非吳下阿蒙的 TLC SSD！Intel 540s系列

一顆SSD主要是由主控制器、DRAM緩衝記憶體、快閃記憶體所組成的，掌控SSD讀寫運作的主控制器，可以說是SSD的大腦中樞，搭配它運作的DRAM緩衝記憶體則是用來存放硬碟分區表（LBA，Logical Block Addressing），或是用來緩衝存放讀寫資料，至於你的資料則是全部存放在快閃記憶體裡。

目前在市場上常見的快閃記憶體，依據儲存資料的方式分別有SLC、MLC和TLC三種。SLC（Single-Level Cell）結構簡單，卻有高執行效率、低功耗率和存儲單元使用壽命長的優點，缺點則是因為每一個存儲單元僅能儲存1 bit資料，使得它的儲存成本高居不下，所以，多半會應用在高階商用的SSD產品上。MLC（Multi-Level Cell）雖然執行效率略低於SLC快閃記憶體，但是，比SLC快閃記憶體多1倍的容量，卻能在儲存成本、執行效率和使用壽命三者之間取得平衡下，成為目前消費級SSD固態硬碟所採用的主流。而TLC（Trinary-Level Cell）因為技術原理，使它SLC和MLC擁有更多的儲存容量，但在執行效率、使用壽命皆不如前兩者，多半應用在USB隨身碟、記憶卡行動儲存產品上。

▲一個存儲單元可儲存的容量分別比SLC快閃記憶體多3倍、MLC快閃記憶體多1.5倍的TLC快閃記憶體，具有低儲存成本的優點。

TLC快閃記憶體翻身的關鍵

在快閃記憶體幾乎左右SSD的使用壽命、讀寫效能下，儘管TLC快閃記憶體的儲存容量分別是SLC快閃記憶體的4倍、MLC快閃記憶體的2倍，但在P/E（Program/Erase Cycle）抹寫次數上，約為500 ~ 1000次的TLC快閃記憶體，仍落後約3000次的MLC快閃記憶體、約10萬次的SLC快閃記憶體。

因此，為了讓採用TLC快閃記憶體的SSD能夠受到消費者的青睞，廠商們便從SSD的運作中樞 — 主控制器著手，藉由透過最佳化主控制器的演算技術，再分別搭配SLC Cache、高OP（Over Provision，預留空間）的方式，讓採用TLC快閃記憶體的SSD不管是在讀寫效能、使用壽命，以及可靠性上都有一定程度的提升。

以目前市場上支援TLC快閃記憶體最為完善的SMI SM2258主控制器來說，這顆來自慧榮科技的控制晶片以LDPC（Low Density Parity Check，低密度奇偶修正碼）錯誤修正碼為基礎，發展出獨有的「NANDXtend」錯誤修正機制，在資料讀取過程中出現錯誤時，會依序由LDPC硬體解碼、LDPC軟體解碼，以及RAID Data Recovery這3個層級嘗試修正錯誤，相對於USB隨身碟、記憶卡所使用的BCH（Bose-Chaudhuri-Hocquenghem codes）錯誤修正碼僅有1層錯誤修正機制，NANDXtend錯誤修正機制不但可以確保所讀取出來的資料正確性，還能夠提升TLC快閃記憶體3倍的P/E抹寫次數，讓採用TLC快閃記憶體的SSD在儲存成本、使用壽命之間達到最佳平衡。

▲SMI SM2258主控制器以獨有的「NANDXtend」錯誤修正機制，不但可以確保所讀取出來的資料正確性，還能夠提升TLC快閃記憶體3倍的P/E抹寫次數。

▲Intel SSD固態硬碟540s系列採用SMI SM2256主控制器，並分別搭配1顆南亞科技512 MB DRAM緩衝記憶體，以及電路板正反面最多16顆的SK Hynix 16奈米TLC快閃記憶體。

另外，為了解決TLC快閃記憶體本身讀寫效能低落的情況，廠商在採用TLC快閃記憶體的SSD配備了「SLC Cache」技術，透過在SSD裡劃分一部分空間，並讓該空間裡的TLC快閃記憶體以1 bit的方式「模擬」SLC快閃記憶體的資料存取運作，來大幅提升SSD的讀寫效能。

