固态硬盘的新战国时代(下)
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作者: 本刊编辑部
坐镇中军的主控芯片
在上期前沿技术栏目中，CHIP为广大读者介绍了闪存技术的最新进展，本期CHIP将继续为读者介绍固态硬盘的关键技术――主控芯片，并简要评述固态硬盘的发展之路和前景。
如果说闪存是固态硬盘的骨骼和肌肉的话，那么主控芯片无疑就是固态硬盘的大脑。固态硬盘平均无故障时间的延长、持续和随机读写性能的提高，无不与主控芯片息息相关。与传统的机械硬盘相比，固态硬盘的制造门槛大大降低，但主控芯片的作用却空前提高――传统硬盘的主要指标是马达转速和单碟存储密度，不同厂商的产品尽管采用不同的控制芯片，但只要这两个指标类似，那么性能也就在伯仲之间；而采用不同主控芯片的固态硬盘的性能却千差万别，即使它们使用完全相同的闪存芯片。同样，固态硬盘的飞速发展还带动了接口的进步。SATA接口和SAS接口的速度已经飙升到了6Gb/s，但这一速度对固态硬盘，特别是面向企业应用的固态硬盘而言也几乎难以满足要求，目前业界已经把目光投向了PCI-E接口，在英特尔的牵头下，面向企业应用的NVMHCI已经进入实用化的最后准备阶段。
在闪存、主控芯片和接口技术进步的共同作用下，固态硬盘已经迎来了它诞生以来最好的发展契机：早期的不成熟已经荡然无存，速度也远远领先于传统硬盘，只有容量和性价比还落后于后者。尽管还没有接过硬盘的衣钵，但固态硬盘业界已经是烽烟四起――一个崭新的战国时代来临了。
主控芯片发展简史
固态硬盘问世于20世纪70年代，但直到最近几年，固态硬盘才为人们所熟知。由于固态硬盘的性能主要取决于主控芯片，因此主控芯片也成为固态硬盘战胜传统硬盘并全面普及的关键点。虽然很难把主控芯片的发展划分为明确的时代，但简要了解主控芯片的发展，有助于我们更好地了解固态硬盘技术。
早期的固态硬盘性能并不高，这除了归因于主控采用较少的通道外，也和当时主控的算法不够成熟有关。在PATA接口时代，主要主控生产商比如SST、SMI等，设计的都是双通道或者四通道主控，性能与当时主流硬盘相比并不占任何优势，价格却十分高昂。这一情况在2008年得到了改观：一大批台湾IC设计公司借着SATA接口的普及，推出了廉价的主控方案，其中最有名气的就是JMicon公司。它的第一代SATA主控芯片――JMF602（B）尽管性能较低、可靠性较差，但价格相对低廉，一时间无论是金士顿、东芝这样的大厂商，还是国内众多的山寨厂家，都对这款产品趋之若鹜。同年年底，韩国厂商Indilinx也推出了代号为“Barefoot”的主控芯片，由于加入了缓存技术和ARM 7处理器，它的性能相对不错，被不少厂商用于高端固态硬盘方案。不过，这一年最耀眼的明星并非前两者，而是英特尔，它的第一代X25固态硬盘无论是持续传输还是随机传输速度在当时简直令人难以想象，在算法上也有独到之处，写入放大比已经接近于1。这些几乎都归功于它的主控芯片出色的10通道技术和优秀的算法，这款主控也成为目前市场上最“长寿”的产品。
从2009年开始，主控芯片的竞争开始日渐激烈，由于英特尔的主控芯片只用于自家固态硬盘，因此一些厂商采用了委托加工的方式，让英特尔生产自己品牌的产品。在低端市场，JMicon相继推出了JMF612和616两款主控芯片，但受限于算法，它们的性能依然难以尽如人意，但借助低廉的价格，在低端市场，这两款产品依旧颇具人气。这一年的明星则是横空出世的SandForce，它的SF1000系列主控芯片以非常出色的性能占据了高端产品的主流，而Barefoot则被它挤到了中端市场。尽管没有缓存，但SF1000系列主控拥有强大的处理能力，几乎能够对数据进行实时压缩解压，从而获得小于1的写入放大比，以及实现静态磨损平衡，这对固态硬盘的寿命和性能都很有好处。
进入2010年，高端市场除了SandForce和英特尔之外，又加入了Marvell，它的9174系列主控含有两颗ARM 9处理器，最多可有8个通道，支持DDR型 NAND（ONFI 2.0和Toggle 1.0）以及SATA 6.0Gb/s接口，拥有出色的持续和随机传输速度，由此迅速成为高端产品的宠儿。而在低端市场上，JMicon的JMF618主控成为不少厂商的选择。不过，最大的新闻出自2010年年底――SandForce推出了SF2000系列主控芯片，它的（官方）性能几乎将所有的竞争对手秒杀。目前，我们已经可以在市场上买到基于这一主控的产品。
