隨著5G、物聯網(IoT)、人工智慧(AI)以及邊緣運算(edge computing)等越來越多的裝置開始走出戶外,甚至面對嵌入式環境的種種嚴苛挑戰,除了需要更大容量的儲存,也不斷要求記憶體支援更高的效能、可靠度以及寬溫範圍。新一代3D NAND Flash承諾帶來更大容量與高效能,如今都將在宇瞻科技(Apacer Technology)最新的工業級儲存解決方案中實現。

「3D NAND並不是什麼新鮮事!」宇瞻科技垂直市場應用事業處處長黃美惠指出,「3D NAND從2016年起出貨,並持續引領快閃記憶體(Flash)市場發展。但是,合乎高可靠度標準、工業等級的NAND Flash直到現在才算是真正量產。」因此,宇瞻科技在與東芝公司(Toshiba)長期配合以及經過研發工程師嚴謹的驗證後,近日正式亮相工業級寬溫3D NAND產品系列。

宇瞻科技垂直市場應用處產品管理部徐柏峯表示,宇瞻的NAND Flash產品從SLC、MLC到TLC均採用東芝原廠顆粒,此次為了確保3D NAND TLC產品的品質與效能都是最佳狀態,長時間與東芝就技術方面展開密切合作,自今年第四季起正式推出一系列採用東芝TLC 64層3D NAND顆粒的全新快閃記憶體解決方案。

徐柏峯說,從2D SLC/MLC走向3D TLC,就像是將平房蓋成高樓大廈的堆疊概念,不僅克服了2D NAND在10nm製程時由於記憶體單元(cell)之間距離過近導致干擾的技術瓶頸,更帶來了大容量、高可靠性、效能更佳以及功耗更低的優點。

20181213_Apacer_NT41P1 圖1:從2D走向3D NAND,就像從平房堆疊成高樓大廈,不僅增加容量並有助於克服cell間的干擾

然而,3D NAND也存在著品質、P/E Cycle以及溫度等挑戰。為此,宇瞻為其3D NAND延續2D時代採用東芝原廠顆粒的高品質、相同的3K P/E Cycles,並確保採用原廠-40~85℃工業級正寬溫IC。此外,宇瞻還研發出多種韌體與加值技術,可望將3D NAND的潛在限制轉化為更高效能並提供更長使用壽命。

Over-Provisioning (OP)技術升級3D NAND效能與耐用度

除了7%的系統保留空間,宇瞻科技利用Over-Provisioning (OP)技術為其全新3D NAND系列提供更好的耐用度(endurance)以及隨機效能。徐柏峯並分別以寫入放大值(Write Amplification Indicator;WAI)、每秒讀寫次數(IOPS)、「垃圾回收機制」(Garbage Collection;GC)等指標來比較採用OP機制與未採用OP的足容產品實測結果。

以WAI指標來看,採用OP的120GB產品可使WAI從1.68降低14%至1.47,而256GB產品的WAI更大幅下降了25%。而以IOPS均值來衡量OP/NON-OP的效能,在SSD寫入約500分鐘、容量寫滿後,於IOPS嚴峻的效能測試條件下,採用OP的產品效能測得約3700 IOPS,而NON-OP的足容產品效能則為2000 IOPS,產品效能大幅提高約85%。

針對釋放動態記憶體而造成主機閒置(IDLE)的GC測項也顯示,採用OP的產品比NON-OP的足容產品提高了65%的背景處理效能,讓系統執行GC的效率表現更好。

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圖2:除了系統保留空間,Over-Provisioning (OP)技術有助於更有效率的進行故障區塊(Later Bad Block;LBB)置換,讓採用OP的產品效能與耐用度表現更好

LPDC ECC引擎把關SSD安全性

徐柏峯說,錯誤修正碼(ECC)引擎就像是「糾察隊」一樣把關SSD的安全性。從2D轉向3D NAND,由於資料錯誤比例更高,ECC引擎有助於確保在進行讀寫時不至於將錯誤資料寫入NAND Flash,讓資料的儲存更可靠。

「相較於2D MLC和SLC採用BCH ECC引擎,在1KB中達到72bit的ECC能力,宇瞻的3D TLC全系列導入低密度奇偶檢查碼(LDPC) ECC引擎後,可實現120bit以上的偵錯能力。」

除了偵錯能力更高,宇瞻的LPDC ECC引擎還設置了三道關卡,進一步防止資料錯誤,提升資料可靠度。徐柏峯介紹,一個完整的LDPC ECC過程包括LPDC hard data decoding與LPDC soft data decoding二道關卡,如果在這兩道關卡都發生錯誤後,宇瞻的3D NAND SSD更採用DataRAIDTM技術進一步把關。

