2016-12-26

半導體業界之巨人 Intel 自今(2016)年第三季於消費性市場上推出了 3D NAND 製程首發之革命性產品——SSD 600p。後僅經歷約一季之時間，憑藉著 3D 製程其容量優勢以及 PCIe/NVMe 之高傳輸性能表現，SSD 600p 已成為市場上之主流指標性商品。而這也帶動了 M.2 與 PCIe 規格 SSD 之普及性；亦迫使其他競爭對手不得不加快腳步，推出搭載 3D NAND 或採用 M.2 PCIe/NVMe 規格之類似產品。

於 SSD 600p 卜上市之時，市面上供售之現貨計有 128GB、256GB 及 512GB 三種容量，而原廠發布規格中最高容量 1024GB 則暫付闕如。對於高容量需求者，或是追求同系列最高性能之消費大眾而言，如此難免形成遺珠之憾。經由市場之千呼萬喚，於同系列問世後兩月餘，SSD 600p 1024GB 始得初試啼聲，而系列全員亦全數到位。

著眼於高容量 SSD 將為市場未來之主流，本文將針對 SSD 600p 1024GB 進行基礎及深入之評測，此外亦會針對其所使用之 IMFT 3D NAND，對比傳統 2D 舊製程所擁有之壽命與性能優勢，進行一系列深入淺出之探討。

Intel SSD 600p 1024GB 與其同系列產品

SSD 600p 1024GB 與同系列產品於外包裝上並無差異，維持了 SSD 6 系列之一貫風格。此外於彩盒背面 intel 宣示了其消費級 SSD 全系列產品之輪廓：將分為 5、6、7 三大系列家族，各系列將針對於不同之市場需求來展現其市場定位。

SSD 600p 1024GB 採用之主控為 SMI（慧榮） SM2260，主控制器表面僅載有製造代號及批號，而未載有詳細型號。搭配三顆 IMFT 29F02T2AOCMG2 3D NAND 顆粒。此外，原先其他容量所使用之南亞 DDR3L 快取記憶體，亦變更為美光之產品（外部標記 6JA47 D9STQ，型號 MT41K512M16HA）。

此產品令人出乎預期之處在於，背面沒有打上任何之顆粒，僅僅三顆顆粒即構成 1024GB 之容量。承上，可以得知原先 512GB 系列所採用之 29F01T2ANCMG2 並非同系列顆粒之最大封裝，如此亦揭示了 3D NAND 其高容量、高集積度之特性。

我們備齊了全系列四種容量之產品，整理其組成元件要素表列如下：

由整理之資料可知，256GB 之顆粒容量應為每顆 96GB（作為 TLC 模式時之容量，此顆粒亦可規劃為 MLC 模式，此時每顆容量則為 64GB），三顆組成 SSD 之儲存空間。而 128GB 所採用顆粒之容量應為 48GB + 96GB = 144GB 之組合，而額外之顆粒空間係作為 SLC 模式之寫入快取，或作為預留空間用途。相同地，512GB 與 1024GB 之型號亦同樣具備了額外空間來提升 SSD 之效能與使用壽命。而 SSD 600p 1024GB 其所使用之顆粒之封裝容量高達單顆 384GB。

3D NAND 透過特殊設計之 3D 結構而獲得超越 2D NAND 之壽命性能

IMFT(IM Flash Technologies) 為 Intel 與美光合資成立之 NAND flash 生產製造公司。其於 2015 年 3 月揭示了 3D NAND 產品線之部屬以及其特性。由已公開發表之新聞內容《Micron and Intel Unveil New 3D NAND Flash Memory》可得知，IMFT 3D NAND 採用了普遍存在於 NAND 結構中之浮動閘極 (floating gate) 設計。而已成功量產之 3D NAND 產品具備高集積度之競爭優勢，並擁有超越原有 2D TLC 產品線三倍以上之容量性能。而藉由此一高容量封裝之 3D NAND 晶片，可製造出 3.5TB 之 M.2 尺寸產品，此外於 2.5 吋產品線上更可達到驚人的 10TB 容量。此外更重要的是，3D NAND 製程因其突破傳統方式之立體結構，除了使 NAND 可繼續依循摩爾定律推展，還帶來 NAND 儲存單元於操作壽命上之驚人進展。

