非更早的拿出比X25-E性能更为出色的SAS SSD，否则其在这一市场的地位将受到很大冲击。

希捷2.5英寸SAS王牌——Savvio 15K.1的性能参数，SLC SSD显然将对其产生猛烈的冲击
想当年，SLC在消费类市场，因为性价比不被大多数用户认可，而被MLC挤出了主流市场，可随着生产工艺的进步，其自身的容量也在不断提高，虽然与MLC还是不能比，但也悄悄的赶上了企业级应用的容量下限，而其优秀的性能也终于在这一市场得以发扬光大。所以，伴随着SSD向企业级市场的不断侵蚀，SLC型NAND也将重塑辉煌。最近的一条新闻，可以说是对这一点的最好证明。
全球第二大NAND闪存厂商东芝，前不久高调宣布将以43nm工艺量产最高容量达64Gb的SLC型NAND闪存，这对于以MLC为绝对主力的东芝来说，无疑是一条令人回味的消息。这只能说明，东芝也已经认识到SSD应用中，如果想通吃所有市场，光有MLC是不行的，而且企业级市场中留给SSD的空间实在很大，作为传统的2.5英寸硬盘大厂，作为传统的NAND闪存大厂，完全有可能凭借着这次机会成为市场变革中的受益者，比如由此进入企业级市场，扩大其传统硬盘的市场领地，即使东芝自己不想进入企业级市场，那么借助SLC型SSD在企业级市场的大卖，SLC NAND芯片的买卖也是必争之地，毕竟能生产SSD的厂商会很多，但能生产NAND的厂商没有几个。

东芝最新的43nm SLC NAND闪存芯片，这对于东芝这个传统的MLC大厂来讲意义重大，也预示了SLC NAND的未来发展前景
鉴于东芝与很多第三方闪存、内存最终产品厂商有着很紧密的关系，比如金士顿和SanDisk，所以未来也有必要关注一下这些东芝伙伴的未来产品规划，说不准会有相应的后续策略出台。
总结：SSD必将进入山寨时代 传统硬盘豪门将受严峻挑战
 
这个总结的标题好像与本文不太沾边，但从上文的分析来看，我们就能发现几点SSD的根本特征：
·SSD的设计将存在两大体系，MLC和SLC，应用范围也将涉足个消费与企业应用两大领域。
·SSD的设计将有两大芯片体系，ONFI芯片以及来自东芝和三星的芯片，前者更为开放，加盟厂商众多，但后两者个个都是巨头，自有芯片技术实力也非常强大，比如LBA-NAND就是很好的例子，因此它们也将有一批忠实的追随者。
·SSD的设计相对于硬盘简单得多，也意味着入门门槛更低。
从某种角度上讲，SSD就是一个大的存储卡，只是在接口上与传统硬盘相兼容，其内在架构并没有本质的不同。关键就在于主控芯片和所采用的闪存芯片。由上面三点可以看出来，只要是能生产存储卡，甚至是内存模组的厂商就有能力生产SSD，现状也是如此，看看最先推出SSD的厂商名单中有多少个是做内存和存储卡的就知道了。
笔者感觉随着这几年NAND闪存的不断降价，NAND闪存生产工艺的不断进步，似乎已经慢慢接近谷底向波峰的反弹点。而助其反弹的中坚力量就是SSD，就像DVD与BD光盘的普及之路一样，一旦SSD需求之门打开，那么也许将会面临另一个闪存芯片供不应求的局面。
对于SSD的普及，笔者是不抱任何怀疑态度的，问题只是在于普及的速度。我预计两年之后，主流容量的SSD价格就会被很多人所接受。而在这个过程中，SSD的山寨化将不可避免。通过上文分析，原则上讲，只要你能拿到芯片和主控的全套设计资料与相应的货源，那么找个好点的PCB厂就能做出SSD。况且上游的闪存厂商也将会极力发展更多的下线，以保证自家的产能满载率。而这样的结果就是，SSD的品牌可能会达上百个（想想全球的内存品牌数量），与现有的硬盘厂商数量形成了鲜明的对比。
这样的局面对于现有的硬盘厂商来说，是不愿意看到的，但很遗憾这也将是他们必须面对的。现有的硬盘厂商能做到的就是跟上SSD的潮流，但绝不可能再像硬盘时代那样独领风骚了。因为这对于他们来说是一个接近于全新的领域，熟悉的只是硬盘接口，他们可能自产盘片与磁头，可不会自产闪存与控制器，所以一切都要重新来过，除非直接借助ODM和OEM快速进入市场，但这样做对于他们来说已经没有任何优势可言。而且在越来越多人的眼中（包括厂商自己)，SSD是内存类产品，与传统的机械硬盘不是一类东西，那么对于SSD你是更信任半导体厂商呢，还是传统的硬盘厂商呢？

传统的硬盘无疑将受到SSD越来越强烈的冲击，首当其冲的无疑将是拥有更高利润率，且用户对其成本不太敏感的企业级硬盘市场
说这些，并不是说硬盘厂商的末日来临，而仅是就SSD市场而言。硬盘与SSD将在很长时间里并存，也许很多个人用户会慢慢的切换到这样一种组合搭配——就像刀片服务器那样，用SSD装系统和应用软件，用传统的硬盘保存海量的用户数据，因为在容量这一参数上，SSD要想在可用的价格水平上赶上硬盘，还有很长的路要走。所以，硬盘厂商的安稳日子还很长。
但是，不管是SSD开拓了新的市场，还是SSD侵入了原有硬盘市场，当英特尔这个半导体巨人进入这一领地，并漂亮的露一手之后，硬盘厂商都必须要正面SSD的严峻挑战了。