【Lynn寫點週報】科技趨勢─NAND Flash固態硬碟價格崩盤, QLC革新 SSD硬碟市場

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Photo Credit: Intel

這幾年隨著網路發展,資料儲存的市場需求也跟著爆增,特別是消費者體驗到 SSD的快速與方便性,讓市場對固態硬碟的需求大幅增加。其中 2017年更是 SSD價格飆漲的一年,當時市場大量缺貨,筆電品牌廠因為高漲的硬碟成本叫苦連天,使得 NAND Flash成為去年投資市場最熱門的關鍵詞──美光、三星以及 Intel這些領導廠商從中獲利頗豐。

其中原因之一免不了需求面的增長,網路時代產生了大量的檔案,包含照片、應用程式、音樂、資料庫等等不同形式的數據,隨著資料量的快速複製與累積。硬碟的技術必須以驚人的速度發展,才得以滿足人們對儲存空間日益高漲的需求。

尤其是資料中心,市場規模以每年10%以上的速度成長,搭配大眾生活逐漸數位化的趨勢下,個人的照片、檔案及資訊,需要更大的儲存空間來容納,從中衍生出龐大的商機。

為了因應以倍數成長的消費者與企業需求,雲端基礎建設的公司,像是 Google、 Facebook、 Amazon等持續興建或是升級資料中心來服務更廣大的客戶及消費者,帶動今年資料中心供應商的營收創歷年新高。

回歸到消費級的儲存空間方案,雖然傳統的機械式硬碟(Hard Disk Drive, HDD)已經可以儲存大量的資料,但讀取速度太慢,對於消費者來說體驗不是太好。相較之下,讀取速度快好幾倍的固態硬碟(Solid State Drive, SSD)成為了較佳的解決方案。

2018年 SSD已經大量運用在筆記型電腦和個人電腦的儲存設備,有著超越傳統機械式硬碟幾十倍的速度,能夠達到資料的快速讀取及寫入。但 SSD在價格上仍然與機械式硬碟有著不小的差距,資料救援技術也不夠成熟,短時間內無法在所有應用中取代機械式硬碟,像是講求穩定性的企業級儲存市場。

以上敘述讓儲存空間的市場一切看起來如此美好,各家廠商紛紛擴廠,製造更多硬碟因應剛性需求──但今年的劇本不如分析師預想般順利,情勢急轉直下, SSD價格突然崩盤,過去要價新臺幣 2,000元的 128GB的固態硬碟,現在價格跌落到 1,000元以下,廠商幾乎以低於一半的價格在販售,市場上每一家通路都在特價,是市場競爭太激烈還是技術革新呢? 本週 Lynn就帶大家一起探討固態硬碟市場在 2018年發生的巨大變化。

1. 什麼是固態硬碟 SSD(Solid State Drive, SSD)?

接續先前的記憶體科普文章「DRAM、NAND Flash 最近貴到炸,你還搞不懂記憶體的差異嗎?」我們了解到什麼是記憶體(RAM)與儲存空間(ROM)的差異,其中ROM又稱為「非揮發性記憶體(NON-VOLATILE)」,也就是硬碟,特性是不供電的情況下也能儲存資料。

用最粗糙的分法,儲存資料用的硬碟可以分為「機械式硬碟」與「固態硬碟」。

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Sources: Internet

機械式硬碟中有馬達、讀寫臂等零件,讀取頭在平整的磁性表面儲存和檢索資訊,HDD的讀寫速度慢、功耗高,對震動又相當敏感;但優點是容量大又便宜,即使是 3TB (1TB=1,024 GB),入門款只需要不到新臺幣兩千元的價格,雖然讀取速度慢了點,但單純用來儲存資料已經十分足夠。

另一個選擇是固態硬碟(Solid State Drive, SSD),由快閃記憶體作為永久性記憶體所組成,兼具高讀寫速度及耐震優勢,最大的差異是開機速度:使用 HDD的電腦需要數十秒進行開機,SSD只需要數秒,大大提升電腦的速度及方便性,現在 SSD已經成為個人電腦和筆記型電腦的主流儲存設備。

但 SSD成本昂貴,不像 HDD以 TB來計算。以個人電腦來說,單位多以 128GB、 256GB為主流,價格落在新台幣一千元至三千元的區間。 雖然SSD也有 1TB以上的產品,但是需要花費萬元以上才有辦法購得── SSD整體的單位儲存成本是 HDD的數倍以上。

此外, SSD也有資料難以救援的缺點,因為資料儲存在快閃記憶體中,一旦記憶體顆粒損毀,以現有的技術便難以挽救,不像傳統硬碟還能透過資料恢復技術還原資料。

當你在光華商場之類的地方選購電腦時,店員通常會建議選購 HDD+SSD的組合,用意是將開機等需要快速讀取的檔案儲存在 SSD上、其餘資料則放置在傳統 HDD上。電腦在開運作時會優先讀取 SSD中的開機與檢測檔案,等到需要撈大量的資料才使用 HDD。如此一來,消費者能以較低的成本同時享受到大容量與良好的開機體驗。

但混合硬碟的使用體驗還是比不上整機使用 SSD,許多電腦品牌廠商仍在尋求大容量 SSD的解決方案──今年 SSD的價格會崩跌,以及新品容量突然暴增的原因是市場迎來下一波儲存市場的技術革新:四階儲存單元快閃記憶體技術(Quad-Level Cell Technology)的量產。

2. 四階儲存單元的快閃記憶體技術(Quad-Level Cell Technology)

