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120GB容量、SATA 6Gbps高速度固态硬碟大赏

2020-05-21 726 views 445
固态硬碟
  • 120GB容量、SATA 6Gbps高速度固态硬碟大赏

    120GB容量、SATA 6Gbps高速度固态硬碟大赏

    自去年25nm製程的记忆体颗粒量产且良率越来越高的影响之下,大幅降低了固态硬碟(SSD)的售价,尤其是在目前传统硬碟价格高涨的时期,许多有装机需求的人反而会考虑先购买固态硬碟当系统碟使用,等待传统硬碟价格回稳

    之后再购入当作资料储存碟。但是市场上的固态硬碟品牌那幺多,到底该如何挑选?小编这次就是来解决读者这些疑问的,并且也会统整去年写了12期的「SSD实验室」相关概念,让读者们对固态硬碟这样的产品有更深入的了解。在容量的选择上,虽然120GB左右的容量差不多还要台币六千多,单价还是稍高,不过比起60GB来说,这样容量的产品可以有较好的写入效能,而且也是目前市场上的平均使用容量。

    ■ 固态硬碟是什幺东西?

    话说本刊每到寒暑假结束后总是会特别地忙,全台走透透举办各种类型的校园活动,让各大专院校的学生们增加电脑DIY的各种知识,也可以直接与各厂商接触,了解各种独特技术及特色。其中更有紧张刺激的电脑组装大赛,选用的零组件除了都是当下新推出的产品之外,硬碟的部分也都採用了固态硬碟的规格。但每当小编在活动结束后整理组装平台时,总是会有学生来询问关于固态硬碟的问题,表示没有看过或是不知道这是什幺东西的同学也大有人在,看来在大部分人的印象里,在桌上型平台上使用的硬碟,就该长得像砖头一样吧。

    传统硬碟(HDD,Hard Disk Drive)内部构造相当地複杂,在外观上,背面会有电路版,配置有控制晶片、韧体、快取记忆体等元件在上头,硬碟裏头则有布满磁性物质以储存资料的圆形碟片、高精密度的读写头、读写头摇摆臂、强力磁铁以及轴承马达……等元件在,结构性複杂之外,效能也很容易被这些元件的物理特性给限制住,轴承的转速、磁密度、碟片数量都会影响资料传输效能,随机搜寻能力也很难被提升,运作时产生的温度、噪音也是问题。但传统硬碟还是拥有单位容量价格上的优势,毕竟硬碟已经发展很久且技术相当成熟,是很难被取代掉的储存产品。
     

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    图 / 传统硬碟内部的物理结构相当地多,需要由许多精密元件所构成。

    而固态硬碟(SSD,Solid State Drive)其实简单来说,可以把它当成大容量版本的记忆卡或是随身碟来看待就不会那样的难理解了,人们使用快闪记忆体(Flash Memory)来储存资料其实也已经有些时日了,只是在这种非挥发性可半永久储存资料的记忆体製造技术能够进步且成本降低之前,泛用性总是会有所限制。Intel这间半导体科技龙头大厂在2005年底正式进军NAND Flash的市场,并与Micron合作共同成立IMFT(IM Flash Technologies)专门生产NAND型快闪记忆体颗粒,Intel本身并致力于研发生产记忆体控制器,成为固态硬碟发展上的重要推手,也是领导厂商之一。

    而近几年,随着记忆体製程不断的下降,成本大幅降低且有许多新技术来提升颗粒本身的存取速度,以及控制器支援性与资料演算技术的进步,固态硬碟在市场上的能见度、产品量与消费者接受度都增加了许多。而其实固态硬碟在物理结构上相对于传统硬碟来说,乍看之下实在是简单许多,一个设计好的电路板上配置了控制器、快取记忆体(RAM)、快闪记忆体(Flash Memory)、电源管理元件…等,就能製造出一款固态硬碟了,生产的入门门槛实在是比传统硬碟要低许多,这点从传统硬碟全世界只有五大家生产商,但固态硬碟却有属不清的製造商上可以了解得到。

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    图 / 相对于传统硬碟,固态硬碟内部构造就相当地简洁。

    ■ 与传统硬碟相较之下的优势

    粗浅介绍完了固态硬碟与传统硬碟的不同,接下来小编更要让读者们可以明白地了解到固态硬碟相对于传统硬碟来说有那些方面的优势,也就可以明白这一个产品为什幺可以这幺夯了。

    ● 效能

    首先,固态硬碟最明显的优势就是效能,尤其是在小档案多工存取上的能力。对于传统硬碟来说,磁密度的增加在效能影响上相当地大,目前3.5吋7200转、单碟1TB的机种在连续读写都可以有180MB/s以上的能力,甚至可到达200MB/s的瞬间最高读取速度,但是在4KB档案随机搜寻或是多工存取的能力却还是无法有突破性的成长。然而,像Windows这种作业系统在运作时,却有70%以上的运作模式是在4KB随机存取上,因此小档案的处理能力才是让系统作业更加快速的关键点。

    小编以一颗使用非同步型MLC记忆体颗粒的SATA 6Gbps 60GB固态硬碟来做测试比较,这是一款较入门型的产品,因此在连续(Seq)读写的成绩上,反而比单碟1TB传统硬碟要来得少,但观察到4K以及4K QD32这两个小档案测试上,固态硬碟却能领先许多。这很大的部分是因为构造以及储存原理的差异,传统硬碟必须要先将读写头摆动到定位上,光是这样的程序就会耗费掉许多的时间,更不用说其它讯号转换上的问题。而固态硬碟的内部资料传输及处理都是使用电子式的方式,并且使用电荷来储存资料,因此会来得直接许多,也实际反映在了小档案处理能力上。

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    图 / 比起左方的3.5吋单碟1TB HDD成绩,60GB使用非同步记忆体颗粒的SSD在连续读写上会较差,但小档案存取速度明显要胜出许多!