得主控者得天下
到目前为止，主控芯片技术大约经历了两次技术进步，第一次以高速缓存和多通道技术的引入为标志，第二次以高速接口和压缩算法的引入为标志。从2010年年底开始，新一代高速主控芯片相继推出，尽管它们依然是第二次技术进步的衍生品（量变，而非质变），但带来的新技术依然值得一提。
在硬盘收购案前后还有数起有关存储技术的收购和投资，其中较为引人关注的是韩国主控芯片生产商Indilinx被OCZ所收购、金士顿参股JMicon（智微）、三星投资Fusion-IO等。众所周知，固态硬盘有两大组成部分――主控芯片和闪存芯片。后者的生产被少数几家大厂商所垄断，仅仅三星和东芝的产量就占全球闪存总产量的80%，而且需要大量的投资；前者则不需要进行制程和工艺的竞赛，但在设计上的要求很高。
由于固态硬盘领域目前正处于“战国时代”，没有哪个厂商能够像传统硬盘的西部数据和希捷两强一样占据绝大部分市场，而固态硬盘的性能主要取决于主控芯片，因此“掌握核心科技”就成为有野心的固态存储生产商的选择。在各大厂商中，英特尔、三星和东芝既拥有闪存芯片生产能力，又拥有自己的主控芯片；其他厂商如美光、OCZ、金士顿等都需要和JMicon、SandForce、Marvell展开合作，而尽管Indilinx已经被OCZ所收购，但它依然会给其他厂商提供产品。不过这可能是暂时现象――尽管组装固态硬盘的门槛很低，但资源（包括闪存和主控芯片）却掌握在少数厂商手中。由于收购一家主控芯片设计商所花的代价相对较低，一旦固态硬盘成为消费者必然的选项，业界的洗牌也就会开始，众多依赖第三方闪存芯片和主控方案的小企业将会面临严重的生存危机。数月前，在希捷众多私有化传言中，就有一个是关于希捷获得60% SandForce股份的，可见主控芯片对传统硬盘厂商跻身企业级固态硬盘市场是多么重要。
不断革新的性能王者
凭借杀手锏般的专利压缩算法，SandForce在主控芯片领域迅速闯出了一片新天地，仅仅面向家用市场的SF1200系列主控就可以达到285MB/s和275MB/s的持续读取和写入速度，反映随机性能的4KB I/O也可达到上万次。2010年10月，SanForce再接再厉，推出了更高性能的SF2000系列主控，与上代产品相比，SF2000家族性能得到了较大的提升，产品划分也更细，覆盖了企业级和消费级市场。
SF2000家族
目前已经发布的SF2000家族包括面向企业应用的SF2500/2600系列、面向工业和军事的SF2300系列和面向消费级别应用的SF2100/SF2200系列。SF2500/2600的区别仅仅在于前者支持SATA 6.0Gb/s接口，而后者支持SAS 2.0（6Gb/s）接口，同时也支持非512B扇区，SF2500采用400pin TFBGA封装，而2600是256pin封装。它们的持续读写速度最高可达500MB/s（区块为128KB时），4KB随机读写达到60000IOPS。在闪存方面，它们支持SLC、MLC和用于替代SLC的eMLC NAND，闪存的规格最高支持同步的Toggle 1.0和ONFI 2.0版本，制程则限定为较新的30nm和20nm级别，在ECC方面则加强为55bit/512B，并可以使用AES 256位加密。
在消费产品层面，SF2200可以看作是SF2500的性能缩水版，其官方指标与SF2500基本一致（实际应用则会有差别），4KB随机写入下降到20000IOPS；SF2100则是性能进一步缩水的版本，持续读写速度下降到250MB/s，其余性能则和SF2200一样，封装为256pin TFBGA。SF2300的性能与SF2200一致，但使用温度范围达到-40oC~85oC，是在严酷环境下应用的产品。
SF2000家族的技术进步
