重拳出擊
專題報道
作者：藍色
固態硬盤可謂是近幾年來茁壯成長起來的一股新生力量，它並不像機械硬盤那樣很快就進入到了性能瓶頸階段。這兩年中固態硬盤還在繼續迅猛發展，雖然基礎的技術早已定型，但是廠商的交替、產品的升級、技術的換代持續在進行中，既有廠商淪落到被收購，也有新廠商崛起，主流的MLC閃存之外又多了TLC閃存的身影，SandForce、Marvell兩大主控廠商之外台係主控又卷土重來了，這個市場依然熱鬧非凡。
時至今日，機械硬盤依然是最重要的PC組件之一，但是消費者的目光則更多的鎖定在固態硬盤上，現在裝機不配SSD似乎都不好意思見人。大器晚成的固態硬盤一經進入市場就爆發出了極強的影響力，不論是性能、還是體積、重量，甚至是靜音，固態硬盤都全麵領先機械硬盤，唯一的阻礙就是單位容量的價格依然偏高。
其實SSD的普及進程還是相當快的，這主要得益於它的價格在不斷下滑，目前240GB/256GB容量的固態硬盤價格堪比兩年前的120GB/128GB SSD，容量翻倍而價格甚至更低，主流型號大多在千元以內，部分品牌甚至隻要600多元，大多數消費者完全能負擔得起。所以，我們在這次專題中選擇的是240GB/256GB容量的固態硬盤，如果說120GB/128GB的固態硬盤可以滿足大家裝係統及常用軟件、遊戲的基本需求之外，那麼240GB/256GB容量的固態硬盤已經可以承擔起除了高清電影收藏等需求之外的日常使用了。
在了解了固態硬盤優勢之後，我們的目標是讓它用得更好，不需要翻看錢包決定預算，也不要為容量而捉襟見肘。240GB/256GB容量的產品無疑很快會成為市場中的主流型號，當然，相比機械硬盤，固態硬盤的每GB售價依然高很多，但固態硬盤整體的降價趨勢並不會改變，也許在下一次的專題評測中，1TB甚至更高容量的SSD產品就會取代如今的240GB/256GB SSD，而我們隻希望這一天來得更快一些。
NAND閃存：20nm成主流，15nm露曙光
在去年的SSD固態硬盤橫評中，我們測試的SSD使用的主要還是25nm（包含24nm、27nm工藝等）工藝的NAND閃存，之後隨著Intel、美光聯合發布了全球首款20nm工藝NAND閃存之後，20nm NAND閃存開始遍地開花，Intel自335係列開始、美光自M500係列、三星自840係列之後開始全麵使用20nm NAND閃存，直到本次的專題評測為止，20nm閃存依然是主角，這要比前麵的25nm和34nm閃存都要長壽。
NAND閃存本質上也是集成電路，也一樣遵守電子電路的發展規律。從34nm到25nm再到現在的20nm，製程工藝的升級使得晶體管集成度更高，帶來的好處就是NAND容量更大，成本更低。當然，20nm製程工藝帶來的實際好處不是紙麵這麼簡單，也不是沒有負麵效果。在之前的固態硬盤評測中，我們已經詳細介紹過了NAND閃存的工作原理和特殊性，而製程升級也使得NAND每一次升級換代都參雜了優點與不足。
前麵說過，製程工藝升級最直接的好處是晶體管密度更高，核心麵積更小，而NAND容量更大，34nm工藝節點NAND核心（die）容量尚且不能達到 64Gb（8GB），需要2個核心才能實現這一目標，25nm工藝下倒是可以製造出64Gb的核心，但是核心麵積高達167mm2，20nm下核心麵積則會縮小到118mm2，麵積縮小了30%，產量提升了40%，這對廠商來說大大降低了生產成本。
20nm工藝使得NAND核心麵積縮小，同樣麵積下可製造容量更大的閃存
不隻是64Gb核心更容易了，20nm工藝導致的核心麵積縮減也讓128Gb核心成為現實，這是製造超大容量固態硬盤的前提，目前三星、美光等公司的1TB容量的SSD都使用了128Gb核心。
不過，在我們為技術感到欣喜的同時也不能忽視製程升級帶來的負麵影響，這一切還要“歸功於”NAND特殊的工作原理——製程越先進，半導體之間的間隔就越小，柵極氧化層就越薄，P/E循環壽命就越短，擦除需要的時間也越長，性能也會降低，而距離縮短導致晶體管相互之間的幹擾也越來越嚴重，這使得製程先進的NAND存在性能及可靠性上的雙重問題。