    ● 体积与重量

    传统硬碟使用磁性碟盘来纪录资料,并且需要读写头等零件,虽然也有像CF记忆卡一样大的1吋微型硬碟,不过在转速无法提高的限制下,存取效能非常地低下,并且还需要坚固的金属壳来保护内部元件,因此,拥有一定的重量也是无法避免的。目前常用的硬碟大部分为2.5吋与3.5吋,重量上分别为100g与500g以上。

    而使用快闪记忆体为储存媒介的固态硬碟就不太有体积上的限制了,只要有足够的空间可以配置记忆体颗粒与控制器,也可以做出仅有像是随身碟大小的产品,虽然颗粒数少,传输速度也会较差,不过在体积灵活度上是要比传统硬碟来得高的。一般市面上常见的固态硬碟多为2.5吋大小,桌上型以及笔记型电脑都可以使用,重量也只有75g左右而已。

    ● 噪音与抗震度

    传统硬碟常令人诟病的就是运转时所发生的噪音了。一台主机,就算使用再怎样静音的风扇,或是使用无风扇的完全被动式散热设置,但免不了还是有硬碟马达运转的声音,当在进行资料搜寻时,读写头的「喀达」声更是扰人,一个2.5吋5400转的传统硬碟噪音大约是22db以上,而3.5吋的7200转机种则是30db以上。但声音的问题在固态硬碟的产品上完全不会发生,毕竟它的运作噪音值是非常完美的0db。

    抗震度也是传统硬碟的弱项,读写头距离磁碟表面的距离只有几微米,比头髮还细微,只要在运作时有不正常的强力震动,接触到磁碟盘时就会刮伤造成无法修复的伤害,甚至一震动之后,硬碟机就整个停摆不动了。固态硬碟因为结构上的问题,因此几乎不会有震动上产生无法运作的问题,1500G/0.5ms这样的耐震规格,除非是恶意破坏,不然根本是不会有状况产生的。

    ● 耗电与环保

    一个2.5吋的固态硬碟比起同样大小的传统硬碟,在直觉上来说,所使用的料件较少,整体的零件供应链也比较不複杂,看似应该是一个较为环保的产品,但整件事情真的就真幺单纯吗?小编其实要抱持着一个疑问。一个固态硬碟的背后整体生产链所製造的环境负担,说不定并不会比传统硬碟来得少,而产品损坏之后,又有多少部分的零件是可以被回收再利用的?这实在是相当值得被讨论的一点。

    另外就是耗电量的问题,一般来说,固态硬碟被认为在耗电量上具有省电的优势,但让我们实际来检视这个问题。不论是固态硬碟或是传统硬碟,2.5吋的产品都只接受固定的5V电压,因此耗电的差异点就在于电流,产品标籤上标示的是启动时所需要的电流量,固态硬碟因为电路设计的关係,从0.2A到2A的产品都有,整整差了10倍,但目前2.5吋传统硬碟的启动电流大约都在0.5~1A之间。

    再来由厂商所公布的产品规格可得知,固态硬碟运作时需要耗电3W,闲置时则为1.6W左右,但2.5吋7200转的传统硬碟因为电力控管等技术上的进步,运作时只要1.4W,闲置时0.6W左右,待机或休眠时更只有0.2W以下而已。因此「固态硬碟较为省电」这样的说法只能用在与3.5吋硬碟机做比较,对于2.5吋的产品来说就行不通了。

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    图 / 固态硬碟的启动所需电流甚至会比2.5吋硬碟还要来得大

    ■ 储存核心-快闪记忆体的类型

    快闪记忆体有分NOR与NAND两种,而固态硬碟是使用NAND型快闪记忆体来储存资料,NAND Flash记忆体架构由TOSHIBA在1989年发表,它无法对单一个位元组(Byte)进行存取,且必须透过控制器才能正确存取资料,资料储存的模式类似传统硬碟以磁区为最小单位的区块性储存方式,但最小能储存及抹除的单位大小并不相同。NAND型快闪记忆体目前有SLC、MLC与TLC三种类别,以下就来分别介绍。

    ● SLC(Single-Level Cell)单阶储存单元

    快闪记忆体是利用电荷值不同来纪录资料型态的储存媒体,在数位的世界中,最原始的资料型态就是0与1,只要是物质能呈现出两种变化就能用来储存资料。SLC类型的记忆体颗粒每个储存槽只能够记忆住一种电荷状态,无电荷时为1,有电荷时为0,优点是速度快且寿命长,SLC的每个储存槽,理论上可以有约10万次的重複抹除后再写入资料的能力,不过最大的缺点就是,比起下面要介绍的MLC、TLC来说,单位储存成本太高了,每个储存槽只能记录1bit资料,因此较少有消费型的产品使用SLC类型的记忆体颗粒。

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    图 / SLC的每个储存槽仅能记录1bit的资料,但速度快、寿命长。

    ● MLC(Multi-Level Cell)多阶储存单元

    MLC虽然取用Multi(多)的意思来称呼,但其实一个储存槽能记录的资料量也只有2bit,能够纪录四种(2的二次方)不同的电荷状态,不过这样一来,单位储存成本可以比SLC要减少许多,但是比起SLC来说最明显的缺点就是存取效能以及使用寿命的下降。

    MLC因为每个储存槽可以记录四种电荷值,在资料存取上就不会来得这幺的直接而造成速度降低。MLC类型储存槽理论上抹写次数为一万次,但这是在早期70几奈米製程情况下的数据,随着製程降低,重複写入次数也会跟着下降,34nm製程的记忆体颗粒大约只有5千次的可抹写次数,而目前主流的25nm製程颗粒,在製程转换初期大约只有1至3千次的可抹写次数,但在生产技术更加成熟之后,目前提升到了大约都可以到3千次左右。MLC类型的记忆体颗粒是目前消费型产品的主流,也是各製造厂研发上的主力。

    企业用的固态硬碟大多是使用SLC的产品,但有的为了成本以及用途的考量,也还是有使用MLC颗粒的企业端产品存在,不过企业用的多为eMLC类型记忆体颗粒,e就是代表Enterprise(企业用)的意思,eMLC的记忆体颗粒与一般消费型MLC不同,拥有16位元的资料处理能力(一般为8位元),且25nm製程的eMLC颗粒更可以到达1万次的重複写入次数。虽然eMLC是设计给企业用的,但也还是有厂商将其用在消费型产品身上,像EZLINK的Emperor系列就是使用eMLC颗粒的产品,因此可以拥有较佳的使用寿命。

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    图 / MLC的一个储存槽能记录2bit资料,能呈现4种不同的资料型态。

    ● TLC(Triple-Level Cell)三阶储存单元

    固态硬碟相对于传统硬碟来说,最大的劣势就是单位储存价格要高出许多,就算是因为去年泰国水灾摧毁了许多传统硬碟零件製造厂,而造成产线供货不足且价格飙涨,但若以1TB传统硬碟3500元台币售价来计算,每GB的价格也才3.5元,而120GB的固态硬碟售价就要6000元左右了,每GB价格更高达50元。

