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Intel消費性市場3D NAND第一彈——Intel SSD 600p

以機械運作的硬式磁碟機(Hard Disk Drive,簡稱HDD)已經問世了六十年。在這一段不算短的日子之中,因技術之演進,HDD在存取速度與容量上已經歷過數次跨時代的躍進。

而時至今日,由電子方式運作的固態硬碟(Solid State Disk,簡稱SSD)取代機械市之 HDD 已為大勢所趨。綜觀世代交替之進程,其主要影響因素在於 SSD 之單位儲存成本何時可與 HDD 黃金交叉,而致使 SSD 成為市場之主流。以此,各 SSD 廠商無不以降低製造成本作為現階段研發之主要方向。

降低製造成本以提高市占率之努力

生產 SSD 的主要儲存元件——「NAND 快閃記憶體」之各廠商,為了達成降低 NAND 生產成本之目標,一開始由兩個方向進行切入:一是在晶圓製程上改進,使一片晶圓上能產出更多的儲存單元;其二是嘗試在單一儲存單元中塞入更多的資訊。

而兩者皆有其難處與技術瓶頸,前者的難處除了製程本身必須跨越的障礙之外,儲存單元之過度微縮化將會使 NAND 電荷儲存容量大幅下降,而影響 NAND 之壽命。鄰近單元的擁擠化也會造成隨機干擾機率的上升,而衍生讀取效率及整體壽命下降之困擾。

從 SLC、MLC 到 TLC ——在單一儲存單元中塞入更多的資訊

撇開深奧的技術文字,我們可以從下圖來理解 SLC、MLC 及 TLC 在每個儲存單元內寫入資訊的差異:

SLC 每一個單元僅能存取兩種資訊,而 TLC 則為 SLC 的四倍。所以,在相同數量的儲存單元之下,TLC 的理論容量將會是 SLC 的四倍,亦即,TLC 的單位儲存成本理論上將可降至 SLC 的 1/4 以下,這加速了 SSD 在市場上佔有率的推進。然而,塞入更多資訊並不是沒有代價的,原先於 SLC 模式判斷單元資訊的可能性只有兩種(0或1),而在TLC模式中將增加至八種可能。這將會讓 NAND 的操作電壓也必須增加至八種狀態,而帶來的後果則是更長的存取時間,以及操作電壓上升,而導致 NAND 單元壽命之減損。

以此,TLC 較 SLC 與 MLC 有著較慢的存取速度,以及相對較低的操作壽命。而這一切皆是著眼於降低成本,以跨越市場門檻的折衝結果。

3D 結構帶來了革命性的影響

當密度的提升遭遇瓶頸之時,藉由不同的觀點,可以跳脫原有的限制而創造出新的發展空間。3D 堆疊即是一個新的製作思維:如果一個都市的建地有限,當平房蓋滿時,樓房將取代平房,而取得更多的居住空間。Intel 在其官網以一則短片簡單演示了這個概念:

3D NAND 革命性技術在於 2007 年東芝發表之 BiCS 技術,其特點為垂直通道、以及採用 SONOS 結構,利用絕緣層來儲存電荷 (charge trap)。整體而言 BiCS 達成了用較少的光罩次數而能生成更多層 NAND 單元的優勢,二方面 3D 結構使得儲存電荷的物理空間較 2D 結構為大,如此 3D NAND 之壽命將較 2D NAND 要來得長。即便是採取了 TLC 之儲存方式,其壽命亦可以趨近原本 2D SLC 之程度。

最早將 3D NAND 量產上市之廠商為三星,其 VG-NAND 結構採用了垂直閘極,以及利用 charge trap 來儲存電荷。其實際產品 850 Pro 與 950 Pro 在台灣雖未上市,但 3D NAND 所造就之威能仍然在 DIYer 間塑造出獨特之地位。

Intel與美光聯合發展之3D NAND技術

早在 2015 年三月,Intel 與美光即公布了其初代 3D NAND 之基礎資訊:32層堆疊、以 MLC 模式運作之 32GB 顆粒,亦可以 TLC 模式運作,在此模式其容量可提升至 48GB。

與其他競爭者有顯著不同之處在於,Intel/美光並不採用 charge trap,而是使用傳統的浮動閘極 (floating gate) 來儲存電荷。Intel/美光強調在其 3D NAND 架構之下,每一個單元之電荷容量與傳統 50nm 製程之 2D NAND 相當(事實上還超過一些),以此其壽命將較一些 35nm 製程之 2D NAND 要來的更為長久。