至於SLC Cache的空間有多大？各家廠商會依據主控制器的演算技術、產品的定位…等因素而有所不同，不過，基本上不外乎底下兩種方式。
一種是在SSD裡直接劃出一個專屬空間當作SLC Cache，而這部分的空間，只有在SSD實際使用容量超過SSD本身容量減去SLC Cache後的臨界值時，就會取消SLC Cache的使用設定，回歸成原本的TLC快閃記憶體來使用。

這種方式的好處是，只有在SSD實際使用容量超過臨界值時，才會取消SLC Cache的使用設定，在絕大部分沒有達到臨界值時，SLC Cache可以全部用來提升SSD的讀寫效能，唯一的壞處就是在頻繁的讀寫下，讓這個專屬SLC Cache空間裡的TLC快閃記憶體，使用壽命相對於其它空間的TLC快閃記憶體來得短。

有別於直接劃出一個專屬空間當作SLC Cache的方式，另一種則是把整個SSD容量納入SLC Cache動態劃分的範圍後，隨著SSD實際使用容量來隨時調整SLC Cache的空間大小，這種方式雖然SLC Cache所佔用的空間並不固定，但是，在頻繁的讀寫動作不會偏重在特定空間下，可以讓整個SSD裡的TLC快閃記憶體都能有平均的使用壽命。

不過，SLC Cache也不是萬靈丹，因為，無論SLC Cache是採用哪種方式，一旦要寫入的資料量大於SLC Cache時，SLC Cache將無法發揮效用，這時SSD的寫入效能才是最真實的表現。

▲從HD Tune Pro測試工具的資料連續寫入圖表中，可以看到Intel SSD 540s系列480 GB在連續寫入48 GB資料後，循序寫入速度將從最高346.8 MB/s掉速到平均125 MB/s，由此可以得知該SSD的SLC Cache大小為48 GB。

Intel SSD固態硬碟新成員

在主控制器的演算技術日益精進下，採用TLC快閃記憶體的SSD勢將如雨後春筍般出現在市場上，因此，為了因應SSD市場的發展，Intel日前將旗下的SSD重新劃分成Consumer、Professional以及Data Center三大產品線，若以產品型號來看，分別可以往下細分成Cnsumer產品線有500、700系列，Professional產品線有1500、2500系列，Data Center產品線則有3500、3600、3700系列。

而在重新劃分SSD產品線的同時，Intel也推出首款導入TLC快閃記憶體的產品 — Intel SSD 540s系列。

雖然身為Consumer產品線500系列的新成員，但是，在不同於該系列其它產品都採用MLC快閃記憶體的情形下，為了讓產品有更明確的定位，Intel在Consumer產品線再區隔成針對效能最佳化的「5系列（5 SERIES）」、針對安全與管理最佳化的「PRO 5系列（PRO 5 SERIES）」，以及針對效能強化的「7系列（7 SERIES）」，讓消費者可以從彩盒包裝上所印製的系列標示來選購合適的SSD。

屬於5系列的Intel SSD 540s系列具有2.5”和M2兩種外觀規格，均採用SATA 6 Gb/s、AHCI介面，並分別有120 / 180 / 240 / 360 / 480 / 1000 GB六種不同儲存容量的版本。

▲由於Intel SSD的外觀都長得一樣，因此，必須從SSD後面貼紙上的資訊，才能辨識、得知SSD的規格與版本。

再從Intel所發佈的規格文件來看，Intel SSD 540s系列的每一款產品，最高循序讀取速度都可達到560 MB/s，但在循序寫入速度上，除了120 GB和180 GB分別只有400 MB/s和475 MB/s外，其它產品都能達到480 MB/s。

要注意的是，不管循序寫入速度是400、475，還是480 MB/s，這些都是SLC Cache仍有緩衝空間下的尖峰存取效能（Burst Performance），一旦SLC Cache的緩衝空間塞滿待寫入的資料時，循序寫入速度將會大幅下滑，使得120 GB和180 GB分別只有70 MB/s和90 MB/s、240 GB和360 GB只有100 MB/s、480 GB和1000 GB只有125 MB/s的持續存取效能（Sustained Performance）表現。

▲採用TLC快閃記憶體的SSD一定會有尖峰存取效能（Burst Performance）和持續存取效能（Sustained Performance）兩種截然不同的表現。