當然，20nm工藝帶來的優點是巨大的，缺陷則是可以解決的。對於錯誤及幹擾，也可以通過更先進的ECC糾錯、容量更大的頁麵文件提升錯誤修正，還有WL磨損平衡算法、壓縮數據以降低WAF寫入放大、提升OP空間比例率等等手段可用。對於性能提升，廠商可以開發更好的GC垃圾回收算法即時恢複空盤性能。此外，這還可以通過配置性能更快、可靠性最高的SLC閃存作緩存來提升性能，三星的Turbo Write及閃迪的nCache都是這種技術的代表。
綜合各方麵的改進之後，20nm NAND閃存的性能和可靠性依然能維持在比較高的水準，至少不會比25nm工藝差，換成我們最常見的P/E循環次數來看，25nm工藝的NAND通常是3000次，20nm NAND初期不足1000次，但是後期也一樣提升到了3000次P/E循環。
20nm不是終點，15/16nm閃存已經來了
雖然20nm還沒有顯露疲態，但是20nm工藝顯然不可能是NAND發展的終點。今年以來，東芝與閃迪已經展示過了15nm NAND，美光下一代NAND工藝進展更快，前不久的MX100係列固態硬盤上已經使用了16nm MLC閃存，是15/16nm NAND工藝中量產最早、商業化進度最快的。
目前，16nm工藝下的NAND閃存也是64Gb（8GB容量）核心的，美光並沒有披露其16nm工藝NAND的詳情，不過Anandtech網站之前以東芝的15nm NAND晶圓為例估算了下新工藝的晶體管密度和核心麵積，我們不妨在這裏引用來參考一下。
Anandtch網站估算的東芝15nm 128Gb閃存的核心麵積
他們估算出來的東芝15nm 128Gb閃存的核心麵積隻有139mm2，同規格NAND中隻比三星的V-NAND 3D閃存略高，比東芝目前的19nm工藝64Gb的113mm2核心麵積也隻高出23%，而容量卻提升1倍。美光的16nm 128Gb核心閃存詳情未知，但是此前他們宣稱這是世界上核心麵積最小的128Gb核心閃存，看起來不會比東芝的15nm工藝差。
這次的SSD專題評測中，美光16nm工藝閃存的MX100也有參加，這也是目前唯一的下一代工藝閃存的SSD，但是很快它就不會如此孤獨了，不久我們就會看到更多使用15/16nm工藝閃存的硬盤了。
TLC閃存露頭，擁抱還是謹慎？
與NAND製程工藝相伴的還有閃存類型，例如大多數人都知道的SLC、MLC和TLC這三種，SLC不論性能還是可靠性都是最好的，但成本也是最高的，高到企業級用戶也不敢全部使用SLC閃存，MLC閃存性能、可靠性次之，而我們平常所指的MLC其實是2bit-MLC，TLC則是這兩年才開始為人熟知，它在U盤以及其他不需要太高性能的場合使用很多，但在SSD市場首先是由三星的840開始的，目前為止也隻有三星在著力推進。
SLC太貴太少我們不去管它，MLC則要跟TLC有一番糾結，前者每個單元能儲存2個數據，有四種電位變化，後者每個單元可以儲存3個數據，有8種電位變化。這種區別帶來的變化就是TLC閃存容量更大，成本更低，舉例來說，同樣的晶體管電路做成64Gb的SLC閃存，那麼變成MLC、TLC閃存則可以得到128Gb、192Gb的容量，這對廠商來說大大降低了成本。
但是，TLC閃存也不是隻有光鮮的一麵，它帶來的考驗也更大。容納的電位多了可以提升容量，但也使得整個過程更複雜，編程、擦除（也就是讀寫數據）的速度更慢了，最關鍵的是閃存壽命直線下降，MLC的P/E次數至少還有3000-5000次，而TLC公認的P/E指標是1000次，好點的可能做到1500 次，依然比MLC差很多。
為了改善TLC閃存的這些先天性缺陷，廠商也不得不使用其他技術做些彌補，提高ECC的比，增大頁麵容量等等，但是TLC與MLC、SLC質的差距是無法完全解決的，而廠商對TLC閃存的興趣越來越大，普通消費者很快都要麵臨這樣的選擇——TLC可靠性真的沒問題嗎？值得選嗎？
