主機記憶體緩衝區（HMB）：PCIe DRAM-less SSD 的智慧效能提升之道

為什麼 SSD 需要的不只是 NAND

正如電腦依賴 RAM 來暫存正在處理的資料，SSD（固態硬碟）也需要其自身形式的短期記憶體來維持高效運作。記憶體緩衝區（如 DRAM 與 SRAM）是 SSD 的效能加速器，提供高速查詢與資料暫存功能，有效強化 NAND 的固有速度，實現更快速的存取與傳輸。要了解這其中的運作原理，必須先認識 SSD 讀取運作流程，以及現代 SSD 為何如此依賴高效的元資料處理機制。

在深入探討這些緩衝區的運作方式之前，讓我們先了解 SSD 如何讀取資料。

在 SSD 中，當系統發出讀取資料的請求時，SSD 控制器（負責管理所有磁碟機運作的內部處理器）需要參照一張對應表，以找出邏輯位址（LBA，Logical Block Address）所對應的 NAND Flash 實體位址。這張對應表稱為 L2P（邏輯位址對實體位址）表。

• 邏輯位址（Logical Address）：
  主機系統所認知的資料儲存位置，如同您在 Windows 中看到的檔案路徑（例如："C:\Users\Yourname\Documents\whitepaper.docx"）
• 實體位址（Physical Address）：
  資料實際儲存於 NAND 中的實體區塊位置（例如："block 2000"）

控制器查詢 L2P 表並取得對應的實體位址後，即可直接從正確的 NAND 區塊讀取資料並回傳給主機。

然而，這些實體位址並非固定不變。由於 NAND Flash 每個區塊的寫入次數有限，SSD 控制器會在背景持續搬移資料，以平衡資料寫入的工作負載—這個程序稱為耗損平均技術（Wear Leveling）。此機制可防止特定區塊過早損耗，延長磁碟機的整體使用壽命。

因此，資料的實體位置持續在變動，這正是 L2P 表至關重要的原因：無論資料被搬移至何處，系統都能透過 L2P 表正確取得所需資料。

正因為這種持續進行的 SSD 存取與 L2P 表查詢，不僅導致了 SSD 效能的瓶頸，更在隨機工作負載下尤其明顯。
 

SSD 的兩種架構：配備 DRAM 與無 DRAM（DRAM-less）

不同的 SSD 處理 L2P 表的方式各異。依據設計架構，SSD 存取這張關鍵對應表的方式截然不同，而這項差異對效能有直接且深遠的影響。

部分 SSD 配備專屬的 DRAM 緩衝區，與控制器內建的 SRAM（晶片內記憶體）協同運作，用於儲存 L2P 表並作為高速快取。由於 DRAM 的運作速度遠高於 NAND Flash，此架構讓控制器能夠近乎即時地查詢對應資料，降低查詢延遲並提升整體回應速度。

然而，在 DRAM-less 的 SSD 中，L2P 表儲存於 NAND 本身。這意味著每次讀取操作可能需要兩次獨立的 NAND 存取：一次用於查詢對應關係，另一次用於讀取實際資料，這樣的運作機制，明顯影響回應時間。

這種效能損失在隨機讀取工作負載下尤為顯著。不同於循序讀取（如播放影片或載入大型檔案），隨機讀取操作存取的是磁碟機中分散各處的資料，每次讀取都必須先查詢 L2P 對應關係，增加了額外步驟，進而影響效能。

隨機讀取的典型範例：

• 電腦開機：系統載入作業系統、驅動程式與設定，這些操作高度依賴隨機讀取效能

此外，這種反覆存取也會加劇寫入放大（Write Amplification），使 NAND 磨損速度超過正常使用水準。上述種種因素充分說明了記憶體緩衝區的不可或缺性——缺少緩衝區，SSD 每次操作都需要付出更多的額外代價。

自備緩衝區的設計取捨

儘管配備 DRAM 的 SSD 提供最佳效能，然而在產品設計上，卻也帶來了不同面向的考量。其中，成本與實體尺寸成為特別重要的因素。

• 成本效益

在 SSD 中整合專屬 DRAM 會增加整體物料清單（BOM）成本。對於嵌入式、工業及邊緣部署等應用場景，採購決策往往受到嚴格的預算限制，這項額外的元件成本，是在衡量 DRAM 所帶來的效能優勢時必須審慎權衡的取捨。

• 空間限制

除了成本之外，DRAM 晶片還佔用額外的 PCB 面積，並需要更複雜的佈線設計，對整體設計的緊湊程度構成實質限制。在嵌入式或工業系統等空間受限的環境中，配備 DRAM 的 SSD 並不總是最實用的選擇。以 M.2 P30 與 P42 等更小的外形規格為例，其物理空間本就不足以容納專屬 DRAM，因此，更精簡的硬體設計架構，成為這些平台的唯一可行路徑。

上述考量反映了一個現實：儲存設計從來不是一體適用的決策。隨著市場對兼顧效率、尺寸與效能之解決方案的需求持續成長，NVMe 規格引入了一項名為主機記憶體緩衝區（Host Memory Buffer，HMB）的功能。此功能使 DRAM-less 的 SSD 得以在不增加專屬 DRAM 成本或空間負擔的前提下，達到更接近配備 DRAM 設計的效能水準。

