認識Flash快閃儲存：從基礎認識到挑選合適的解決方案
快閃儲存指的是使用非揮發性快閃記憶體來保存資料的任何儲存裝置。這包括 SSD（固態硬碟）、記憶卡、嵌入式模組以及其他固態儲存媒介。其中，SSD 最廣為人知並廣泛應用於消費性及工控系統中。
本文將探討快閃儲存的運作原理，以及如何針對不同應用挑選最合適的解決方案。
NOR 與 NAND 架構
快閃儲存的核心在於記憶體架構——也就是單個記憶單元（儲存位元的最小單位）如何被組織與存取。
快閃記憶體主要有兩種架構：NOR 與 NAND，它們的差異主要在於記憶單元的連接方式。兩種架構所呈現出的優點與缺點，決定了它們適合的應用範圍。
NOR 記憶體的名稱來自邏輯閘「Not OR」，描述了電路的運作方式。NOR 的儲存邏輯就像書架，每本書（資料位元）都有自己的書架（記憶單元），且每一本書籍都可以直接存取，不會影響其他書籍。
技術上來說，每個記憶單元都是獨立運作的，它們擁有自己的控制線，因此讀取特定位元時不需要經過其他單元，並創造了快速的隨機存取速度。然而，就像每本書籍都要自己的書架一樣，會佔用更多空間一樣，因此 NOR 記憶體需要更多的布線和配置，並導致儲存密度降低、成本增加。
因此，NOR 記憶體更常用於微處理器的程式記憶體，例如個人電腦的 BIOS 記憶體、用於儲存小型輔助資料的記憶體，或用於手機和平板中存放作業系統的記憶體。
除此之外，NAND 記憶體的名稱來自「Not AND」邏輯閘，並定義了它的運作方式。其存儲邏輯更像是把書籍一本本地堆成高塔，使記憶單元以鏈狀連接，所以如果想要拿到中間的書籍，必須先翻過上放堆疊的書本。
技術上來說，NAND 記憶單元共用控制線，並以序列方式存取。這種設計讓 NAND 更節省空間，並透過串連起的記憶單元來儲存更多的資料，並能降低成本；只是，它在讀取單個位元時，就會不如 NOR 快速。
在上述的技術特點權衡之下，NAND 架構通常用於 SSD、USB 隨身碟、記憶卡、手機等裝置，這些裝置的資料多以序列方式寫入，且比起隨機存取的速度，這些裝置更重視儲存的容量。
在接下來的內容中，我們將主要聚焦於 NAND 架構，因為它是現代主流固態硬碟所採用的設計。
NAND 記憶單元排列：邁向 3D 結構
隨著製造商持續尋找降低快閃記憶體成本的方法，他們發現當製程縮小到 10 奈米以下時，成本已不再必然下降。為了應對容量與成本的挑戰，業界轉向 3D NAND 技術，將記憶體單元進行垂直堆疊，不再試圖將它們塞入平面布局中。
NAND 記憶單元類型與資料容量
目前，一個記憶單元可以儲存 1、2、3 或 4 位元的資訊。而從物理結構來看，即使 NAND 的記憶單元都是由相同的電晶體組成，仍會因為每個單元儲存的電荷量差異，而區分成四種不同的 NAND 技術類型：SLC、MLC、TLC 和 QLC；且上述技術都可以實現在 2D 平面或 3D 堆疊的架構中。
SLC（單層單元）
在 SLC 中，每個記憶單元僅儲存 1 位元資料，因此僅有兩種可能的電荷狀態（2¹）。由於這兩種狀態之間的間距寬裕，使得讀寫時更容易準確判斷，精度也更高。
這也是為什麼 SLC 在效能、寫入速度、錯誤率以及程式/抹除週期壽命上都表現最佳。然而，由於它使用較多的空間來儲存較少的資料，因此每位元成本在所有 NAND 類型中是最高的。
MLC（多層單元）
MLC 每個記憶單元儲存 2 位元資料，使用 4 個不同的電荷等級（2²）。相較 SLC 技術，MLC 能夠提升儲存容量、降低成本，並提升空間使用效率。然而，由於單元需要區分更多電壓等級，讀寫時需要更精密的控制，這可能稍微影響速度和可靠性。其耐久性（可寫入/抹除次數）也低於 SLC。不過整體而言，MLC 對於許多廣泛性的日常應用，會是一個實用且中庸的選擇。
TLC（三層單元）
TLC 技術在每個記憶單元儲存 3 位元資料，使用 8 個電荷等級（2³）。這進一步提升了儲存的容量並能降低成本，特別適合導入消費性裝置中，以最大化每美元儲存容量。
隨著每個單元的位元數增加，各電荷等級之間的電壓差距變小，TLC 可能導致存取速度降低，且相較 SLC 與 MLC 更容易出現錯誤，但 TLC 仍能在成本與容量之間取得有效的平衡，因此被廣泛應用於各式日常使用的 SSD 當中。
QLC（四層單元）
QLC 技術則將極限推至每個單元儲存 4 位元資料，使用 16 個電荷等級（2⁴）。這使得 QLC 有著非常高的儲存密度，並成為每 GB 成本效益最高的選擇，甚至接近傳統硬碟的價格水準。
然而，這也使得 QLC 在速度和使用壽命上可能較不穩定，尤其是在大量寫入時格外明顯；但即便如此，QLC 技術仍然非常適合資料密集的儲存應用。
iSLC/Ultra iSLC
而除了上述的技術，對於工控領域的系統整合商來說，在選擇最佳工業儲存解決方案時，要在成本與可靠性之間取得平衡，始終是一大挑戰。因此，Innodisk 開發了獨家的 iSLC 技術——透過自主研發的韌體技術，將標準 3D TLC 轉化為更可靠、高效能的選項，且不需要更改 NAND 結構。
iSLC 透過自訂韌體讓每個 NAND 單元僅儲存 1 位元，有效模擬 SLC 的儲存行為，並將耐久性提升至 30,000 次寫入/抹除週期，寫入效能也非常接近真實的 SLC，大幅延長硬碟的使用壽命。
