現(xiàn)今SSD主流已從當初的2.5吋SATA SSD進化到體積只有一半不到的M.2 NVMe SSD。當體積越小，代表了速度將有明顯地提升，延遲也會降低，而體積小的SSD也更能應用在更廣泛的地方，如車載系統(tǒng)、亦或是未來5G架構(gòu)系統(tǒng)的應用。NAND Flash為SSD內(nèi)部擔任儲存數(shù)據(jù)的組件，一般來說，影響NAND Flash數(shù)據(jù)保存，除了抹寫次數(shù)（PE/Cycle），溫度也是另一個因素；如在極端的條件下使用，在長時間與不同的溫度變化也會對NAND Flash數(shù)據(jù)保存（Data Retention）造成影響。為何這兩點會影響到SSD數(shù)據(jù)保存呢？我們簡單概述一下NAND Flash基本原理。

NAND Flash基本操作的主要三動作：寫入、讀取、抹除。

• 寫入: 數(shù)據(jù)在NAND Flash中是以電子形式（electrical charge）儲存。儲存電子的高低電位，取決于Control Gate所被施加的電壓（圖1），當一正電壓加于Control Gate時，傳送電子通過第一個絕緣體進入Floating Gate內(nèi)，當Floating Gate被注入負電子時，在位中1就會變成0，此時為寫入。
• 讀取: 當讀取數(shù)據(jù)時，同樣會在Control Gate施加電壓，吸住Floating Gate里的電子，利用電流來感應Floating Gate里的電子數(shù)量，靠感應到的電子數(shù)量轉(zhuǎn)換為二進制的0與1，最后輸出成數(shù)據(jù)，此時為讀取。
• 抹除: 當Control Gate加進負電壓時，會將電子傳送到Floating Gate外，而當負電子從Floating Gate移除后，位也就從0變回1，此時為抹除。

圖1

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隨著讀取、抹寫次數(shù)上升，電子多次穿越將造成漏電情況，也就是電子無法維持在Floating Gate，而導致數(shù)據(jù)錯誤。此類型情況也會隨著芯片制程提升（MLC->TLC），導致薄膜層越薄，使電子穿越所能承受的次數(shù)變的更少。另一方面，當SSD處于高溫下，也會影響電子的行為導致無法正確保存數(shù)據(jù)。針對上述情況，JEDEC固態(tài)技術(shù)協(xié)會已對一般客戶及企業(yè)訂出了溫度規(guī)范（圖2），可見溫度對于SSD數(shù)據(jù)存儲的影響不可小覷。

圖2

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SSD高溫老化測試案例分析

由于車用乃至于工業(yè)用的SSD，特別注重數(shù)據(jù)保存能力以及可在高溫下維持功能與性能（如延遲時間（Latency））。百佳泰針對溫度是否會對SSD數(shù)據(jù)保存（Data Retention）造成影響，特別挑選四個市面上常見M.2 NVMe SSD來進行高溫老化測試，利用長時間高溫加速老化，觀察這些SSD在接近壽命終點時的情況。

在進行測試實驗前，我們已將這些SSD維持相同的條件：已經(jīng)使用過一段時間、并寫入了大量的數(shù)據(jù)（寫入數(shù)據(jù)內(nèi)容依據(jù)JEDEC協(xié)會規(guī)范制定）。在確認SSD狀態(tài)以及SMART（Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology）皆正常后，將SSD斷電放進烤箱，設置4種不同時間與溫度進行測試。當完成指定的長時間溫度測試后，再將SSD從烤箱取出，最終在測試儀器上執(zhí)行SSD SMART檢查以及全碟讀取檢查。 (圖3)

圖3

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Phase 0: 40°C/24HR

第一階段測試我們先用正常溫度40°C來檢視這4個SSD狀態(tài)，作用于基準值并跟后續(xù)高溫測試進行比較。從圖4來看，經(jīng)過40°C/24HR后，4個SSD在執(zhí)行全碟讀取檢查的運行時間相差不大；但SSD A所需的時間較其他三個長一些。

另從全碟讀取檢查的指令響應時間統(tǒng)計百分比來看（圖5），SSD A的延遲時間在Rank B區(qū)間較其他三顆稍多了些。

圖4

圖5

(Rank A低于0.5mSec，代表延遲低，性能好；而當Rank高于10mSec，則代表延遲高，性能差。故Rank能集中在AB是相對好的)

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Phase 1: 125°C/24HR

第二階段測試我們進入高溫狀態(tài)（125°C）并連續(xù)24小時烘烤SSD，來觀察125度高溫是否對SSD有影響。從圖6來看，經(jīng)過125°C/24HR后，4個SSD在執(zhí)行全碟讀取檢查的運行時間都因為高溫而變長；而SSD A在這階段的測試里所需的時間也相較于其他3顆明顯變得更長，從結(jié)果判斷得知SSD A會因高溫而影響效率。