而在帳面上,美光之技術人員指稱此 3D NAND 每一單元之抹寫承受次數 (P/E cycles) 至少為 3000 次,因當時美光消費性 MLC 顆粒之 P/E cycles 即為 3000 次。但根據大部分報導之推測,此款 3D NAND 之實際 P/E cycles 能耐應大於10000次。

Intel 消費性 3D NAND SSD 出世:Pro 6000p 與 600p 系列

於今年四月,Intel 推出其 3D NAND 之首發產品:DC P3520/P3320 及 DC 3700/3600。此數款產品所面向之市場主要為高階應用及伺服器市場。而在消費性市場部分,彼時以 2D TLC 之 540s 取代了 MLC 模式之 535 系列。如此因 TLC 所帶來的低價效應進一步擠壓了傳統 HDD 之市場;另一方面,TLC 之妥協性能所衍生的效能與壽命之疑慮,造就了消費性市場中高階產品線的真空效應。

此一真空狀態在6月初,於 BenchLife 網站所揭示之資訊而有所解答:Intel 將推出採用 3D NAND 技術之 Pro 6000p 與 600p 系列 SSD,來滿足主流消費市場之中高階需求。而入門款之 Pro 5400s 與 540s 系列,將繼續推進原先 HDD 所佔有之市場。

原廠公布之 600p 系列其性能數據如下:

容量128GB256GB512GB1TB
循序讀取(MB/s)770157017751800
循序寫入(MB/s)450540560560
隨機讀取(IOPS)35,00071,000128,500155,000
隨機寫入(IOPS)91,500112,000128,000128,000
外觀型式M.2 2280
介面PCIe 3.0 x4 NVMe
保固原廠五年保固

SATA 介面將成為瓶頸

與以往產品之顯著不同之處在於,600p 系列並沒有 2.5 吋 SATA 之規格,而採用 M.2 PCIe 3.0 x4 之介面取而代之。究其原因在於,現有 SATA 介面已成為 SSD 之瓶頸,而目前高速之 SSD 皆已改採用 PCIe 介面,來克服 SATA 之限制。如三星 950 Pro、Kingston HyperX Predator、PLEXTOR M8Pe 等等皆以 PCIe 介面為主軸。

而可用來參考之實例為最近美光推出之 1100 系列,此為美光 3D NAND 消費性產品之首發,雖然 1100 為 M.2 型式,但其介面係採用 SATA 6.0G。而由美光所公布之性能諸元,可推測 SATA 介面將此 SSD 之傳輸速率限制在 530 MB/s 之範圍內。

美光1100系列SSD之公布數據:

容量256GB512GB1TB2TB
循序讀取(MB/s)530530530530
循序寫入(MB/s)500500500500
隨機讀取(IOPS)55,00092,00092,00092,000
隨機寫入(IOPS)83,00083,00083,00083,000
外觀型式M.2 2280
介面SATA 6.0G

此外,美光另外亦宣布將推出 PCIe NVMe 介面之 2100 系列 SSD,雖然此時該產品之性能資訊尚未揭露,但相信除去了 SATA 之限制,應可發揮其所搭載 3D NAND 顆粒之正常效能。

實物開箱

我們於第一時間取得之產品為 Intel 600p Series 256GB,型號為 SSDPEKKW256G7X1,其包裝為原廠彩盒外附瓦楞盒。

600p 系列之彩盒給使用者之第一印象,不外乎其上明顯標註之「SSD 6」字樣,而之前上市之540系列則標示為「SSD 5」,如此之視覺效果其目的為讓消費者容易區分出 Intel 不同系列 SSD 之產品定位。彩盒背面另有述明 5、6、7 系列 SSD 各產品線適和應用之場合。

此次新推出之 600p 系列與以往 Intel SSD 成員,於容量型式上有較大之不同。原有產品線之容量大抵以 120/240/480GB/960GB 為主,而 600p 系列則為128/256/512GB/1024GB。推測應與 600p 所使用之 TLC 顆粒之規格有關。對消費者而言,額外增添的儲存空間亦成為商品本身之賣點。