我們無法就每個人的需求統一回答，但是我們可以從之前做過的多個SSD可靠性測試結果來簡單了解一下，之前Hardare.info以三星TLC閃存的840 250GB硬盤為例，持續2個月不間斷寫入數據，通過這種超出日常使用的極端情況來考驗TLC閃存的可靠性。最終的結果顯示，三星的840硬盤P/E壽命達到了2945次，是官方指標的三倍，在出現第一個不可恢複錯誤之前總計寫入了707TiB數據，每天寫入10GB的話可以用198年，考慮到寫入放大率（算作3）及更多的寫入量（30GB/天），它也能支撐23年，遠遠超過了質保及多數硬盤的正常服役時間。
其後，也有多家機構跟進做了類似的長期使用測試，測試結果大同小異，即便是TLC閃存的840或者840 EVO固態硬盤，在硬盤出錯或者掛掉之前都堅持了很長時間，測出的TLC硬盤使用壽命遠遠超過了硬盤的正常使用壽命。在這個問題上，對TLC閃存最熱心的三星也做過解釋：雖然TLC閃存的P/E壽命看起來有限，但SSD主控技術的進步、SSD容量的增長使得這個問題實際影響並不大，消費者無需為TLC閃存的使用壽命擔心。
目前，三星已經推出了840及840 EVO兩代TLC閃存的硬盤，其中840 EVO表現更猛，在三星的RAPID及TruboWrite技術的輔助下，120GB容量的840 EVO性能就超過了很多256GB的MLC硬盤。此外，前不久推出V-NAND 3D閃存的850 Pro之後，三星已經暗示會推出TLC閃存的V-NAND閃存了，850 EVO離我們已經並不遙遠了。
除三星以外，東芝/閃迪也推出了19nm工藝的TLC閃存了，閃迪甚至已經有Ultra II這樣的TLC閃存硬盤推出。除了這三家之外，美光也早對TLC閃存躍躍欲試了，今年底也會推出16nm工藝的TLC閃存，唯一對TLC閃存興趣不大的就是Intel了，尚無跡象顯示Intel有這樣的準備。
廠商大麵積使用TLC閃存是遲早的事，這一點不是消費者意誌所能決定的（當然TLC閃存全麵取代MLC也不可能）。在技術不斷進步的情況下，TLC的性能及使用壽命並不是影響它發展的關鍵了，但是目前的TLC閃存硬盤存在的一個問題就是性價比太低，三星的840及840 EVO雖然使用了成本更低的TLC閃存，但實際售價並不比MLC閃存更低，如果消費者不能享受到TLC閃存帶來的低成本優勢卻反而承擔TLC閃存的風險，這顯然不利於TLC閃存的發展，我們隻能寄希望於更多廠商進軍TLC閃存之後能通過競爭的力量讓TLC閃存降至合理的位置。
TLC就完全沒問題？
雖然三星的TLC閃存達到甚至超過了標稱的P/E次數，但這不代表TLC閃存就萬無一失了，有玩家測試發現它的840 EVO硬盤在讀取長時間存放的舊文件時性能大幅降低到60MB/s左右，嚴重不正常。
首先發現這個問題的是Overclock論壇玩家gino074，他是三星SSD的鐵杆“粉絲”，係統盤采用的是256GB的840 Pro，此外還分別有1個500GB、1個1TB的840 EVO硬盤，在兩個840 EVO硬盤上都發現了一個問題——讀寫新文件時性能還是正常的450MB/s速度，但在讀取舊文件（存放時間超過數周或者數月）時速度低至60MB/s。重啟之後速度有改善，但效果並不明顯，還是不能恢複應有水平。
840 EVO硬盤的HD Tach v3測試
840 Pro的HD Tach v3性能測試
針對他手頭的840 EVO和840 Pro兩種硬盤，分別使用HD Tach進行測試，測試之後發現840 Pro沒問題，新舊文件速度都正常，而兩個840 EVO都有問題。
三星官方的解釋稱，導致掉速問題的根源是讀取-重試操作的算法，而這個操作主要是補償Cell單元的電壓變化，這說明這種情況下隨時間變化的電壓遷漂移（voltage drift）是個關鍵因素，840 Evo的閃存管理顯然沒有對電壓變化作出準確的響應。
電壓遷漂移與NAND內部Float Gate漏電有關，數據寫入NAND後會成為一個電荷保持在Float Gate裏麵，如果不重新擦除寫入的話電荷就一直會留在那裏並開始慢慢漏電，漏電與SSD是否通著電是無關的。過一段很長的時間後主控再去讀取這些數據發現有漏電，就需要對這些數據進行糾錯，讀取速度自然受影響。