DataRAIDTM技術可自動生成奇偶校驗(Parity)的備份檔,會與資料同時存在;可用於修正並還原在hard-decoding和soft-decoding時無法糾正的錯誤資料,確保資料讀寫的正確性。

20181213_Apacer_NT41P3 圖3:相較於2D MLC/SLC採用BCH ECC引擎,在1KB中達到72bit的ECC能力,3D TLC導入LDPC ECC引擎可實現120bit以上的偵錯能力

預防與追蹤「雙管」齊下

為了確保3D NAND SSD能發揮最大的儲存效益,宇瞻還開發了Double-barreled智慧儲存解決方案,包括第一階段的CoreAnalyzer2韌體技術和第二階段的SSDWidget2.0智慧監控軟體,為客戶提供事前預防與事後監控追蹤的保護,讓SSD使用更長效。

宇瞻科技垂直市場應用處產品技術副理朱家君引用市調公司IDC的資料指出,目前全球約有30億支以上的智慧型手機、超過20億部PC以及84億IoT裝置正在運行中,預計到2035年還將會有1兆以上的裝置開機運行。他說:「每一種裝置應用分別採用各自不同的SSD與韌體,單一SSD已無法滿足所有的應用需求。」

因此,只要將宇瞻開發的CoreAnalyzer2導入SSD韌體,客戶就能輕鬆掌握SSD的使用行為並精準分析資料讀寫活動與系統運作狀態,進而根據客戶應用建議最適合的SSD或客製化SSD韌體。第二個步驟則是透過SSDWidget2.0智慧監控軟體進行遠端監控並記錄SSD的使用環境、溫度與讀寫狀況,預測、維護以及減輕SSD故障的風險。

20181213_Apacer_NT41P4 圖4:SSDWidget2.0讓用戶透過embedded Windows與Linux作業系統、一般瀏覽器介面,甚至智慧型手機,即可智慧監控每一個SSD

朱家君說,CoreAnalyzer2是一套專家系統,能夠從主機系統收集資料,並監控使用行為與SSD的工作負載。相關的使用與運作資料自動記錄在log檔案(容量小於16K,而不至於發生穩私問題)後,由宇瞻專業技術團隊進行分析並提交客戶的使用行為報告,包括主機行為、存取行為以及運作行為,亦或建議客戶系統進行調校等。

而在監測階段採用SSDWidget2.0,客戶可透過網際網路遠端監測SSD狀態,掌握並預先發現潛在的風險,有助於其提早防範與準備、調配或進行備份,從而提高資料可靠度以及降低人力與維護成本,最終目的為讓工控客戶的SSD得以長效使用。

朱家君並介紹導入宇瞻Double-barreled智慧儲存解決方案的成功案例。一家新加坡客戶打造的智慧停車與即時資訊管理系統,結合CoreAnalyzer2分析其資料存取行為後發現,儲存裝置需具備24小時全天候的即時與動態資料傳輸、因應尖峰與離峰時段不同存取設計、於嚴苛的戶外環境仍可穩定運作、、加強資料保密機制等需求。為此,宇瞻為其系統規劃了專利抗硫化記憶體模組、支援工業級寬溫與TCG Opal 2.0規範/AES 256位元硬體加密的SSD 產品,搭配整合SSDWidget2.0智慧監控軟體,客戶可同時於雲端與智慧型手機App全方位管理儲存裝置,打造高品質的使用者體驗。

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圖5:宇瞻Double-barreled智慧儲存解決方案透過兩階段的軟韌體技術,讓工業級SSD長效性使用更有保障

類似的解決方案於另一個美國離岸油井應用同樣獲得顯著成效。在打造油井探勘平台時,面對遠程且惡劣的環境,離岸的探勘平台、龐大資料量以及物流和人力資源等挑戰,宇瞻Double-barreled智慧儲存解決方案讓客戶得以遠端監控油井開採作業過程中的資料收集與分析情形,即時掌握鑽油井狀況與環境的變化,預防任何濳在的風險。

針對迅速成長中的工控領域,Apacer宇瞻科技最新的工業級3D NAND儲存解決方案與加值技術適用於物聯網、網通與伺服器、交通運輸、國防應用、醫療照護及博弈等垂直應用市場,滿足其對於容量、高可靠度以及高效能與低功耗的需求,為工控儲存市場注入新契機。