彩盒內標準內容物計有:SSD 主體*1、說明書*1,並未附有其他配件。而 M.2 固定螺絲預設將由提供 M.2 腳座之零組件(主機板、介面卡等)來提供。

600p 系列與 6000p 系列其外觀形式皆為 M.2 2280,此次取得之 600p 256G SSD 採用慧榮 SMI 控制晶片,晶片表面未標示型號,僅記載製造批號 N00X94;另搭配三顆 Intel 與美光合作之 29F64B2AMCMG2 3D NAND 顆粒,構成 SSD 之主體。此外,Intel 另外採用南亞 NT5CC128M16IP 256MB DDR3L 記憶體作為快取之用。

600p 系列 SSD 之介面規格為 PCIe 3.0 x4,其 M.2 腳位為 key M,必須要注意的是,其僅適合安裝於 PCIe 介面或 PCIe/SATA 兼容介面之 M.2 腳座,若主機板或介面卡之 M.2 僅適用 SATA 介面之 SSD,則此產品將無法使用。

測試環境

我們採用 ASUS B150M-A/M.2 主機板建立平台來進行測試。此一新上市之產品原廠強調其 M.2 腳座不但可相容於 PCIe 及 SATA,且其 M.2 PCIe 支援之運作模式為 3.0 x4。而目前一般主機板之 M.2 插槽多半僅支援 PCIe x2 之模式。以此相信 ASUS B150M-A/M.2 應可發揮 600p 系列之全數性能而無所保留。

此外,為了交叉驗證 on board M.2 PCIe 與介面卡轉接之 M.2 PCIe 其效能表現是否有所差異,我們特別準備了 M.2 PCIe x4 之介面卡來搭配測試。

另外我們準備了Intel NUC6i3SYH NUC(使用 Skylake 晶片組,其 M.2 支援 PCIe x4)作為第二測試平台。藉以比對不同平台之測試數據差異,另一方面驗證 M.2 PCIe NVMe SSD 之相容性與主機支援程度。

測試平台1之規格:

考量為避免不同主機板上 CPU 之節能設置之不同而干預 SSD 運作等非客觀性因素,於測試時 BIOS 中之 C1E、C3/C6 及 CPU EIST 節能功能皆設定為關閉狀態,以降低測試平台本身所帶來之誤差。

測試平台2之規格:

因 ASUS B150M-A/M.2 主機板其 BIOS 支援 NVMe,以此 Intel 600p SSD 於此平台可直接被設定為開機媒體,SSD 安裝之後並不需要於 BIOS 多進行額外之設定,系統會自行偵測到 M.2 PCIe NVMe SSD,並置入開機選單之中。

我們使用 Windows 作業系統預設之 NVMe 驅動程式,於 CrystalDiskInfo 中顯示傳輸模式為 PCIe 3.0 x4。附帶一提,Intel 600p SSD 之工作溫度不高,以此於多種測試軟體密集進行測試之後,CrystalDiskInfo 顯示其溫度並未有大幅上升。

基本測試結果

AS SSD Benchmark 測試

AS SSD Benchmark 基本測試循序讀取 1399.95 MB/s、寫入 554.32 MB/s。4K 讀取 35.10 MB/s、寫入 138.10 MB/s。相較於同門之750系列雖然力有未逮,但卻明顯超越了原有5xx系列 SATA SSD 之傳輸表現,此外,亦較前一世代之人氣產品 Plextor M6e系列(原廠數據最高 770/625 MB/s)表現要為佳。

使用 AS SSD Compression-Benchmark 測試之結果顯示,600p 系列 256GB 之讀寫曲線十分平順,並未有大幅波動之現象,顯示 Intel 於 SSD 之韌體調教保持其一直以來之穩定水準。

Anvil's Storage Utilities 測試

Anvil's Storage Utilities 測試顯示 4MB 區塊之循序讀取 1336.81 MB/s、寫入 560.18 MB/s。4K 讀取 35.51 MB/s、寫入 145.91 MB/s。寫入部分之表現較 AS SSD Benchmark 要些微高,但差異並不顯著,可以列入測試數據之浮動範圍內。

CrystalDiskMark 測試

CrystalDiskMark 測試結果循序讀取 1578 MB/s、寫入 564.8 MB/s。4K 讀取 38.67 MB/s、寫入 173.1 MB/s。

CrystalDiskMark zero fill測試結果循序讀取 1577 MB/s、寫入 566.4 MB/s。 4K 讀取 38.81 MB/s、寫入 174.9 MB/s。