以上原理同樣適用於SLC和MLC閃存，隻不過SLC隻有兩個電位，MLC有四個，而TLC呢？八個，大家覺得那個的糾錯會容易一些，而且TLC閃存本身的內部漏電問題就比其他兩個要嚴重，所以就導致了舊文件在讀取時速度大幅度下降的問題，以上純屬個人推測，真正的原因還得三星自己去調查清楚。
目前三星已經在其官網提供了新版固件的升級程序，三星對此帶來的不便表示歉意，使用840 EVO硬盤的玩家可以留意下官網的升級通知。 此外同樣使用TLC閃存的三星840也存在掉速的問題，三星已經著手調查。
對於TLC閃存，我們的態度一直是明確的：它確實對廠商降低成本非常有利，但是，除非TLC閃存的SSD在售價上相比MLC有較大優勢，否則根本沒有選擇TLC的必要。
平麵不行了，向3D進發
製程升級及TLC閃存的實質都是為了提升NAND儲存容量、降低成本，但是這兩種技術的副作用也是很大的——性能降低，可靠性下降，而且在製程低於15/16nm之後，由於氧化層越來越薄，可供使用的電子也越來越少，實際上將會使這種方式越來越難，最終變得不可行，人們顯然需要另尋它法。
隨著製程以及TLC、QLC的升級，NAND的電子數量也會越來越少並最終不可用
在這樣的情況下，研究人員就需要從普通的2D閃存開始向3D堆棧閃存前進，原理說起來很簡單——立體堆疊可以多合一，形象點說就是原來的2D內存是平房，增加麵積就隻能擴大宅基地，地產老板不喜歡，而現在的3D閃存則是摩天大樓，地麵還是那麼大，但是樓房多了，地產老板、房客都喜歡了，還會說高層光線好，空氣好什麼的。
3D堆棧技術相對來說還是新技術，問世時間還不算長，不過我們日常生活中實際上都已經用上這個技術了，隻是大家還沒覺察到而已——手機攝像頭傳感器，不論是FSI前照式還是BSI背照式，多數都使用了TSV（矽通孔）技術的，這已經是3D堆棧技術的一種了。
東芝、三星。海力士及美光各自研發過不同的3D閃存方案
當然，3D封裝技術的分類太多了，就算是集中到我們今天討論的3D NAND上，不同廠商也有過不同的技術方案。在全球四大NAND廠商中，東芝/閃迪係主要研究p-BICS（Bit-Cost Scalable），Hynxi繼續搞浮柵極為基礎的3D FG方案，美光/Intel係主要搞3D Flash，三星搞過水平封裝的TCAT（Terabit Cell Array Transistor），但去年首先量產的則是垂直封裝的V-NAND。
三星的V-NAND閃存已經發展了兩代，封裝層數提升了1/3，存儲密度提升了40%
作為全球NAND產業的老大，三星在NAND上的實力與投入也是最大的，四大豪門的3D閃存中也隻有三星正式量產並上市了，而且已經發展出了兩代，早先的第一代產品，最多24層堆疊，如今的850 Pro則使用的是第二代V-NAND，堆疊層數從24提升到32層，存儲密度提升了40%。
對於V-NAND閃存技術，這裏簡單介紹一下，SSD目前使用的NAND是浮柵極為基礎的，但是隨著製程工藝的升級，間隔越小的話，浮柵極的電子數量會減少，而且控製更複雜，16nm之後提升不易，而且在可靠性及性能上副作用越來越明顯。
三星的V-NAND放棄了傳統的浮柵極MOSFET，改用自家的電荷擷取閃存（charge trap flash，簡稱CTF）設計。每個cell單元看起來更小了，但是裏麵的電荷是儲存在一個絕緣層而非之前的導體上的，理論上是沒有消耗的。這種看起來更小的電荷有很多優點，比如更高的可靠性、更小的體積，不過這些還隻是其中的一部分，V-NAND因為消耗少而具備了很強的P/E擦寫壽命，第一代V-NAND號稱35000次P/E，幾乎達到了SLC閃存的水平，是MLC閃存的2-10倍。
這是之前的數據了，在使用第二代V-NAND閃存的850 Pro硬盤上，Anandtech網站測試出的P/E次數是6000次，雖然還沒有達到三星所說的10倍可靠性，不過相比20nm工藝MLC閃存平均3000次的P/E壽命已經好太多了。