由以上原廠公開之技術說明影片其內容可得知，IMFT 3D NAND 之儲存單元具備「高度電荷容量」之物理優勢。而無論 IMFT 第一至第三代之 3D NAND，其單層電荷容量皆大大地超越了 16nm 或 20nm 之 2D NAND，甚或較 50nm 2D 製程產品還要略勝一籌。以此 IMFT 3D NAND 憑藉著在物理上之優勢特性，而令其具備約當等於 50nm 2D 製程單元之讀寫耐受度。

深入探討 NAND 之壽命限制以及 3D 結構之物理優勢

如下圖左所示，傳統的 NAND 單元由一浮動閘極 (floating gate) 中所儲存之電荷來進行資料之紀錄。而透過控制閘極 (control gate) 之電壓操作，可對浮動閘極中之電荷進行感應或調整，從而達到存取之目的。但是在操作過程中將會有電子穿越 inter-poly dielectric 或 tunnel oxide 這兩層絕緣層，而每一次的穿越皆會帶給絕緣層物理上之損耗。當絕緣層的損耗到達一定之程度時，儲存單元將無法正常運作，而這也意味了儲存區塊之壽命耗盡。對於 SSD 而言，隨著操作次數的累積，將會有愈來愈多之區塊轉變為無法抹寫之狀態。

承上，inter-poly dielectric 與 tunnel oxide 這兩層絕緣層的面積與厚度決定了 NAND 單元的物理壽命特性。但隨著製程上的微縮化演進，從 90nm 至 16nm 之製程條件下，每一個儲存單元的總體積將愈益縮小。以此，inter-poly dielectric / floating gate / tunnel oxide 之整體體積也隨之減損，其電荷容量也如上圖所示成等比限縮。如此導致 NAND 單元其讀寫壽命隨製程之微縮而大幅減短之現實問題。

下圖右方描繪了 IMFT 3D NAND 儲存單元之結構：目前採用之 3D 製程並非將左方 2D 單元加以垂直堆疊化所得之產物，而是於結構上有了本質性的躍進。IMFT 3D NAND 將 inter-poly dielectric / floating gate / tunnel oxide 構成一環狀結構。此一環狀結構於物理層面上大幅提升了儲存單元之電荷容量，也間接性地增加了絕緣層的物理壽命特性。從而使 IMFT 3D NAND 擁有超越 2D NAND 之壽命性能。

測試環境

測試平台之規格：

• 中央處理器：Intel Core i5-6500
• 主機板：ASUS B150M-A/M.2
• 記憶體：美光 Crucial DDR4 2400 8G*2
• 系統碟：WD Blue™ 500GB
• 電源供應器：安鈦克 NEO ECO II 650W
• 作業系統：Windows 10 64位元 專業版，build 14393

我們仍採用 ASUS B150M-A/M.2 主機板建立平台來進行測試。此外，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。

基本測試結果

AS SSD Benchmark 測試

AS SSD Benchmark 基本測試循序讀取 1601.80 MB/s、寫入 540.82 MB/s。4K 讀取 34.80 MB/s、寫入 133.62 MB/s。對比之前針對同系列 256GB 版本之測試數據，可以了解 600p 1024GB 憑藉著其巨量之存取與快取空間，而於循序讀取中優於同系列產品。

使用 AS SSD Compression-Benchmark 測試之結果顯示，憑藉著充足之快取空間，以及 Intel 對於韌體一貫保持之穩定調校，600p 1024GB 之讀寫曲線十分平順，並更優於同系列其他容量產品。

Anvil's Storage Utilities 測試

Anvil's Storage Utilities 測試顯示 4MB 區塊之循序讀取 1456.61 MB/s、寫入 541.80 MB/s。4K 讀取 34.99 MB/s、寫入 142.98 MB/s。循序讀取部分 AS SSD Benchmark 之表現較高，但其餘交集項目之差異並不顯著，可以列入測試數據之浮動範圍內。

CrystalDiskMark 測試

CrystalDiskMark 測試結果多佇列(QD32)循序讀取為十分突出的 1890 MB/s、寫入 559.3 MB/s。4K 讀取 38.26 MB/s、寫入 169.4 MB/s。