从技术指标上看，SF2000系列在速度方面取得了巨大的进步，但考虑到它增加了对Toggle 1.0和ONFI 2.X闪存的支持（166MT/s），这些进步则显得不那么令人惊异，它们依然是基于上代产品的DuraClass技术的产物。当然，为了满足更大的数据吞吐量，SF2000增大了片上缓冲区。同样，在接口方面，采用6.0Gb/s的接口也势在必行。在上期前沿技术中我们曾经提及，随着闪存工艺的进步，ECC的要求也越来越高，而SF2000的ECC能力从前一代产品的24bit/512B提升到55bit/512B，它的计算能力相当一部分消耗在这里。目前我们尚不知SF2000的运算能力如何以及具体的算法改进，从性能来估计，运算能力应该会有80%以上的提高。从典型能耗来看，SF2000家族上升到了1.5W，而SF1000则仅有0.9W，似乎支持了这一结论。不过，这颗主控芯片的性能好像还大有潜力可挖，比如通过采用特殊筛选的高品质NAND，SF2500/2600可以达到80000IOPS的4KB随机读写速度，这一特性倒和它的上一代产品类似。
此外，SF2000的实际表现也令人惊喜：SF1000系列受到批评的大量写入数据后性能下降的问题，在SF2000上也得到了显著改善――其性能下降几乎可以忽略不计。由于采用了动态LBA映射表，SF1000系列主控可以在空盘时跑出接近官方标称的性能数据，但在“脏”状态下（已经被写入大量数据，每个区块都被用过1次以上），它的连续和随机写入速度都会下降很多，如果再写入难以压缩的数据（如视频文件），性能还会再打个对折（SandForce的官方数据在标准写入放大比为0.55下测得）。而在此前的媒体测试中，使用SF2500主控芯片的OCZ Vertex3 Pro尽管受限于压缩算法，但依然对难以压缩数据无计可施（即使这样也能达到230MB/s左右的写入速率），但在“脏”状态下性能并不下降，开启Trim后也可以达到200MB/s左右，这可以说是一个巨大的进步。毫无疑问，无论是理论数据还是实际表现，目前SF2000都可算是性能王者，甚至称它是目前面向消费市场的唯一能够配得上6Gb/s的产品也不为过。
采用SF2000主控芯片的产品
SF2000家族主控发布至今已逾半年，从今年4月份开始，包括SandForce主要合作伙伴OCZ在内的众多厂商都已经推出了大量相关产品，以OCZ为例，到目前为止已经推出了SF2000家族的3个系列的十余款产品。它们包括采用SF2582芯片的Vertex3 EX和Vertex3 Pro，在官方标准上进一步提高了4KB随机I/O速度，面向企业级别应用；采用SF2281芯片的Vertex3，面向高端消费领域；同样采用SF2281芯片，但性能有所缩水的Agility3系列和性价比较高的Solid3系列，SF2100主控以及SAS接口的产品也将会在近期内发布。
除了OCZ之外，包括Super Talent、博帝、海盗船、OWC等厂商在内的SandForce合作伙伴也都推出了采用SF2000芯片的产品线。它们使用的接口包括SATA 6.0Gb/s、SAS、PCI-E，甚至还包括插在内存DIMM插槽上（只供电，数据传输为SATA 6.0Gb/s）的SATADIMM二代。从受到追捧的热度来看，SF2000无疑是2011年的明星产品。
改良与突破
与SandForce的进取相比，英特尔、Marvell和Indilinx似乎都显得有些保守――他们都将技术的改良作为重点，而没有出现革命性的技术进步。
英特尔：期待新突破
在固态硬盘市场上，英特尔似乎已经失去了前几年的风光，连续三代固态硬盘，英特尔都是在原有主控的基础上做出改良，似乎已经失去了当年推出十通道主控的锐气。不过，从英特尔的SSD 320系列固态硬盘的表现来看，尽管采用了与X25-M G2相同的主控，但主要性能还是有了一定提升，说明英特尔 PC29AS21AA0的潜力依旧得到了挖掘，特别是持续写入速度和随机I/O的进步，令Intel 320系列的性能可以与采用SF1200主控的产品相提并论。此外，加入的128位AES全盘加密和数据冗余断电保护功能也为用户的数据提供了保障。
不过，令英特尔尴尬的事实也相当明显：至今英特尔尚未推出支持SATA 6.0Gb/s的主控芯片，而老将PC29AS21AA0的潜力也已经被挖掘殆尽，以至于英特尔在高端的SSD 510系列中采用了Marvell 9174主控芯片。不过，去年年底英特尔和日立共同推出的Ultrastar SSD400S采用了英特尔设计的全新主控芯片，支持SAS 2.0（6Gb/s）和4Gb/s的光纤FC接口，读写速度指标还略好于SF2600，随机I/O指标也相当不错，这说明英特尔具有设计高性能主控芯片的实力，只是它愿不愿这样做。一些消息显示，年底时英特尔将会推出下一代主控芯片，或许它才真正值得我们期待。