大部分固態硬碟的儲存介質是一種快閃記憶體,又稱 NAND-Flash,原理是將資料(也就是 0與1)儲存在由浮閘電晶體(Floating Gate, FG)組成的記憶單元陣列內,由於 FG在電氣上是受絕緣層獨立的,所以進入的電子會被困在裡面。

一般的條件下,電荷即使經過多年都不會逸散,達成記憶體不供電也能儲存資料的目的,成為取代傳統硬碟的一種儲存方式。

然而快閃記憶體缺點是固態硬碟在長時間運作過程中,絕緣層會受到多次擦寫,隨著時間會逐漸變薄,很可能會出現漏電,甚至是損毀,也是為何 SSD普遍被認為壽命不長的原因。

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Sources: Micron

在資料儲存上,通過對快閃記憶體內最小的物理儲存單元的電位劃分不同的階數,可以在一個儲存單元記憶體存放一至四個位元數,依據每個單元(Cell)可儲存的位元(Bit)數量,可分為 SLC、 MLC、 TLC及最新的 QLC。

在單階儲存單元(Single-level cell, SLC)裝置中,每個單元只儲存 1位元的資訊。而多階儲存單元(Multi-level cell, MLC)裝置則透過控制多種電荷值讓每個單元可以儲存 1位元以上的資料。

現在市面上最普遍的是 TLC(Trinary-Level Cell),每一個單元可以儲存達 3 Bit的容量(3bit/cell),所以有八種不同的電壓狀態。相較於 SLC(只能儲存 1 Bit)及 MLC(只能儲存 2 Bit),在相同體積下能儲存更多的資料,因此容量更大、成本更低──單一個單元可以儲存 SLC三倍的資料量, TLC時代也象徵 SSD正式走向普及化。

然而 TLC有八種不同的電壓狀態,運作上需要更大的電壓,讀取與控制上更加複雜,讀取速度不免較慢、物理上較容易產生漏電與損毀,擦寫壽命也就更短、需要的功耗更高。

也因為上述的缺點,TLC SSD剛推出時被詬病為壽命短的次級 SSD產品,但隨著廠商透過設計新的演算法、堆疊結構及多通道架構下,已經達到與 MLC相當的性能,擦寫次數約可達 1,000至 1,500次。

以此類推, QLC(Quad-Level Cell)顧名思義就是將每個單位的儲存單位拉到 4個位元(4 bit/cell),電壓狀態也增加到了 16種。相較於 TLC,可以多儲存 33%的資料,達到成本更低、容量更大的目標。

但相對的, QLC的可靠性、壽命及功耗表現一定會比 TLC差,不過有廠商宣稱 QLC技術可以達到約 1,000次的擦寫次數,加上提供五年保固,應該足以應付消費者平日的需求,而且價格低廉,足以吸引更多筆記型電腦品牌廠及個人電腦買家採用。

3. QLC衝擊現有的消費級儲存市場,大廠持續以價格戰消滅小廠

先不論 QLC的可靠性疑慮, QLC的出現讓 SSD的成本進一步降低,自從 Intel從今年八月推出第一款消費級 QLC intel 660P,接下來三星(Samsung)、美光(Micron)、威騰電子(WD)與東芝(Toshiba)也各自推出自家的 QLC SSD產品。容量最高可達單顆 4TB的儲存量,已經逼近HDD的單顆儲存容量,象徵大容量低成本的 SSD時代已經來臨。

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Sources: Micron

但這也代表:沒有能力作出 QLC的中小型廠商將被大廠以 QLC的低價持續血洗。以往主打低價高性價比的儲存小廠,即使毛利壓得再低也無法抵抗 QLC的低成本優勢,消費者無法分辨其中的技術差異時,一定會選擇低價的大廠 QLC SSD,小廠如果沒有跟上這一波 QLC技術革新,將被淹沒在價格血戰之中。

QLC技術約莫在今年五月陸續傳出領導廠商成功量產的消息,較為敏感的廠商在今年年中便陸續降價出清庫存的中小型容量 SSD,試圖降低 QLC於年底推出的衝擊。

因此消費者才會發覺,架上的 SSD從 2017年那高不可攀的價格,迅速跳水至可以輕易負擔的價格,廠商對折再打折,盡一切能力銷售庫存。如果是投資 SSD相關公司股票的投資者,也會發現品牌廠的股價從年中開始委靡不振── 暗示SSD市場將從2017年的藍海市場變成2019年的紅海市場。

另一方面,由於成本下降, 2019年的筆電的 SSD搭載率應該會全面提升,中低價機種會是第一批受惠者,中高階大容量的機型價格也可能得到進一步的壓低。

QLC SSD的現有應用除了標準較低的消費市場外,不久後也將擴張至企業與資料中心市場,現有的 SSD由於壽命及可靠性疑慮、資料損毀便難以救援的缺點,資料中心不使用 SSD在儲存重要資料,而是用於資料運算、媒體檔案傳輸、串流等等的超高速儲存應用。

QLC SSD在今年 11月由各家大廠陸續發布新品,雖然市面上的SSD價格已經不斷破底,QLC SSD在通路上或許還不顯眼,但在 2019年可能掀起全面性的儲存空間價格戰。

目前 QLC的可靠性以及壽命還沒經過實際使用驗證,如果有考慮嘗試大容量 QLC SSD的讀者不要忘了定期備份自己的資料,但我們或許能開始期待公司配發的筆電從慢得要命的 HDD正式升級為 SSD了。

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