    TLC类型的记忆体颗粒,每个储存槽可以记录3bit资料,也就是说它可以记录8种(2的三次方)不同的电荷值来呈现资料型态,因此,想必TLC类型的单位储存成本又会比MLC要下降许多。据厂商表示,使用TLC类型记忆体颗粒的产品,有望达成每GB价格1美金(约台币33元)以下的储存成本,但相对的,使用寿命是要先面临的一大问题,TLC的每个储存槽可能会连1千次的重複写入次数都不到。不过为了降低储存成本,使用TLC类型的记忆体颗粒是未来的趋势,但就看厂商在提升可抹写次数以及控制器的写入控制上,有何种的进步了。

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    图 / TLC的储存槽则能记录3bit,能呈现2的3次方共8种资料型态。

    ■ 影响效能的因素

    固态硬碟虽然在结构上比起传统硬碟要看似简单许多,但它却一样有许多影响效能的因素存在,以下就来一一探讨这些问题。

    ● 产品容量

    固态硬碟容量对于写入效能的影响相当地大,这一点其实从厂商公布的数据规格可以看得出来。容量对不同控制器的影响也有差别。对于SandForce的控制器来说,由ATTO Disk Benchmark所测得的最快读写速度差异较小,但是低容量产品在使用IOMETER所测得的4KB随机写入数据就会来得较差。而容量对效能的影响在使用Marvell控制器的产品上是显而易见的,所有的写入效能测试上都会有相当明显的差异。

    ▲ 是否配置满控制器通道数

    固态硬碟内部的运作方式其实是类似磁碟阵列的RAID 0,资料在传输时是对称式的运作,因此当记忆体颗粒配置越多时,存取的效能是会比较好的。首先,记忆体颗粒要配置满控制器的通道数,才能正常发挥出控制器原本该有的效能,目前固态硬碟记忆体控制器大多都是八通道的设计,之前Intel所自行设计的控制器则是较为特殊的十通道设计,因此会有80、160GB这种容量的产品出现,但很可惜的是,之后就没有再推出新一代支援SATA 6Gbps规格的控制器了。

    在一些低阶或是60GB以下的低容量入门产品,厂商为了要节省成本,或是要区分出产品等级,会出现记忆体颗粒只配置一半控制器通道数量的产品,写入与读取的效能与同系列其他产品都有一定程度的落差。除了要配置满通道数之外,如果能够到达控制器最多可控制的颗粒数那会更好,目前八通道的控制器最多都可以控制十六个颗粒,因此市面上的固态硬碟,内部的记忆体配置方式大部分为单面八颗、双面共十六颗的配置方式。

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    图 / Intel的控制器为十通道的设计,但很可惜并未推出新一代支援SATA 6Gbps规格的产品。

    ▲ 封装内的DIE数量以及沟通线数

    或许也有许多读者与小编有同样的问题,就算同样是配置满十六个记忆体颗粒的产品,总容量低的在写入速度上也还是会来得较差,这其实就与快闪记忆体本身的技术有关係了。快闪记忆体拥有不同的封装方式,就算是同样容量的记忆体颗粒,因为製程的关係,内部的DIE数量会不同,沟通线数也会有差异,这会影响到颗粒本身的传输速度。以IMFT的25nm製程来说,固态硬碟所使用的单一颗粒容量主要有8GB、16GB及32GB三种,而至于封装内包含的DIE数量,则需要由颗粒上的编号对照製造厂的技术规格表才能明了。

    固态硬碟厂商的同一系列产品,通常来说,所使用的记忆体颗粒大多是规格类似的产品,差异点在于内部封装的DIE数量,单一颗粒容量越大的产品,DIE的数量以及沟通线数会要来得较多。因此同样是八通道且配置满十六颗记忆体颗粒的产品,大容量的在写入速度上会比小容量要来得快。再加上控制器写入技术上的种种关係,通常来说,SATA 3Gbps的控制器加上34nm的产品,原始容量128GB的产品就可以有系列里最快的速度。而目前SATA 6Gbps的控制器搭配上25nm的产品,要256GB的原始容量才会有系列产品里的最高速度。

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    图 / 在目前SATA 6Gbps规格的固态硬碟里,通常要原始容量256GB

    的产品会有系列中最高的速度。

    ● 记忆体颗粒运作模式的差别

    快闪记忆体颗粒的速度,除了SLC、MLC、DIE数量、沟通线数、製程……这些类型、规格设计与生产技术上的差别之外,目前MLC类型NAND Flash常被讨论的就是异步(Asynchronous)与同步型(Synchronous)的运作模式差异。在SATA 3Gbps规格的时期,控制器只支援异步型的记忆体运作模式,但在目前SATA 6Gbps规格的控制器里,都可以支援到同步模式的运作,而这也与ONFI所制定的规格版本有很大的影响,同步型的颗粒能够达到ONFI 2.0的规格要求。在同步型的传输模式之下,发送方与接收方的频率是一致、无间隔的,而在异步模式下,因为无法準确控制资料传输时接收方时间差异的问题,而会产生资料延迟,且异步与同步模式的I/O电压也会完全不同。

    前文中有提过,Intel与Micron合作成立了IMFT公司,但除了製造半导体产品之外,Intel最大的野心就是要制定规格,并且让大家都要照着规範做。因此,在2006年更成立ONFI(Open NAND Flash Interface)联盟,以推出统一的NAND Flash介面规格。为了要提升快取记忆体的速度,2008年发布的ONFI 2.0规範里,透过与控制源同步频率的方式,来控制传输的讯号,另外就是类似DRAM使用的DDR(Double Data Rate,双倍数据速率)模式技术,并将接口速度提升到了133MT/s。目前IMFT的25nm製程NAND Flash可以支援ONFI 2.2的规範,接口速度可达200MT/s,而下一代的20nm製程产品,更可以支援ONFI 3.0规格,拥有333MT/s的速度。