Indilinx：面向性价比
在被SF1000系列击败后，Indilinx的Barefoot也进行了改良，最新的固件版本称为“Martini”，主要针对写入性能进行了改进，由于Barefoot主控是一颗4通道的ARM处理器，而此前的固件并未充分发挥它的写入NCQ性能，新版固件则改写了写入的算法，使它的连续写入达到了235MB/s，随机写入性能也提高了不少（理论值可以到4倍）。不过，与SF1200和PC29AS21AA0相比，它并不占优势。
由于Indilinx已经被OCZ收购，而后者又是SandForce最重要的合作伙伴，因此Indilinx未来的定位将是注重性价比型的主控，与SandForce主控形成高低搭配的格局。目前有消息称，Indilinx的第二代主控芯片研发已经接近完成，将在年底上市，它的亮点是支持廉价的三值型NAND（TLC NAND），此前SandForce也声称拥有类似技术，鉴于SandForce和OCZ良好的关系，或许OCZ得到了SandForce的帮助。将只能在存储卡和U盘中获得应用的TLC NAND引入将会有力地推动固态硬盘的普及，届时固态硬盘每GB容量价格将下降到1美元。
Marvell：继续挖掘潜力
Marvell 88SS9174主控含有两颗ARM9内核，计算能力相当强大，这也是它能够继续挖掘潜力的前提。目前基于最新版BKK2固件的产品，包括美光的RealSSD C400、英特尔SSD 510等性能也非常出色。此外，还有另外一版BLD2固件主控，与前者使用的电路板不同，主要供美光自家的Crucial M4使用，它们的PCB板也不一样。根据外媒的消息，88SS9174-BLD2可以达到90000IOPS的水准，这是个非常惊人的成绩，更为普及的BKK2版本纸面性能略低，但实际表现也不差。考虑使用25nm工艺NAND（由此带来更大的ECC负担）以及颗粒的读写延迟增加、使用8KB页面的闪存（4KB性能受到影响）、同等容量下颗粒数减少一半影响写入性能等不利因素，BKK2/BLD2固件还能够取得与前代产品持平乃至略微超出的性能，也算是一个不小的成绩。此外，新的固件还能实现更为强劲的垃圾清理功能。
传统两强：不可忽视的力量
作为NAND闪存生产的大户，三星和东芝的固态硬盘曾经非常抢眼，但近两年内已经归于沉寂。但近来有迹象表明，它们已经加大了主控芯片开发的力度，试图在固态硬盘方面再次有所建树。
三星：自有主控性能不俗
2010年下半年，正当SandForce和Marvell主控风靡江湖之际，三星也低调地推出了自家的470系列固态硬盘。该盘250MB/s和220MB/s的连续读写性能和31000/21000IOPS的随机读写性能也算是相当不错，在SATA 2.0接口下的表现甚至可以击败X25-M和RealSSD C300，主控芯片自然功不可没。
470 SSD的主控芯片是三星自己设计的S3C29MAX01-Y340，处理器使用了ARM内核，搭配30nm工艺Toggle 1.0 NAND和256MB DDR2 667缓存，但三星并未进一步透露这款主控芯片的技术。这款主控芯片也被三星用于提供给苹果MacBook Air笔记本电脑的MicroSATA接口固态硬盘，该硬盘性能与零售版的470系列类似。鉴于三星在ARM处理器方面丰富的设计经验和出色的设计能力，我们可以期待三星开发出性能更加优秀的主控芯片。
东芝：惊艳CES2011
数年前东芝还和三星一起不断刷新固态硬盘的容量纪录，但近两年来东芝固态硬盘的表现似乎总是不大给力，甚至还有采用JMF602/618主控（使用东芝自己的型号）的产品出现，在零售市场上可谓恶评如潮。
尽管东芝最近没有推出过令人称道的产品，但它的实力还是不容小视。在CES2011上，东芝展出了一款SAS接口的企业级固态硬盘，它分为100GB/200GB/400GB 3种容量，采用32 nm SLC NAND芯片，可以达到连续读取510MB/s、写入230MB/s、随机读取90000IOPS（实际应用演示时将近100000）、随机写入18000IOPS的性能。如果东芝能够重视零售市场的话，我们也可以期待它推出不错的产品。
CHIP结论：主控仍是关键
