[XF 學堂] 從 SATA 到 ESDFF 消費級/企業級 SSD 速度‧容量‧標準演進

- 辛尼 - 2023-11-03

序言

今時今日大家所使用的電腦,基本上都會使用 SSD 作為主要的儲存空間,加上近年 SSD 的相關技術不斷發展,以家用為例目前最新的 PCIe 5.0 M.2 SSD 在速度以至容量上都比幾年前的 PCIe 3.0 M.2 SSD 有大幅的提升,配合售價上變得平民化,令到不少用家都已經放棄傳統的硬碟。至於企業方面,他們除了追求效能和容量之外,更重要就是當中的穩定性及可靠性,由於 SSD 與傳統硬碟在架構上的不同,而 SSD 則可以擁有較高的抗震性,部份企業級 SSD 更適合如 Data Center 等需要 24×7 運作的系統使用。

 

機械硬碟 vs 固態硬碟

討論 SSD 的演變之前,首先略為比較一下傳統機械硬碟與 SSD 之間的分別,機械缺點的最大缺點,就在於它的基本結構是由磁頭、轉軸、懸掛架與及碟片所組成,而資料的讀寫就是透過轉動碟片,經由磁頭寫入碟片的不同位置。機械硬碟要增加容量的話,就必需增加碟片的數量,又或者是增加每片碟片的容量,但無論是前者或後者,始終都受到物理上的限制,因此容量上近年就已經有點停滯不前。至於速度方面更是機械硬碟的最大缺點,要提升效能就必需加快碟片的轉動速度,但速度越高所產生的熱力亦有所提升,要解決硬碟內部的熱力就一直讓轉速難以提升,因此 7200RPM 的轉速已經多年未有改變,至於部份轉速達 15000RPM 的則屬於企業級應用,售價更高並不適合一般的用家。

至於 SSD 方面,早在 1970 年代就曾經有一間名為 StorageTek 的公司發表過一款固態硬碟 STC 4305,由於售價較高達 US$400,000,而容量只有 45MB,加上當時在速度及穩定性上都未能達到標準,因此慢慢就被消失。直到 1991 年當時就有第一款商用的 SSD 出現,由 SunDisk(即現時的 SanDisk)為 IBM 推出,容量上只有 20MB,但與當時的 HDD 仍然有一段距離,因此同樣未被當時的一般用家所接受。

 

消費級 SSD 演變

對於消費級的 SSD 來說,大家最早接觸到就必定是採用 2.5” 設計的 SATA SSD,這類 SSD 仍然採用 SATA 作為介面,由於 SATA III 已經是在 2019 年推出的標準,當時以 6Gbps 的傳輸速度來看,對於傳統機械硬碟或當時的 SSD 來說確實已經足夠,但隨著 SSD 的速度開始提升,SATA III 介面就成為了 SSD 速度上的「樽頸」。除了 SATA III 之外,當時還有一種主要針對 Laptop 市場的 mSATA 介面推出,但由於其標準都仍然是 SATA III 的關係,因此亦都面對之後被慢慢淘汰的局面。

既然 SATA III 受到速度上的限制,因此當時就有廠商推出以 PCIe 作為介面的產品,PCIe 介面其實是由 AGP 所延伸出來,初初主要是為了滿足顯示卡寬頻的需要而設計,而隨著 PCIe 的出現就陸續有不同以 PCIe 作為介面的擴充卡推出,而 PCIe SSD 則是其中一種。以當時 PCIe 3.0 的標準來說,就算是最低的 x1 都已經有 1GB/s 的傳輸速度,若果是 x16 的話更可以擁有接近 16GB/s 的速度。雖然 PCIe SSD 看似解決了 SATA III 的速度問題,但始終 PCIe SSD 需要以擴充卡的方式出現,對於沒有額外 PCIe 插槽的主機板或者是空間較細的 Laptop 來說,PCIe SSD 仍然不是一個最佳的方案。

 