    虽然IMFT阵营的同步型与另一阵营的Toggle类型MLC NAND Flash颗粒,在讯号传输介面上都有双倍数据速率的特性,但两者之间还是有着架构上的差异。小编曾在别的平面杂誌上看到有人在介绍异/同步型MLC颗粒时,竟然是使用Micron的异步型与Toshiba的Toggle DDR做比较範例,但个人认为,这样子做其实并不妥当,毕竟这两阵营的产品并不能混为一谈,若要介绍异/同步快闪记忆体,还是要由同样是IMFT所生产的产品来比较才好。

    由Samsung与Toshiba所领导的Toggle DDR阵营,製程上也与IMFT大不相同,直到最近才开始有较多使用Toggle 24nm製程的产品出现在市面上,之前所使用的Toggle颗粒多为32nm製程。Toggle DDR类型的颗粒速度相当的快,但缺点就是良率较低所以售价较高。其1.0规範的接口速度可以到达133MT/s,正好与ONFI 2.0相呼应,而下一代的Toggle DDR 2.0则会提升到400MT/s的速度。

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    图 / 使用异/同步记忆体颗粒可以从AS SSD Benchmark测试成绩上发现,左方的异步颗粒在连续读取时很难有超过

    300MB/s的成绩。


    ● 控制器与快取记忆体

    快取记忆体的角色是用来作为资料複写时的缓冲区域使用,大部分厂商都会使用DDR3的规格,快取容量的大小与速度对资料写入传输影响很大,部分厂商原始容量512GB的产品在写入速度反而会比256GB的来得慢,有部分的原因是在于快取容量或速度的不足。但SandForce的控制器却没有快取记忆体的设计,其原理是将部分NAND Flash空间隐藏起来,作为类似的写入缓存使用。

    除了颗粒本身的存取速度,记忆体控制器更是扮演了关键的角色。控制器必须要控管资料的存取方式与纪录位置之外,因为内部使用类似RAID 0的方式来纪录资料,是属于速度快但高风险的储存方式,因此还必须运算出校正码来检验资料的正确性,固态硬碟所使用的记忆体控制器,其实也是一种运算技术相当複杂的处理器。在目前市面上的消费性SATA 6Gbps固态硬碟产品里,主要可以分作SandForce与Marvell两大阵营,而以SandForce SF-2200系列的SF-2281与Marvell 88SS9174系列的BKK2与BLD2较为常见,Marvell旧款的88SS9174-BJP2是第一款支援SATA 6Gbps规格的控制器,搭载在Crucial C300产品上,曾经是C/P最高的一款产品,但早已经停产。

    SandForce控制器拥有非常独特的资料运算处理方式,其称为DuraClass技术,主要有DuraWrite与RAISE(Redundant Array of Independent Silicon Elements)两种。DuraWrite可以即时压缩资料,是一套複杂的多重演算法,让实际写入的资料量变小,并且还拥有均化每个储存槽写入次数的能力,以及将不需要资料标记起来并在闲置时将其抹除的垃圾回收机制。RAISE则是一种容错技术,让内部资料以类似RAID 5的方式在运作,提高资料的安全性以及储存寿命。另外DuraClass还有AES-256/128 Bits资料加密、OP(Over Provision)超规空间管理……等功能。

    但除了S&M这两大阵营之外(其实使用Marvell控制器的厂商也很少),被OCZ收购的INDILINX也终于复出江湖并推出支援SATA 6Gbps规格的新款控制器,实际的固态硬碟有OCZ容量为64~128GB的入门型PETROL系列,以及128GB~业界最高1TB的效能型OCTANE系列产品。这两者的128GB产品已经在台湾通路上可以买得到了,只可惜这次的评测中并没有样品能来参加测试。

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    图 / SandForce系列控制器规格一览

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    图 / SandForce独特的DuraClass技术运作方式示意图

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    图 / 除了S&M两大阵营之外,INDILINX被OCZ收购之后也终于推出了SATA 6Gbps规格的新款控制器。

    ● 韧体

    对于一般使用者而言,或许连韧体是什幺都不知道,但对于电脑玩家来说,通常都能知道韧体的重要性。韧体(Firmware)是硬体的基本驱动程式,定位在硬体与作业系统中的软体之间。韧体本身有控制装置基本运作的功能,拥有韧体的硬体,才能够被别的装置所辨认,才能够知道这个硬体的类型及作用性。就算是所有零件规格都相同的两者,但却使用了不同的韧体,表现出来的效能却可能会有天壤之别,这一点在使用Marvell控制器的产品上可以明显地观察出来。

    Marvell在提供88SS9174系列控制器给固态硬碟製造厂时,所提供的是功能相当基本的韧体,但好处就是厂商可以自行去对韧体进行修改,并且写入许多附加功能进去,像PLEXTOR就在韧体内放置了独家防止效能衰退的技术,就算是产品使用一段时间之后,在内部资料相当混乱的情形下,也可以有几乎与全新产品相近的存取效能。而Crucial m4在刚推出时的官方规格读取效能为415MB/s,但将韧体更新为0009版之后就可以直接飙上500MB/s了,由以下的测试截图中可以看得到差异性,目前的出货版本也都是更新为0009版韧体的产品。

    要使用Marvell控制器的厂商,本身必须具有相当的韧体研发能力,研发小组的功力也会直接地影响在产品效能上。为了研发韧体,就必须负担多余的人力成本,这无疑会提升厂商製造固态硬碟的门槛。而现在市面上会有这幺多间固态硬碟製造商并且都选择使用SandForce控制器的原因就是,它所提供的不只是记忆体控制器,而是一整套完整的「解决方案」。

    SandForce的控制器具有独特且複杂的资料运算处理方式,为了让这些功能都可以正常使用,就必须由原厂端将韧体写得非常完整才行,也因为完整度够高,因此使用SandForce控制器的厂商都是用原厂韧体,就算本身具有研发技术也不会去轻易改写它,因为可能会越改越糟。但这样又会有个问题发生,市面上使用SandForce控制器的产品,效能上的差异几乎都是因为记忆体颗粒不同所造成的,只要是同步型颗粒,就不太会有效能落差,也造成了各家产品辨别度低的情形。

    但据说SandForce也有Golden版甚至客製化版本的韧体以提供给合作密切的厂商,不过这样的韧体调教,通常也只是为了增加4KB随机存取的IOPS(Input/Output Operations Per Second,每秒输入输出运转次数)值,但基本上,这样的差异或许在实际使用上并不会有明显的感受,因为原本就已经够快了。

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    图 / 同样的Crucial m4 128GB产品,在更新韧体之后的资料读取速度有大幅度的成长。