Intel SSD 540s系列效能實測

我們以捷元電腦的頂級宙斯機（詳細規格如下表）為測試平台，分別使用Anvil's Storage Utilities、AS SSD Benchmark、CrystalDiskMark，以及PCMark 8一共4套常見的SSD測試工具，來測試Intel SSD 540s系列的效能表現。

▲捷元電腦宙斯機測試平台規格

▲從CrystalDiskInfo工具中，可以看到將要進行測試的Intel SSD 540s系列的容量大小、韌體版本、讀寫次數…等資訊。

▲使用Anvil's Storage Utilities測試工具，以1 GB大小的檔案進行讀寫測試後，Intel SSD 540s系列分別有近480 MB/s的循序讀取速度、450 MB/s的循序寫入速度，整體的讀寫效能成績則為4069。

▲Intel SSD 540s系列在AS SSD Benchmark測試工具中，同樣以1 GB大小的檔案進行讀寫測試後，可以看到它分別有近480 MB/s的循序讀取速度、310 MB/s的循序寫入速度，整體的讀寫效能成績則為961。

▲接著，再使用AS SSD Benchmark測試工具內建的「Copy-Benchmark」測試項目，分別透過讀寫ISO、Program、Game這三種類型的檔案後，可以看到Intel SSD 540s系列在讀寫單一大檔類型的ISO檔案時效能最高，最低的則是在讀寫檔案較小，但數量比較多的Program檔案。

▲最後，使用AS SSD Benchmark測試工具內建的「Compression-Benchmark」測試項目，以模擬資料在不同壓縮比的情況下，SSD的整體讀寫效率，而從測試圖表可以看到Intel SSD 540s系列的資料讀取曲線從380 MB/s起始就一路狂飆到490 MB/s，之後也都能維持在480 ~ 490 MB/s之間；反觀資料寫入曲線從470 MB/s起始後，就在440 ~ 470 MB/s之間上下擺盪，甚至在近60%的資料壓縮比時，掉速到330 MB/s。

▲在CrystalDiskMark測試工具中分別使用「隨機亂數模式（左圖）」、「0 Fill循序測試模式（右圖）」」來測試Intel SSD 540s系列後，可以看到不管是在哪個測試模式，Intel SSD 540s系列都能表現出560 MB/s讀取速度、500 MB/s寫入速度的平均效能成績。

▲在PCMark 8的Storage綜合測試中，Intel SSD 540s系列的整體讀寫效能成績為4891。

其中，在讀取401 MB、寫入624 MB的Adobe InDesign測試中，Intel SSD 540s系列需耗費近60秒的時間，而在以讀取任務的遊戲應用中，Intel SSD 540s系列分別在Battlefield測試中耗費近135秒、World of Warcraft測試中耗費近59秒，另外在以寫入資料為主的Photoshop heavy（讀取468 MB、寫入5640 MB）測試中耗費了365秒。

結語

對於採用TLC快閃記憶體的SSD，相信大家最在意的就是它的使用壽命。不過，我們在前面內容中提到：隨著廠商在主控制器的演算技術日益精進下，再分別搭配SLC Cache、高OP的方式，採用TLC快閃記憶體的SSD不管是在讀寫效能、使用壽命，以及可靠性上都有一定程度的提升。

就以Intel SSD固態硬碟540s系列所採用的SMI SM2256主控制器來說，透過獨有的「NANDXtend」錯誤修正機制，不但可以確保所讀取出來的資料正確性，還能夠把TLC快閃記憶體的P/E抹寫次數，從500 ~ 1000次提升到1500 ~ 3000次，換句話說，如果以我們這次試用的480 GB容量版本來計算，就算在每天讀寫100 GB資料的情形下，它仍有長達19 ~ 39年的使用壽命。

至於在讀寫效能方面，受限於本身資料讀寫的原理下，雖然比不過採用MLC快閃記憶體的SSD，但是，仍有記憶體該有的效能水準，再加上低儲存成本的優勢，相信用來取代傳統硬碟的系統硬碟、讀取比較頻繁的NAS網路硬碟…等應用場合上，採用TLC快閃記憶體的SSD其實是相當好用的選擇！