Intel 推出革命性 M.2

Intel 為了解決 PCIe SSD 因為體積問題而未能融入 Laptop 等細小電腦,因此當時他們就推行一種名為 NGFF(Next Generation Form Factor)的標準,亦即是現時 M.2 的前身。為了讓 M.2 這個介面標準能夠變得更多樣化從而加快推進速度,因此當時 Intel 並未有限制 M.2 介面的用途。M.2 目前來說主要分為三種不同的 Socket,分別是 Socket 1(A Key)、Socket 2(B Key)與及 Socket 3(M Key)。Socket 1(A Key)現時大多會用作安裝無線網絡卡,例如是主機板上的 Wi-Fi 功能或 Laptop 內的 Wi-Fi,都是採用 Socket 1 介面的擴充卡。至於 Socket 2(B Key)與 Socket 3(M Key)都是針對 SSD 所設計,分別在於 Socket 2(B Key)能夠同時支援 SATA 及 PCIe,至於 Socket 3(M Key)就只能支援 PCIe,但要注意的是不同 Socket 之間並不相容,而早期有部份廠商都有推出可同時支援 B Key 和 M Key 的 M.2 SSD。有一點要注意的是,使用 SATA 的 M.2 在速度上其實與 SATA III 的 SSD 一樣,都會受到 6Gbps 的限制。除了有不同的 Socket 介面之外,大家在選擇 M.2 SSD 的時候還會看到有一種數字,分別有 2242、2260、2280、22110 等等,例如較常見的 M.2 2280,就表示該 M.2 SSD 的闊度為 22mm,而長度則是 80mm。

當提及 M.2 SSD 的時候,就會同時帶出 NVMe 與及 NAND,首先 NVMe 大約在 2011 年所推出,它出現就完全解決了 SATA 一直以來的「樽頸」問題。NVMe 技術充份發揮了 PCIe,以獲得更大的頻寬,從而大大提升 M.2 SSD 的讀寫速度。同時,NVMe 允許的命令佇列數多達 65535 個,每個佇列最多可以有 65536 個指令,相比起 SATA 只有單一佇列並且只能儲存 32 個指令,NVMe 的出現亦大大提升了 SSD 在不同方面的效能。

用家同時會關心就是 SSD 所採用的 NAND,NAND 的其中一個特性,就是當資料寫滿而需要再寫入的時候,就必需先把 NAND 的資料刪除才能重新寫入,而這種重覆性的動作亦會令造成損耗,因此 SSD 一般都會有一個「寫入次數」來代表其壽命。初期的 NAND 都會以一個類似平面的方式進行鋪排,因此亦稱之為 2D NAND,當需要更多的儲存容量,就必需透過堆疊更多層,因此 3D NAND 的出現就能有效這個問題。另一個與 NAND 有關就是所用的顆粒,目前來說分別有 SLC、MLC、TLC、QLC 與及 PLC,它們主要分別在於 SLC 為在單一 Cell 內只能儲存 1bit 的資料,但優點是更穩定、擁有長的寫入壽命及耗電量較低,但相對上容量會較低並且成本較高,並不符合消費級用家的市場。因此,現時大部份的主流 SSD 都會採用 MLC、TLC 甚至是 QLC,以更高的容量及相對上更佳的性價比,來抵銷寫入次數較短的問題,始終對於大部份主流用家來說,都不會有大量的資料需要經常性寫入,例如是遊戲及軟件安裝後,基本上就是讀取的使用。

 

商用級 SSD 演變

針對商業應用層面上,SSD 都擁有著不同的改變,以配合速度、容量以至最重要的穩定性上發展。針對 2.5” SSD 上,就分別有 U.2 與及 U.3 的介面,這兩種介面的 SSD 在外形上與 2.5” 的 SATA SSD 相似,但主要分別在於當中的介面部份,速度方面 U.2 能夠支援到 PCIe 3.0 x4 的速度與及 NVMe 標準,讓傳輸速度可達到 32Gbps。除了 U.2 之外,同時還有 U.3 這個介面,它無論從介面以至效能上都與 U.2 的 SSD 相同,主要分別在於 U.3 能夠配合 Tri-Mode Controller,讓 U.3 能夠對應 NVMe SSD、SAS 與及 SATA,對於企業用作升級或配置上變得更為靈活,但有一點要注意是 U.3 NVMe SSD 擁有後向兼容的能力,但 U.2 NVMe SSD 則不能應用在 U.3 的設備之上。