TxBENCH 測試

TxBENCH 測試結果循序讀取 1554.181 MB/s、寫入 587.346 MB/s。4K 讀取 37.067 MB/s、寫入 145.493 MB/s。

進階效能測試

首先採用 Anvil's Storage Utilities 測試佇列深度。測試結果於讀取階段於 QD32 深度,寫入階段於 QD16 深度,其 IOPS 將趨近飽和點。

ATTO Disk Benchmark——Neither 測試模式

以ATTO Disk Benchmark於 Neither 測試模式,最高傳輸速度約為讀取 1500 MB/s、寫入 589 MB/s。因為佇列深度設定,當傳輸區塊超過32MB時,傳輸速度將會大幅下降。

ATTO Disk Benchmark——I/O Comparison Random 測試模式

以ATTO Disk Benchmark於 I/O Comparison Random 測試模式,最高傳輸速度約為讀取 1340 MB/s、寫入 589 MB/s。因為佇列深度設定,當傳輸區塊超過32MB時,傳輸速度將會大幅下降。

ATTO Disk Benchmark——Overlapped I/O QD 8 測試模式

以ATTO Disk Benchmark於 Overlapped I/O QD 8 測試模式,最高傳輸速度約為讀取 1609 MB/s、寫入 589 MB/s。因為佇列深度設定,當傳輸區塊超過4MB時,傳輸速度將會大幅下降。

使用PCIe轉接卡之比較

當我們將 600p 256GB 另外安裝於PCIe轉接卡上時,於BIOS及開機選單中並未顯示出明顯之不同。較明顯之差異為,Windows作業系統會將PCIe轉接卡上之SSD認定為disk 0,而主機板內建M.2上之SSD則為disk 1。

以此,當SSD安裝於PCIe轉接卡上時,於 CrystalDiskInfo 中將顯示D碟較C碟為優先。除此之外,其傳輸模式亦顯示為 PCIe 3.0 x4,且以 AS SSD Benchmark 之測試結果相較,並無顯著之差異。以此可以得知主機板上 M.2 介面其傳輸模式與頻寬並無規格上之額外限制。

安裝於 Intel NUC6i3SYH Sylake NUC 上作為系統碟之測試

依原廠資料,Intel NUC6i3SYH NUC 之 M.2 介面支援至 PCIe x4,且因其 BIOS 支援 NVMe,以此當 600p 256GB 安裝於其上並進行開機後,BIOS自動辨識 NVMe SSD 之存在,並以相對應之最高速度進行傳輸。

於 CrystalDiskInfo 中顯示傳輸模式亦為PCIe 3.0 x4。之後以 AS SSD Benchmark 進行測試,循序讀取 1210.25 MB/s、寫入 570.06 MB/s。4K 讀取 29.23 MB/s、寫入 101.75 MB/s。相較於測試平台1,於各項目略有差異,但整體表現並無巨幅之落差。

PCMark 8 Storage 測試

因 600p 256GB 於測試平台2為唯一之儲存媒體,以此我們能夠以 PCMark 8 進行 Storage 測試,其得分為 4897 分,平均傳輸率為 187.32 MB/s。

PCIe NVMe將為主流趨勢

由以上之各項測試數據顯示,Intel 600p 系列其所使用之 3D NAND 於 TLC 模式之下之表現不但超越了以往使用 MLC 之系列產品,其整體表現展現出跨越世代之標竿。我們可以推測,600p 系列之表現將成為消費性 SSD 之新指標。而其採用之 PCIe 3.0 x4 介面、NVMe 模式亦將成為未來之主流。於市場定位中,SATA SSD 將進一步以合理之成本侵吞 HDD 之市場,而 PCIe SSD 將成為消費市場之中高階主流。

THIS IS ONLY THE BEGINNING

由 Intel 所公布之發展進程可知,600p 系列僅為 Intel 於 3D NAND 應用之入門磚,其後應用其 3D XPoint(支援獨立區塊讀寫,以及其他先進優勢)技術之 Optane SSD 大軍將席捲高階應用及伺服器等市場。而 SSD 其技術之演進僅為一肇始,SSD 成為基本零組件則開展為一進行式。

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