    ■ 原始、可用与标示容量上的差异

    固态硬碟的可用容量计算方式其实与传统硬碟方式相同,这是因为固态硬碟也必须模拟成传统硬碟的使用方式所致。硬碟厂在容量计算时是以十进位的方式来计算,因此对于一个原始容量为128GB(137,438,953,472Byte)的固态硬碟来说,也还是必须把它视为128,000,000,000Byte,当系统再进行二进位换算的磁区规划时,除以三次1024就可得到119.2GB,因此对于使用SandForce之外控制器的产品来说,大部分会在产品容量上标示为128GB,而系统下的可使用容量约为119GB。

    但在固态硬碟控制器的技术里,还有OP(Over Provision)超规空间这样的设计在,不同控制器对于OP空间的运用方式不同,在SandForce的技术里,因为并没有使用快取记忆体的设计,因此必须使用OP空间来当作缓存区域,而这些容量也可以被当作损坏区域控管或是垃圾回收机制时使用。SF的控制器通常必须要先扣掉约7%的原始容量来作为OP空间,因此128GB的原始容量会被标为120GB、256GB为240GB、512GB的则是480GB。而120GB产品在系统下的可用容量经过换算之后约是112GB(111.76)。

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    图 / 通常标示为120GB的为使用SandForce控制器的产品,其它的则会标示为128GB。

    ■ 需要一些条件才能发挥完整的效能

    介绍完固态硬碟在厂商端设计上所产生的效能差异之后,接下来就要来讨论「使用者端」的环境问题。既然要身为一个有程度的电脑使用者,那就不要把问题都怪罪在产品身上,自己是怎幺使用它的,或许才是造成问题的主因。

    ● AHCI模式

    SATA传输模式对固态硬碟影响很大,大部分主机板在出厂的预设值都是IDE模式,但对于固态硬碟来说,要在AHCI模式之下才能发挥其完整的效能。AHCI(Advanced Host Controller Interface,进阶主机控制器介面)能够开启进阶SATA功能,像是NCQ(Native Command Queuing,原生指令伫列)以及热插拔。NCQ是一种沟通介面指令,对固态硬碟的影响是能够增加介面的小档案I/O数量。AHCI模式能够允许系统与储存装置做沟通,也就是说在AHCI的驱动当中,作业系统才会将装置辨认为固态硬碟,而不只是一般的IDE装置。

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    图 / 使用固态硬碟前记得要先进入主机板BIOS,将SATA改为「AHCI」模式。

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    图 / 右方使用AHCI模式的整体效能要比IDE模式高出许多!

    ● 原生SATA埠会较好

    中阶以上的主机板都会使用扩充晶片的方式来使SATA埠数量增加,毕竟Intel晶片还是很小气地只提供两个SATA 6Gbps埠。但在资料传输时,中间经过越多的转折,传输效率上就会有更多的减少。原生SATA埠是直接与主机板晶片沟通的,但额外增加的SATA埠必须要经过扩充晶片的控制,再与主机板晶片做沟通,资料传输过程较不直接。

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    图 / 右方连接在主机板晶片组原生SATA埠的固态硬碟在成绩上还是来得较好

    ● 4KB的问题

    在Windows的作业系统之下,32GB以上的磁碟区会被格式化为NTFS格式,且Cluster(丛集)大小预设是4KB,Cluster是系统中资料最小的储存单位,因此在许多的测试当中,都会特别注意4KB项目的存取效能。而快闪记忆体的最小资料写入单位是Page(页),这个Page的大小会因为製程而有所差别,通常有2KB、4KB、8KB这样的差异,但一般来说,还是会强调系统规划的起始磁区位置要为4KB的倍数,才能发挥储存装置较好的效能。

    但很遗憾的,在Windows XP这一个活超过十年的老旧作业系统当中,起始磁区的规划是从31.5KB开始,没办法,谁叫硬碟磁区为512Byte,当时也并没有固态硬碟或是支援先进格式化的传统硬碟出现。因此当固态硬碟使用在这样老旧的作业系统当中,必须要另外使用磁区位移的校正软体。但与其使用校正,小编建议不如改用目前主流的Windows 7作业系统,毕竟,Windows XP里并没有AHCI的预设驱动,也没有针对固态硬碟优化的指令。另外,也不要使用Norton Ghost来做系统转移,会发生起始磁区无法对齐4KB倍数的问题。

    120GB容量、SATA 6Gbps高速度固态硬碟大赏

    图 / AS SSD Benchmark能显示目前对齐的位置是否为4KB的倍数

    ● 作业系统指令集的支援

    常在固态硬碟包装上会看到此产品有支援Windows 7的「TRIM」指令,这是一个对固态硬碟来说相当重要的支援指令,也必须在AHCI模式下才可使用。当我们删除一笔资料时,其实只会删除掉表头资讯而让系统辨认不出来,但资料的本体还是在的,对固态硬碟来说就是这些储存槽并不会被抹除掉,而还记录着原本的电位状态。TRIM指令能有预先抹除资料的功能,在删除资料的同时,能删除的Block(区块)就直接抹除,其余部分则标记起来,让固态硬碟在闲置时进行背景作业。储存槽清空了,就能直接记录下一笔新的资料,对固态硬碟衰退的防止上有非常重要的功效。

    ● 额外的调教

    除了给予固态硬碟适合的使用环境之外,其实还有其他可以调教的小撇步,虽然不一定可以增加效能,但却能减少在写入寿命上的损耗。Windows作业系统里有Prefetch/SuperFetch的功能,这是一种记忆体管理程序,软体的执行档必须要在实体暂存记忆体(RAM)中执行,但系统会将闲置的程式回写入硬碟里的虚拟记忆体里。但对固态硬碟来说,这样的回写程序会增加写入次数,但固态硬碟本身的读取速度已经就很快了,所以大部分的玩家都会将Prefetch/SuperFetch功能关闭,让每次要执行程式时都从硬碟端读取,而不用再将暂存回写。

    通常小编都会使用SSD Tweaker这个软体来进行优化,按下自动调教设定就可以了,预设也会把Prefetch功能关闭,但SuperFetch在SSD Tweaker 2.0的版本之后就不会预设关闭了,使用者可以视情形手动关闭。也曾经接到读者回函写说希望可以教导将作业系统暂存、分页档挪到固态硬碟之外的传统硬碟之中储存,以减少对固态硬碟的写入次数。但小编真的觉得这是一种本末倒置的作法,使用固态硬碟就是因为它存取速度快,但如果要因为担心寿命的问题,反而让系统运作速度变慢了,那就没有使用固态硬碟的意义了。

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    图 / SSD Tweaker是一个非常方便的软体,按下自动调教设定就能针对系统碟是固态硬碟的情况下优化。

    ■ 为什幺会有效能衰退的问题?