CrystalDiskMark zero fill測試結果 QD32 循序讀取 1891 MB/s、寫入 558.2 MB/s。 4K 讀取 37.67 MB/s、寫入 169.8 MB/s。

TxBENCH 測試

TxBENCH 測試結果 QD32 循序讀取 1887.818 MB/s、寫入 563.148 MB/s。4K 讀取 36.333 MB/s、寫入 142.869 MB/s。

進階效能測試

首先採用 Anvil's Storage Utilities 測試佇列深度。測試結果因 600p 1024GB 之讀取能力十分強大，以此佇列深度需達 QD64，其 IOPS 方才達到飽和。寫入階段則與 256GB 系列產品相近，於深度 QD16 時其 IOPS 會趨近飽和點。

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 1767 MB/s、寫入 565 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 1594 MB/s、寫入 564 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 QD8 測試模式

以ATTO Disk Benchmark於 Overlapped I/O QD8 測試模式，最高傳輸速度約為讀取 1894 MB/s、寫入 562 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。

全系列效能測試

我們將 SSD 600p 同系列之 128GB、256GB、512GB 以及此次所之測試主軸 1024GB 之測試結果進行交叉分析，所得之結果分述如下：

循序讀寫傳輸率

比較四種不同容量之 SSD 600p 其循序讀寫傳輸率可得知，當容量在低於 512GB 之情況下，循序傳輸率將隨 SSD 之容量而受影響。而當容量在 512GB 以上時，循序讀寫傳輸率將不再有所上升。推測有可能是面對於高容量之 600p 1024GB，解決方案之單一佇列循序傳輸率已達系統上限，以此所得結果不再有所變動。但比對其他結果，在多佇列條件下，600p 1024GB 之表現仍超越同系列 512GB 之產品。

4K讀寫傳輸率

SSD 600p 系列於不同容量產品其 4K 讀寫結果皆十分相近，其微小差異來自於測試誤差。可以理解因 SSD 在小量存取上必需經由控制器來進行最佳化處理，以此容易形成效能瓶頸。而 4K 讀寫結果係解決方案（包含主控及針對 NAND 顆粒最佳化之韌體）本身之效能特性，基本上並不會因為 SSD 容量之不同而有所影響。

佇列深度比較

比較不同容量之佇列深度測試結果，可得知在讀取狀態之下，600p 1024G 可以承受更高之同時佇列請求，也能提供更佳之 IOPS 表現。雖然之前在單一佇列之循序傳輸率上有其系統上限，但我們可知 600p 1024G 在多佇列情況下能夠處理得更好。

在寫入部分，可以觀察到 600p 128GB 與同系列產品有一明顯之效能落差，其餘在 256GB 容量以上之同系列產品則皆有相近之寫入表現。推測此一落差應與 256GB、512GB 與 1024GB 之產品其顆粒組成為六通道，而 128GB 之顆粒組成僅為三通道之故。

不同傳輸量之比較

比較不同容量產品於 ATTO Disk Benchmark Neither 測試模式之結果，可得知於讀取狀態下，高容量之 512GB 及 1024GB 在大傳輸量時可以有更高的傳輸率表現。而全系列在小量傳輸條件下，因囿於方案自身之效能，各自之表現會相近。

在寫入部分，與佇列深度測試有類似之結果：600p 128GB 因通道數為他者之半數，所以於寫入表現上有一落差。同系列其他容量產品於不同傳輸量之寫入表現皆十分相近。

Terabyte SSD 時代指日可待

SSD 600p 1024GB 於各方面之表現皆為不俗，無論其規格或綜合效能皆為同系列產品中之佼佼者。而伴隨著 3D NAND 製程良率之進一步提升，其生產成本將會進一步地下降。以此可見於不久之未來，TB 級 SSD 會成為市場中之主流。

此外，3D NAND 之高壽命特性，將會令舊有之 2D 製程產品因市場選擇而加速汰換。對消費者而言，選擇更高容量、更大傳輸率、以及更長的使用壽命之產品，是選購 SSD 之基本考量。而 Intel SSD 600p 1024GB 本身即結合了以上之要素，而位居承先啟後之市場地位。

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