不只是 iSLC 技術，若儲存設備需要面對更嚴苛的應用環境，Innodisk 更進一步開發了 Ultra iSLC 技術。在既有 iSLC 的基礎上進行更進階的調校，將耐久性推升至 100,000 次寫入/抹除週期，並大幅降低錯誤位元率，使其成為工業自動化、嵌入式系統和邊緣 AI 等應用的嶄新選擇。
Type | 每儲存單元位元數 (Bits per Cell) | 電荷層級 (Charge Levels) | P/E 擦寫循環次數(P/E Cycles: Endurance) | 效能 | 單位成本 (Cost per Bit) | 典型應用案例 |
| SLC | 1 | 2 (2¹) | 最高 60,000 | 最佳 | 最高 | 工控與企業級系統 |
| MLC | 2 | 4 (2²) | ~3,000 - 10,000 | 中高 | 高 | 一般用途、類工控 |
| TLC | 3 | 8 (2³) | ~1,000 - 3,000 | 中等 | 中等 | 消費性 SSDs、日常運算需求 |
| QLC | 4 | 16 (2⁴) | ~100 - 1,000 | 較慢 | 低 | 資料歸檔、讀取密集型應用 |
| iSLC | 1 (on TLC NAND) | 2 (模擬) | 最高 30,000 | 接近 SLC | 中低 | 工控與嵌入式等需高寫入且成本敏感的系統 |
| Ultra iSLC | 1 (on TLC NAND) | 2 (模擬) | 最高 100,000 | 與 SLC 相當 | 低於 SLC | 高階工控應用、邊緣 AI、自動化系統 |
在理解快閃記憶體的技術架構後，接下來將探討如何選擇合適的快閃儲存裝置？有哪些考慮因素。
除了記憶體技術外，我們還需要考量其他關鍵因素，例如外型規格、介面與使用環境條件等，才能做出最合適的選擇。最後，也將分享 Innodisk 的產品命名規則。
外型規格與介面
選擇外型規格與介面時，必須確保系統的插槽與連接埠相容。
2.5 吋 SATA 外型規格依然是工業與企業系統中最常見的選擇之一。它的廣泛相容性使其成為傳統硬碟和 SSD 的首選。同時，M.2 SSD 因其體積小巧，並同時支援 SATA 與 PCIe 介面，在主機板空間有限的系統中特別受歡迎，具有高度的應用彈性。
在其他空間更為狹小的情境下，mSATA 則是相當合適的外型規格，特別適用於嵌入式或傳統的系統設計架構中。
此外，在介面上，雖然 SATA 的穩定性與支援性，仍能滿足許多廣泛的使用需求，但對於追求高速效能的使用者來說，PCIe SSD 已成為首選。在大多數應用中，PCIe Gen4 已能提供足夠效能，而 PCIe Gen5 則開始在 AI、邊緣運算與資料中心等需要超高傳輸量的環境中導入。
Innodisk 現有產品線能協助客戶滿足各種工控應用需求；透過下表，將能了解 Innodisk 所提供的各式產品選項。
PCIe | SATA | PATA | Others |
M.2 U.2 CFexpress EDSFF | M.2 2.5" SSD 1.8" SSD SATA Slim SATADOM mSATA nanoSSD | Embedded Disk Card CompactFlash Card | SD & MicroSD Card USB / USB EDC |
操作環境條件
工業電腦與一般消費型電腦有許多不同之處，其中最顯著的差異在於工業電腦往往需要全年無休的持續運轉、不中斷；同時，也要具備抵抗高低溫、震動、衝擊及高濕度的能力。這些嚴苛的要求，都須實踐在工業電腦的所有零組件，當然也包括儲存裝置。
快閃記憶體儲存裝置可分為兩大類：
- 標準溫度等級
- 寬溫等級
例如，Innodisk 的 SD Card 3TE4 與 MicroSD 3IE4 均提供標準溫度等級的規格，適用於不需要寬溫耐受度的應用情境。
了解 Innodisk 產品命名規則
藉由理解 Innodisk 的產品命名規則，將能輕鬆的在眾多產品選擇中找到最適合的儲存裝置。
我們以 2.5 吋 SATA SSD 為例，來拆解其型號命名規則。
Code | Series Name | Description |
| E | Embedded | 針對工業級嵌入式系統所進行的最佳化設計，具備可靠性與使用壽命優勢。 |
| G | EverGreen | 內建外部 DRAM 快取以提升速度並延長使用壽命，適合追求效能與耐用性平衡的一般用途。 |
| V | InnoRobust | 專為關鍵應用與嚴苛環境所打造，符合 MIL-STD-810F/G 與 MIL-I-46058C 標準，可防塵、防震、防振動及極端溫度。 |
| R | InnoREC | 針對影像監控設計，具備智慧韌體演算法，確保資料穩定且持續錄製。 |
| S | Edge Server | 針對邊緣運算的需求而設計，提供高效能、耐用且小型化的解決方案，以支援網路邊緣的即時資料處理。 |
| O | InnoOSR | Innodisk 自我修復 SSD 解決方案，具備專利韌體層級的資料恢復功能。 |
最重要的是，如果在選購產品時有任何疑問，只需往下滑動並點擊頁面底部的「聯絡我們」。我們的業務團隊隨時準備提供專業且貼心的支援。
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延伸閱讀
1. iSLC / Ultra iSLC Technology
2. InnoRobust™
3. InnoREC™
4. InnoOSR