    当使用固态硬碟一些时日之后,因为环境的差异,有些人会明显感受到系统开始变顿了,使用测试软体一测之下,通常会得到令人失望的效能数据。造成固态硬碟效能下降的原因,主要还是因为快闪记忆体的特性。

    ● 资料储存的基本单位

    NAND型快闪记忆体的最小储存单位是Page(页),类似于传统硬碟机的磁区,资料可以直接写入在空的Page当中,但是要抹除之后才能重新记录下一笔被更改的资料。但问题就在抹除时必须以Block(区块)为单位来进行,一个Block会包含32~256个Page,单一Page越大时,一个Block所包含的Page数量就会越多。

    以IMFT的快闪记忆体为例,34nm製程的Page大小为4KB,一个Block包含128个Page因此单位大小为512KB,而进步到目前25nm製程之后的Page大小变为8KB,Block的单位为256个Page共2MB。製程缩小了但Page与Block的单位大小却变大了,因此会有更好的资料传输速度,毕竟较大单位档案一次性写入会比零碎小档多次写入要更快。

    ● 複写方式造成写入放大

    固态硬碟在内部资料储存上一直都有个「写入放大」的问题存在,当我们在固态硬碟中要更改几个Page大小的资料时,就必须将整个2MB大小的Block读进快取记忆体中暂存并完成资料更改,待Block完成抹除之后再重新写入。因此就算在系统里只是更动几十KB的资料量,在写入时却会变成2MB,这就是所谓的写入放大,而这样繁琐的资料複写过程更是造成效能衰退的主因。

    Intel的控制器据称可以将写入放大控制在仅有1.1倍,这已经相当良好的写入控制方式了,但SandForce控制器独特的DuraWrite即时压缩写入技术却可以让写入放大只有0.5倍,让实际存入的资料量比原本的还要小,因此甚至可以让最大写入速度与读取相去不远。虽然SandForce控制器可以解决写入放大的问题,但却还是无法解决效能衰退的问题,甚至比使用其它控制器的产品还要来得严重。

    这是因为SandForce控制器并没有快取记忆体的设计,而使用隐藏的OP空间来进行资料缓存,并在背景作业中将这些空间的Block进行抹除,以便可以马上纪录新的一笔资料。但在使用IOMETER软体进行不间断的4KB档案写入时,只要两个小时之后,IOPS值就会降到原本的一半不到,这是因为连续的写入过程,让控制器没有空闲时间将作为缓存用的OP空间进行Block抹除的动作。

    ● 垃圾档案回收机制

    前文中提到Windows 7的 TRIM指令可以让固态硬碟预先抹除储存空间,但厂商在韧体里也有加入垃圾档案回收机制,在不支援TRIM的系统下也能达到类似的效果。这样说好了,在有TRIM指令的情形下,当一个Block里的资料都是可被删除的,那在系统删除资料之后,就会马上将这一个被标记的Block直接抹除。而垃圾回收机制,则是无论有没有TRIM这样的优化指令,都会将这些不再被需要的资料给标记起来,当固态硬碟闲置时,自动在背景作业中进行Block抹除及资料複写的作业,当新资料写入时,就可以直接写入到这些已被清空的page之中。

    ● 效能之外,稳定性更是重点

    基本上稳定性与效能衰退也只有在使用一段时间之后才能较为了解,一般的测试模拟并不是那幺地客观。像SandForce控制器虽然在IOMETER的连续写入测试下惨不忍睹,不过在正常的作业系统运作时怎幺会有如此夸张的资料写入情形?128GB原始容量的产品拥有接近8GB的OP空间,除非一次性的写入资料量过大,不然通常都会有足够的时间给予进行背景下的Block抹除。但对于资料结构性较为複杂的多媒体档案,SandForce控制器的写入处理就真的是会来得较差了。
    而使用Marvell控制器的厂商在效能衰退的控制上,只要韧体研发的功力够强,可以玩的花样就很多了。PLEXTOR在系列产品里都加入了「True Speed实境效能」技术,就算使用再久时间,也能拥有类似新品的效能展现。

    ■ 固态硬碟的使用寿命?

    接下来要讨论的又是一个难解的问题,固态硬碟一直被批判的就是会有使用寿命的疑虑,毕竟以目前主流的25nm製程MLC NAND Flash,每个储存区块可被写入资料的次数仅在三千次左右,这个次数随着製程缩小而会更少。当固态硬碟的所有储存区块都被写入过一次资料,称作完成一次写入循环。写入循环次数上限固定时,大容量的产品会有较多的使用寿命,因为256GB的产品完成一次循环需要写入256GB的资料量,而128GB则只有一半。

    假设目前有个120GB的产品,每天写入20GB的资料量,那幺六天就可以完成一次写入循环,如果循环次数为3000次,那这个固态硬碟就能有6×3000=18000天的寿命,也就是49.3年,或许照这样的理论值看来,似乎完全不用担心固态硬碟使用寿命的问题了。但很可惜的,这是一个相当理想之下的计算方式,完全没有考虑到写入放大以及每个储存区块写入次数不均的情形。

    ● 写入次数平均化

    作业系统的运作、或是程式的执行,总是有一些常需要被读取的档案,当被更改并要重新写入时,聪明一点的控制器就会将它改储存到写入次数较少的区域当中,以达到「写入次数平均化」的效果,这样的资料控制方式对固态硬碟寿命影响相当大,因为只要一个储存区块达到写入次数的上限,那就可能造成一整个储存资料DIE都被锁住而无法再进行写入的情形。因此在目前的控制器韧体之中,都一定有这种功能来达到接近写入循环次数的理论值。

    虽然固态硬碟在实际上无法达到理论值那样的使用寿命,但至少用个五年以上是绝对没有问题的,毕竟这是一个不完美的世界,因此也不可能会有一种完美的储存媒介,存取速度较快的快闪记忆体,但也还是有其物理特性所造成的複写程序複杂以及使用寿命上限的问题。