主機記憶體緩衝區（HMB）：驅動 PCIe DRAM-less SSD 智慧效能

HMB 允許無 DRAM 的 DRAM-less SSD 透過 PCIe 介面存取主機系統的部分記憶體，並將其作為快取關鍵資料結構（如 L2P 對應表）的緩衝區。透過這種方式，能夠借用主機記憶體，並使 DRAM-less SSD 恢復一定程度的效能、縮短效能落差。

換言之，DRAM-less 解決方案不再需要將 L2P 表從 NAND Flash 複製到 SSD 板載的 DRAM 緩衝區，而是透過 HMB 快取此表，實現快速查詢並降低存取延遲。 

HMB 並非實體元件，而是一項 NVMe 協定功能，需要 SSD 控制器架構、韌體技術與主機平台的共同支援。因此，儘管 NVMe 規格已定義此機制，並非所有 DRAM-less SSD 都支援 HMB 功能。

 配備 DRAM 的 SSD 可憑藉其板載記憶體快取各種類型的資料；使用 HMB 的 DRAM-less SSD 則專注於快取 L2P 表等元資料。這種針對性的使用方式，在維持低主機消耗的同時，仍能提供與 DRAM 相當的效能水準。

HMB 如何與主機建立共享記憶體

HMB 定義於 NVMe 1.2 規格，其運作流程如下：

1. SSD 透過 Identify 命令通知主機其支援 HMB，並請求特定的記憶體容量
2. 主機評估系統 RAM 的可用量
3. 若資源充足，主機透過 Set Features 命令回應，分配記憶體並提供存取資訊

透過此程序，SSD 即可使用主機部分記憶體作為自身的快取，加速存取操作。 

上述技術經過進一步的測試資料證實，啟用 HMB 可顯著提升 SSD 隨機讀取速度。為量化此效益，我們以 1GB 資料量進行了 IOMeter 效能測試，比較啟用與未啟用 HMB 時的隨機讀取效能。

如下方圖表所示（以宜鼎 PCIe Gen4 4TE2 SSD 系列為例），整合 HMB 可顯著提升 IOPS（每秒輸入/輸出操作次數）。這些效益在隨機讀取測試與實際開機場景中最為明顯，L2P 的快速存取直接帶動更流暢的使用體驗。
 

CRC 保護：確保 HMB 架構下的資料可靠性

HMB 依賴 SSD 直接控制範圍之外的共享系統 RAM。為確保快取資料在系統多工處理或潛在干擾下仍保持正確，循環冗餘校驗（Cyclic Redundancy Check，CRC）被採用做為資料完整性的保護機制。CRC 在 L2P 對應表存放於 SSD 外部，並在主機與裝置之間傳輸的過程中扮演關鍵角色，確保 SSD 整體資料的一致性。

CRC 的運作原理是從資料內容產生一個簡短、固定長度的「指紋」。當 SSD 將 L2P 表寫入 HMB 時，同步計算該表的 CRC 值，並將其儲存於 SSD 內部的 SRAM 或 NAND 元資料區域。

之後，當 SSD 從 HMB 讀取 L2P 表時，會對返回的 L2P 表重新計算 CRC 值，並與先前儲存的值進行比對：

• 若兩者相符 — 表示資料可信，其位址對應關係可用於定位 NAND 中的資料
• 若兩者不符 — 表示資料已損毀，系統將捨棄現有資料，重新從 NAND 載入至 HMB，並計算新的 CRC 值

此驗證程序確保支援 HMB 的 SSD 即便在高度多工或記憶體穩定性有限的系統中，仍能維持可靠的效能。更重要的是，此驗證程序僅增加極低的額外效能需求，確保在提升可靠性的同時，不會對 SSD 操作引入明顯的延遲。
 

結語與宜鼎可靠的 SSD 解決方案

儘管配備板載 DRAM 的 SSD 仍具備卓越的效能表現， 然而支援 HMB 的 DRAM-less SSD 則提供了另一種高效的選擇。HMB 透過 PCIe 實現 SSD 與主機 DRAM 之間的直接互動，模擬共享記憶體系統的行為，協助 DRAM-less SSD 大幅縮短查詢時間並提升隨機讀取回應速度。

隨著越來越多的系統設計者優先考量緊湊外形規格與最佳化的 BOM 成本，HMB 借助主機記憶體的能力成為兼顧效能與價格的優雅橋樑，使 DRAM-less SSD 成為嵌入式、工控及成本敏感型應用的理想選擇。

宜鼎專注於打造全方位的工控解決方案，長期深耕硬體、韌體與軟體技術的研發。因此，宜鼎提供多元的儲存解決方案組合，涵蓋配備 DRAM 與 DRAM-less 的 SSD，以滿足不同系統需求。

宜鼎的 PCIe 儲存產品線 涵蓋 PCIe Gen4 4TE2 與 4TE3 系列，以及 PCIe Gen3 3TE8 系列，其中，所有 DRAM-less 產品組合均支援 HMB。不僅是 HMB ，這些 SSD 還整合了前瞻工控技術，包括 AES 256-bit data encryption and TCG Opal 2.0 支援，進一步提升可靠性，為嵌入式與工業部署提供安全、耐用且值得信賴的儲存解決方案，讓使用者更加安心。