固态硬盘的关键是主控芯片。CHIP欣喜地看到，各大厂商的主控芯片采用的技术各不相同，正如十几年前显示芯片百花齐放的胜景。固态硬盘的战国时代已经到来，而引领这一时代的无疑是主控芯片。
两强并购案，意在固态硬盘？
2011年年初，业界相继迎来了两起重量级的收购――西部数据收购日立环球存储（HitachiGST）和希捷收购三星硬盘，重组之后的西部数据和希捷占据了绝大部分硬盘市场。由于这两次并购恰好发生在固态硬盘快速崛起的大背景下，因此观察家们普遍认为，这是传统硬盘厂商面对固态硬盘时代即将到来的应变之举。
固态硬盘取代传统硬盘是不可阻挡的潮流，但从目前看来，固态硬盘成为主流还有很长一段路要走。在这一过渡时期，固态硬盘和传统硬盘将以多种形式共处，其中重要的一部分内容就是混合硬盘，而在企业领域，固态硬盘的发展前景也非常看好。
并购之后的两大巨头都需要新的利润增长点，而传统硬盘业务已经很难持续增长、遑论足够的利润。混合硬盘和企业级固态硬盘则是很有希望的后起之秀，面向消费领域的固态硬盘更是兵家必争之地。因此，合并之后的两家企业不约而同地将目光投向这些领域，这也是顺理成章的事情。
主控芯片的关键特性
写入放大（Write Amplification）
写入放大的概念由英特尔和Silicon Systems最早提出。由于固态硬盘的数据管理并非是直接到每个比特（这样会使主控芯片不堪重负），而是到包含若干个比特的区块，向固态硬盘的非空区块写入数据的过程中，要经历数据移动-擦除-写入的过程。数据在写入时是以“页”为单位（一般为4KB），而在擦除时是以区块为单位（包含128或256个页）。这就是说，实际操作的数据要比写入的数据多，这一现象就叫做写入放大。由于不同的主控算法不同，支持的技术也不相同，写入放大比（实际操作数据和写入数据的比值）也就不一样。早期的JMF602主控的写入放大比可能超过5，而英特尔X25-M/E的主控芯片写入放大比接近1.1。理论上，写入放大比只能接近1，但SandForce使用的压缩技术使这一数值突破了1的限制，SF1000系列主控的写入放大比达到了0.55。从某种意义上来说，写入放大比是一颗主控芯片最重要的特性，它决定着固态硬盘的性能和寿命。
磨损平衡（Wear Leveling）
由于NAND Flash芯片能够承受的写入次数有限（50nm工艺的MLC NAND为1万次左右，34nm、25nm以及最新的20mm工艺MLC NAND基本上都在5000次以下），如果出现对某些区块频繁写入的情况，则会导致固态硬盘过早损坏，而每个区块写次数基本一致则是最理想的状态。所谓磨损平衡就是通过一定的算法，使各个区块达到尽可能一样的写入次数。不过，由于这一技术需要一定的空间支持，因此会影响固态硬盘的可用空间；还要经常在后台移动数据，也会增加写入放大。目前磨损平衡算法较好的是SandForce和英特尔系主控。
垃圾回收（Garbage collection）
当固态硬盘所有区块都被写过一次数据之后，那些包含无效数据的块将会被初始化，这一过程称为垃圾回收。垃圾回收操作由主控芯片控制，可以在系统闲置时进行，称为闲置垃圾回收；也可以在数据写入时进行，称为主动垃圾回收。二者各有优点，前者不会过多占用主控芯片的性能，但需要一定的空白空间，还会增加写入放大；后者则需要较高性能的主控。闲置垃圾回收的代表是Barefoot主控，主动垃圾回收的代表是SandForce主控。不过，如果固态硬盘主控或操作系统不支持Trim的话，垃圾回收是不起作用的。
预留空间
很多消费者注意到，目前市场上出售的不少固态硬盘容量标称并非2的n次方（如64GB、128GB……），而是一个整数，如60GB、100GB或120GB，但很显然，闪存芯片的容量只能是前者，这部分少掉的容量就是厂商为减小写入放大、垃圾回收等功能预留的空间。通过合理地设定预留空间，固态硬盘的写入寿命可以得到足够的延长，这也是尽管闪存随着工艺进步，可写入次数不断下降，而固态硬盘寿命并未受到影响的重要原因。主控芯片不同，固态硬盘厂商不同，面向的用途不同，固态硬盘所设置的预留空间也不同，某些面向较繁重任务的固态硬盘甚至设置了20%以上的预留空间（如英特尔的X25-E）。
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