    但现在也有固态硬碟厂商推出了五年保固的服务,相较之下,传统硬碟厂竟然从之前的三年缩减到了一到两年不等,这不是对自己产品没有信心,那就是把消费者当成傻子。而以小编的使用经验来说,玩电脑也有十余年了,自己购入的硬碟大约有七、八颗吧,但曾经坏过的却有三、四颗,高达接近一半的故障率真不知道是不是小编自己带塞。不过以这样的经验来说,传统硬碟在可靠度上并不一定比固态硬碟要来得好。

    ● 寿命问题无法从测试上得知

    然而,使用寿命的问题是无法从测试上可以得知的,任何储存媒体都是一样,这次使用时还很正常,但下次开机就挂点了,完全没有任何预兆可言,可以说是一种非常任性的电脑零组件,然后你珍藏的许多「资料」就这样毁于一旦。不过小编最近倒是发现了一款相当有趣的软体-SSDLife Free。免费版就能够显示今天、昨天、最近七天的资料写入量,并且还能侦测出总使用时间以及写入量,并且预估还能使用的寿命时间。虽然不一定準确,但却能让人当作参考。

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    图 / SSDLife Free能够显示总写入的资料量,以及最近几天的写入

    资料量,并预判使用寿命。

    ■ 用固态硬碟玩RAID?

    在固态硬碟开始被消费性市场接受时,网路上就开始出现了「固态硬碟不能架RAID」、「固态硬碟架RAID资料会不见」…这类的言论出现。但根据厂商表示,固态硬碟对RAID(Redundant Array of Independent Disk,单独磁碟的备援阵列)是不会有支援上的问题的,即使内部的资料储存方式差异甚大,但毕竟固态硬碟与外界沟通也还是必须模拟成传统硬碟的磁区规划方式。不过虽然是可以架设磁碟阵列没有问题,但小编个人也还是不建议这种使用方式。

    对注重效能表现的玩家来说,买两个60GB的固态硬碟只比单个120GB要贵上一些,但架设为RAID 0之后却可以得到相当亮眼的传输效能表现,对只注重成绩是否亮眼的人来说,这样或许是一种高C/P值的购买方式。但让我们来仔细审察这样的使用模式,虽然RAID也是属于进阶SATA模式的一种,也有类似AHCI模式的功能,但重点是在RAID模式之下系统将会把固态硬碟视为SCSI装置,因此像是TRIM、甚至NCQ等指令都无法对其执行。

    况且比起传统硬碟来说,目前SATA 6Gbps的固态硬碟都已经有相当不错的效能表现了,对一般使用者来说实在也没有什幺必要架设为RAID 0来加速。但毕竟部分电脑玩家还是有一定程度的偏执,若真的坚持所使用的储存装置都一定要有磁碟阵列模式的话,小编建议可以购买本身已架设好RAID 0模式的PCI-E介面固态硬碟,像是OCZ的RevoDrive 3系列,新开发的阵列控制器也可以支援TRIM指令,是一款相当不错的产品。

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    图 / 不如购买已架设好RAID模式的PCI-E固态硬碟,且RevoDrive 3系列的新款阵列控制器也能支援TRIM指令。

    ■ 替传统硬碟机加速?

    接着要讨论的就是从去年中开始的热门话题-「Hybrid」混合式储存架构,基本上Hybrid可以视为RAID的延伸,目的就是将固态硬碟与传统硬碟混合使用以加快速度。Marvell与Intel甚至OCZ产品的Hybrid技术,小编已经在本刊173期的最后一期SSD实验室中又有再次进行描述及产品介绍,因此在这边不再进行赘述。

    但说真的,对于一般桌上型的平台而言,购买固态硬碟来替传统硬碟加速,实在是有一种大材小用的感觉。既然是较没有硬碟数量限制的桌上型平台,那又何必要强制创造出容量、速度都介于固态硬碟与传统硬碟之间的产物呢?而且资料储存的危险性还会提高。反而不如将两者分开使用,将系统安装在固态硬碟当中,而资料储存在传统硬碟里,更能完整发挥出各自的优势所在。

    而对于HTPC或是笔记型电脑这类只能装设一颗硬碟的平台来说,Seagate所开发的SSHD(Solid State Hybrid Drive,固态混合硬碟机)就会是一种不错的选择了,在单一装置里就可以拥有快速且容量大的特性。而OCZ甚至还有推出专为传统硬碟加速用的固态硬碟,让使用者不必重新安装或是转移系统,直接透过软体就可以让整体拥有类似固态硬碟的存取速度,对于懒得变更目前系统状态且原先磁碟区规划较为複杂的使用者来说,是相当便利的。

    因此小编的结论就是,「Hybrid」只有在有特殊情况限制之下,才能显示出它的实用性。
     

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    图 / 仅能装置一颗硬碟且同时有高速度与大容量需求时,SSHD就是一款不错选择的产品。


    ■ 多一些用心的设计总是比较好的

    通常来说,固态硬碟的机构就是很简单地用两片外壳将电路板给包装起来。虽然固态硬碟里的控制器、快取、快闪记忆体颗粒都并不会有太高的发热量,但如果厂商有多一些额外的设计总是会让人感受更好,例如使用铝材质的外壳。小编经手测试过许多颗固态硬碟,拆开要拍内部晶片时,总是会发现有几间厂商很贴心地在快取、快闪记忆体与控制器上都有配置导热硅胶,甚至还有塑胶垫片以防止短路,但这样的设计是无法从外观上得知的。

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    图 / 铝壳的材质并在颗粒位置上放置导热硅胶,能确实将热传导出来。

    ■ 帐面数字类似,细部效能却不同,採购时请注意!

    目前市面上固态硬碟厂牌众多,像这次的专辑就有多达14间厂商参与,就算是同样为SandForce SF-2281控制器且使用同步型颗粒的产品,在价格落差上也很大。而厂商本身也有分不同的系列,产品包装上所列出的效能通常是由ATTO Disk Benchmark所测出的最高存取速度,偏偏异/同步记忆体颗粒在这项测试下所产生的差异很小,因此也很难从官方规格上去做判读,而只能询问店家或是参考网路上的开箱测试文章。但本篇特别企划蒐集了几乎市面上所有能见的SATA 6Gbps 120GB产品,希望这些测试成绩都能够给各位读者有正面的参考价值。

    ■ 把你的系统碟换成固态硬碟吧!