3D閃存優點多多，廠商顯然不可能放過這一波浪潮，目前三星的V-NAND進度是最快的，已經有850 Pro以及即將發布的850 EVO（TLC的V-NAND閃存）這樣的產品，而且在國內西安投資70億美元興建了NAND工廠，生產的就是這種V-NAND閃存，未來還會繼續領跑。
美光、東芝/閃迪及SK Hyix三家也不同程度地宣示要量產3D閃存，目前也是建廠、擴產的階段，但是真正上市還早，這三家普遍是在15/16nm節點才開始量產3D閃存，最快今年底，產品上市則要等到明年了，預計未來兩年才是他們的3D閃存爆發時間點。
Marvell、SF兩強爭霸，台係主控崛起
閃存是SSD硬盤最重要的元件，那麼第二重要的就要屬主控了，作為整個SSD的控製中樞，主控對SSD的性能、可靠性及穩定性都有著關鍵性影響。相比與閃存上的變化，這兩年SSD主控市場的變化並不大——主要的市場依然是由SandFore及Marvell傳統兩強把持，但是一些新跡象值得關注，比如尋求獨立主控的OCZ最終被收購，而台係主控悄然間突圍了，JMircon、SMI慧榮、群聯已經不滿足於廉價低端市場了，開始在技術與性能上尋求進一步突破。當然，SSD主控市場依然是SF與Marvell兩大廠商爭霸，二者的地位暫時無可動搖。
先說Marvell公司，2012年其主力產品還是88SS9174/9175主控及衍生版，這一次的主力則是88SS9187/9188主控及衍生版，其中88S9187是Marvell第三代產品，支持SATA 6Gbps接口，8通道設計，另外還支持ECC、硬件AES加密等功能，而88SS9188則精簡到了4通道，其他技術規格基本相同。
麵對未來的新製程及TLC閃存，Marvell也積極布局了未來的產品，從6月份的台北電腦展開始，Marvell陸續發布了支持SATA-Express接口的88SS91083主控、支持15nm及TLC閃存的88SS1074主控，以及支持NVMe硬盤的88SS1093主控等等。毫無疑問，Marvell自身也是一家大型公司，這兩年也沒什麼變動，技術進步也很平穩，也沒出過什麼主控質量問題，未來的前景值得看好。
相比Marvell公司，SandForce公司這兩年就有點折騰了，2011年底3.2億賣身給LSI收購，2014年安華高又以66億美元的價格收購了LSI，當然這個66億金額主要是LSI的企業級業務，並不是針對SF部分的，實際上安華高對SF的業務並無興趣，最終希捷又出手以4.5億美元收購了LSI的閃存加速業務，而攤到SF業務上也不過是8000萬美元，幾番折騰下來SF主控的價值並不高。
SandForce SF-2281主控
具體的產品方麵，上次專題評測時SF主控的主力是消費級的SF-2281，而今年的專題評測中使用SF主控的SSD大多還是選擇SF-2281主控（有vb1、vb2 兩個版本，vb2應該是優化了功耗之類），你不得不承認SF-2281確實是一代經典，500MB/s的讀寫性能夠高，且支持8通道、AES-256硬件加密、RAISE、ECC糾錯等技術，同時還有SF專利的DuaWrite寫入壓縮技術，這都是SF主控的識別碼了。
SF3700你在哪裏？
至於下一代新品，SandForce很早就發布了SF3700係列主控，而且SATA 6Gbps及PCI-E接口大一統，規格很強大，但是SF3700一直難產，相關產品可能還要等一等了。
除了自有SSD主控的公司，在外包主控的市場中，Marvell與SF占據了90%的份額，留給其他廠商的空間並不多，但是SSD市場前景還是很誘人的，爭相進入SSD主控市場的公司還是有的，前幾年有過一席之地的台係SSD主控廠商這兩年又回來了，而OCZ、LAMD這樣尋求獨立主控的公司最終則被大公司收編了。
JMicron JMF667H主控
前幾年台係廠商在SSD主控市場還是很活躍的，最具代表性的就是JMicron，隻不過當時JMF612及JMF66X主控性能表現一般，隨機性能差一些，隻能在低端市場混混日子。但是這兩年JMicron以及新進市場的SMI慧榮、群聯等台係公司狠下苦功，在性能及技術上追上來了。