 

EDSFF 的優點

為了進一步提升企業用級 SSD 的速度及容量,以至擁有更佳的兼容性標準,因此就出現了 EDSFF(Enterprise and Data Center SSD Form Factor),這種全新規格目的在於解決 Data Center 或企業因為以往各種儲存裝置的外形所遇到的問題及限制,透過統一的標準讓所有採用 EDSFF 介面的裝置都能與 EDSFF 的設備,使用時更不會受到 Channel 數量的限制,在配置上變得更靈活。另外,EDSFF 與一般的 SATA 或 M.2 NVMe SSD 不同在於能夠設計成不同的功耗,當中 EDSFF 的設計就能支援高達 70W 的功耗,在更高功耗之下就能提供更高的效能。性能方面,若果與採用 4 通道的 U.2 或 U.3 相比,EDSFF 在 16 通道的 4C 配置就能提供高達 4 倍的效能,在 8 通道的 2C 配置則能提供 2 倍的效能。對於企業應用除了效能更重要的是穩定及可靠性,當中最直接影響到就是散熱問題,由於 EDSFF 的設計可以有效利用到空間與及表面面積,並可以按實際需要為 SSD 加添更大的散熱片以解決熱量的問題。

E1 與 E3 兩大系列

在 EDSFF 標準之下就同時劃分了 E1 與及 E3 兩個系列的產品,而它們各自又會分別有 Long 和 Short 兩個版本,因此就會分別有 E1.L、E1.S、E3.L 和 E3.S,它們各自會有不同的尺寸與及功耗,而可使用的 PCIe Lane 數量上則由 x4 增加至 x8 和 x16(E1 最高支援 x8)。

 

E1 規格主要是針對 1U 設計的伺服器,相對上會比較類似大家現時所使用的 M.2 NVMe SSD。其中 E1.S 的長度分別有 111.49mm 和 118.75mm,並且按照不同型號的需要配搭不同厚度的散熱片,因此 E1.S 的厚度可以分別有 5.9mm、8.01mm、9.5mm、15mm 與及 25mm,同時厚度亦分別代表該產品的功耗,分別為 12W、16W、20W、25W、25W,在不同配之下企業能夠打造更密集式的儲存設計,以提升整體伺服的容量及效能。E1.L 方面長度則固定為 318.75mm,厚度則分別有 9.5mm 與及 18mm,代表所使用的散熱片厚度有所不同,其中 9.5mm 型號的功耗為 25W,至於 18mm 的功耗則可達到 40W。效能方面,E1 系列產品若果是採用 PCIe Gen4x4 與及 NVMe 2.0 標準下,能夠提供高達 7200MB/s 的讀取和 4800MB/s 的寫入,IOPS 則可以分別高達 1650K 和 200K。

E3 規格就是針對 2U 設計的產品,體積上就會類似 U.2 或 U.3 的 NVMe SSD,並且 E3 的最大優勢就是能夠使用高達 x16 通道,並且其功耗最高可達 70W。E3 同樣會分別有有 E3.S 和 E3.L 兩種,它們的闊度相同為 76mm,長度方面 E3.S 為 112.75mm 而 E3.L 則是 142.2mm。無論是 E3.S 或 E3.L 同時會有 2T 的升級版出現,主要分別就是 E3.S 和 E3.L 的厚度為 7.5mm,至於 E3.S 2T 和 E3.L 2T 的厚度為 16.8mm。功耗方面,E3.S 的最大功耗是 25W,E3.S 2T 和 E3.L 的最大功耗為 40W,至於 E3.L 2T 的最大功耗則可達到 70W。效能方面,E3 系列目前部份產品能夠提供高達 14000MB/s 的讀取和 7000MB/s 的寫入,同時 IOPS 都可以分別高達 2700K 和 600K。