從全碟讀取檢查的指令響應時間統(tǒng)計百分比來看，SSD A開始在Rank C/D出現(xiàn)些許延遲的現(xiàn)象；SSD B也表現(xiàn)出輕微的延遲，SSD C & D則未有明顯的影響。到目前為止4個SSD尚未出現(xiàn)狀態(tài)錯誤（SMART error），或command error的情況發(fā)生。

圖6

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Phase 2: 125°C/120HR

從Phase 1結(jié)果來看，4個SSD的性能尚未分出勝負。這一階段，我們一樣維持125度，但將時間拉長5倍到120HR觀察。從圖7來看，經(jīng)過125°C/120HR后，4個SSD都因為長時間高溫讓執(zhí)行全碟讀取檢查的運行時間拉長，尤以SSD A來看，所需的時間竟拉到了近5小時之高。

從全碟讀取檢查的指令響應時間統(tǒng)計百分比來看， SSD A因在長時間及高溫的狀態(tài)下，呈現(xiàn)高延遲現(xiàn)象；相較于Phase 1的Rank D數(shù)據(jù)，竟達12倍之多的差距（18.8%）。此外，SSD B也不遑多讓，延遲時間相對提升；而SSD D也在此時開始出現(xiàn)延遲的情況（Rank B）。

在這一階段測試環(huán)節(jié)中，SSD C全身而退，尚未出現(xiàn)任何影響。到目前為止4顆SSD也還未出現(xiàn)狀態(tài)錯誤（SMART error），及command error情況發(fā)生。

圖7

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?Final Phase: 150°C/168HR

從先前3個測項結(jié)果來看，4個SSD尚未出現(xiàn)狀態(tài)錯誤（SMART error），但已有兩個SSD出現(xiàn)明顯延遲，導致性能顯著下降。為了測試極端狀況并加速老化速度，在最后一項測試環(huán)節(jié)我們將溫度提升至150度，時間拉長7倍，總共168HR，從中觀察這4個SSD在極端條件會出現(xiàn)什么樣的情況。

從測試結(jié)果中（圖8）我們發(fā)現(xiàn)SSD A在烤完拿到儀器上開始執(zhí)行全碟讀取檢查時就出現(xiàn)問題，除無法正常讀取外，SSD固件回報也呈現(xiàn)狀態(tài)錯誤（SMART error）。而SSD C & SSD D則是在全碟讀取檢查撐了一段時間后才出現(xiàn)error無法完成讀取，隨后也出現(xiàn)SSD固件回報狀態(tài)錯誤（SMART error）。在最終測試環(huán)節(jié)中，只有SSD B脫穎而出，能完成全碟讀取檢查；SSD A、C、D在全碟讀取檢查過程均發(fā)生command error情況，只有SSD B未出現(xiàn)狀態(tài)錯誤（SMART error）及無command error的情況產(chǎn)生。

圖8

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測試總結(jié)

縱觀上述測試，我們可以發(fā)現(xiàn)隨著長時間與溫度的增加，部分SSD在執(zhí)行全碟檢查時效率下降；其中3個SSD也因時間不斷的拉長以及溫度的提升最終導致因數(shù)據(jù)保存出現(xiàn)問題而產(chǎn)生讀取錯誤的情況。從低延遲時間級距Rank A來看，隨著溫度與時間不斷增加，造成延遲時間的情況也隨之加深，并導致控制器糾錯時間增加，響應時間拉長。

值得一提的是，SSD B表現(xiàn)優(yōu)異，除順利通過長時間高溫測試外，在全碟讀取檢查延遲時間也都保持在高水平之上，相對其他3個SSD可靠不少。

圖9

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結(jié)語

經(jīng)過長時間高溫的嚴峻測試，大部分SSD已無法負荷而出現(xiàn)數(shù)據(jù)保存問題，然而，還是有SSD能通過嚴苛的測試環(huán)境。雖現(xiàn)今M.2 NVMe SSD會因體積及散熱等問題出現(xiàn)資料保存錯誤情況，但還是可以透過原料控制，以及控制器固件調(diào)校技術(shù)，讓SSD能在嚴苛的條件中執(zhí)行存取任務，完整保留數(shù)據(jù)，維持數(shù)據(jù)正確性。除了本次的測試案例外，百佳泰也可依照客戶需求，針對溫度/時間進行客制化、階梯化設置，為您的產(chǎn)品迅速找出極限點；并從所提供的詳細測試報告中協(xié)助您改善產(chǎn)品弱點，提升市場競爭力！