    固态硬碟绝对是目前最夯也是最具有发展性的资料储存媒体,虽然目前单位容量价格还是偏高,但随着快闪记忆体製程不断地在精进,製程下降,单位体积内的储存容量可以明显提升,成本也一直会有大幅度的降价。但另一方面要面临的就是写入次数减少的问题,在此希望控制器厂商真的能够严格控管写入次数不均匀的问题发生,进而能接近理论上的写入循环次数。

    固态硬碟对商务人士来说相当地方便,可以将笔记型电脑里的硬碟换掉以获取更快的效能与强大的抗震度,而且128GB这样的容量大小对于移动型平台来说也相当够用了。对桌上型平台来说,小编建议较好的方式是将固态硬碟纯粹当为作业系统碟来使用,并将软体、游戏安装在其中以获得较好的执行效能。至于文件资料、多媒体档案等就都还是保存在传统硬碟当中吧。其实在第一次将系统从传统硬碟换成固态硬碟使用时,会有非常明显地差异感受,但如果是把固态硬碟更换成更快的产品,除非效能真的差很多,不然真的不会有太大的感受。最近想要组装一台新电脑吗?预算足够的话不如试试看固态硬碟吧。

    ■ 固态硬碟集体评测

    在呈现各个固态的特点与测试成绩之前,还是有些东西要交代给各位读者,才能从一堆测试数据当中去了解到这个产品的特性。以下是这次评测所使用的测试平台,平台资讯相当重要!在不同的环境下所得到的效能表现绝对是有所差异的。
     

    电脑DIY测试平台

    处理器

    Intel Core i5 2500K @3.3GHz

    主机板

    ASRock Fatal1ty Z68 Professional Gen3

    显示卡

    AMD RADEON HD 6870 GDDR5 1GB

    记忆体

    Kingston HyperX DDR3-1600 2GB ×2

    系统硬碟

    OCZ VERTEX 2 SSD 40GB

    作业系统

    Windows 7 Ultimate 64bit SP1

    电源供应器

    Seasonic X-650W 80PLUS金牌

    ● SATA 6Gbps已成为主流

    先来解释一下产品规格上的限定。目前新推出的主机板晶片都能够支援到SATA 6Gbps的规格,而自去年2月SandForce SF-2000系列控制器开始供货之后,市面上产品就出现了改朝换代的情形。但规格虽然提升到了SATA 6Gbps,那存取效能就要能够超过SATA 3Gbps的300MB/s才有意义。

    ● 容量上的挑选

    虽然对于没有使用过固态硬碟的使用者来说,第一次购买时大多都会选择60/64GB左右的容量,但其实全世界的固态硬碟平均使用容量在去年就已经来到了100GB,且相对于60/64GB的产品来说,120/128GB的会有较好的效能,因此这次的另一个目的是将这样容量的产品介绍给各位读者。

    ● 不同测试软体所应观察的重点

    每个测试软体的特性都不同,接下来要分别介绍各别测试软体应该注意的成绩重点项目。

    ▲ ATTO Disk Benchmark

    厂商在产品包装上所公布的传输速度规格,大部分是由这个软体而来的,因为它能够测得最快的资料传输速度,预设会以0.5KB~8192KB不同的档案长度来进行存取测试。而小编在数据表中将会列出4KB档案以及最快的存取速度供各位参考。

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    图 / ATTO Disk Benchmark能够测出此产品的最高存取速度

    ▲ CrystalDiskMark

    CrystalDiskMark是一套由日本人所撰写的测试软体,不论是固态硬碟或是传统硬碟都相当适合使用。比起ATTO Disk Benchmark,这套软体的测试成绩反而与实际使用时的速度较为接近。它有不同的测试模式可以选择,按下左上方的文件按钮,在测试资料的选项中有三种模式可以选择,预设是随机乱数模式,也就是说它是以比较複杂的资料结构去进行存取测试。

    为了表示公平,小编在测试成绩表中仅会呈现预设(随机乱数)的测试成绩,但SandForce的控制器因为DuraWrite的即时压缩功能并不能支援这样複杂性的资料结构,因此测试成绩普遍较为不好,但若使用另外两个模式时就会有与ATTO Disk Benchmark成绩较为接近的效能表现了。另外要观察的重点是4K QD32这个测试项目,它会透过NCQ指令介面来进行随机4KB、伫列深度为32的多工读写。

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    图 / CrystalDiskMark拥有三种不同的测试模式,成绩表中仅会列

    出预设模式的成绩。

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    图 / SandForce控制器的即时压缩功能无法支援预设的随机乱数档案

    型态来进行压缩,但在另外两个单纯的资料型态测试下,就能够有

    良好的成绩表现了。

    ▲ AS SSD Benchmark

    由名称就能了解这是一款专为固态硬碟所设计的测试软体,由德国人所撰写的AS SSD Benchmark,它有相当便利的读取、写入、整体成绩呈现,让人可以直接辨认出两个产品之间的效能好坏。它不只可以呈现MB/s为单位的数据,更可以转换为IOPS的数据模式。其中4K-64Thrd是使用64执行绪来测试I/O介面的併发性能,转换为IOPS值模式之后,更能看出产品在4KB档案处理上的能耐。

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    图 / AS SSD Benchmark不只能呈现MB/s,也能转换成IOPS值的显示模式。

    ▲ PCMark

    小编在测试成绩表中还是会列出PCMark Vantage HDD的测试总分,虽然这是一套在Windows 7出现之前的测试软体,也是针对Vista的环境下去做设定的,固态硬碟所得到的HDD分数也是相当的夸张,但多少它还是有比较的价值。另外也会列出PCMark 7 System storage的总分,针对Windows 7所设计的测试软体,测试成绩更会有参考价值。

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    图 / PCMark Vantage HDD在固态硬碟测试上都会得到相当夸张的数据

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    图 / PCMark 7 System storage成绩就不如上者那样地夸张,专为Windows 7所设计的新版测试软

    体参考价值更高。

    ● 单品的图片呈现

    由于这一次送测的产品,仅有两款是使用Marvell的控制器,其余使用的都为SandForce SF-2281VB1-SDC。因此为了不要重複出现同样的晶片图,在此先列出一张SF-2281图片。除非产品有使用不同款的控制器型号,不然就不会再多摆控制器图片上去了。

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    图 / 此次送测的有高达16款产品是使用SF-2281这一个控制器
     




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