国产主控迎来春天 下一代SSD硬盘就用“中国芯”

2018-05-21 admin_ykcx 155

【PConline 杂谈】SSD硬盘逐渐取代HDD机械硬盘已经是大势所趋,2016年全球SSD硬盘出货1.5亿个,到2021年还将进一步增长到2.5亿个,市场价值高达300亿美元,这是存储市场的一片蓝海。可惜的是,目前这个市场主要被国外公司垄断,三星、东芝、美光、西数等公司是NAND闪存市场最大的赢家,唯一的好消息就是国内公司目前已经杀入存储市场,在NAND闪存、SSD主控等领域加速发展。

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  我们平时关注的存储公司主要是长江存储,因为他们正在建设国内最大的NAND生产基地。今天我们来关注一下国产主控芯片的情况,它也是存储市场中非常重要一部分,影响着SSD硬盘的性能、稳定性、可靠性。

SSD很常见,但你真的了解它的结构吗?

  SSD主卡到底有多重要,那我们首先来看看一个SSD都是由那些元件构成的。SSD硬盘我们见过很多种了,根据接口、大小等不同有多种分类,目前最常见的是SATA接口的2.5寸规格以及PCI-E通道的M.2 2280硬盘,U.2接口、AIC插卡式SSD硬盘主要用于工作站、服务器等市场,消费级市场比较少见。

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SSD结构示意图

  不论哪种规格尺寸,SSD硬盘内部的结构都是差不多的,通常包括PCB(含供电电路)、NAND闪存、SSD主控、接口等,还有一个并非必要但依然很重要的缓存芯片。

  最核心的部分其实就是NAND闪存和主控,从成本上来说NAND闪存大概能占SSD硬盘物料成本的70%或更多,目前128GB到1TB容量的SSD通常要使用2-8颗闪存芯片,主要来自三星、东芝、美光、西数(闪迪被西数收购)、英特尔、SK Hynix等公司,其中三星、西数、英特尔一般是自用较多,第三方品牌的SSD硬盘通常使用东芝、美光较多,SK Hynix除了自用之外在消费级SSD上很少见,OEM市场居多。

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颗粒印字模糊的多为黑片

  NAND闪存的学问就更多了,除了不同厂商不同技术不同类型之外,NAND闪存光是质量等级就有原厂、白片、黑片以及拆机片之分,不过有关闪存的内容不是今天的重点,以后有机会再说。

  至于缓存芯片,它不是SSD硬盘中必须的,这主要取决于主控类型,但是有了缓存颗粒显然会更好,因为缓存通常是DDR3或者DDR4,容量256MB到4GB之间,频率在1600到3200MHz之间,性能远高于NAND闪存,配备缓存可以大大提升SSD硬盘的性能,尤其是写入性能。

  其次就是主控了,一般来说主控芯片的成本占据SSD硬盘10-15%的比例,不是最贵的部件,但也是非常重要的。如果我们把SSD硬盘比作一个大货车,那么主控就相当于驾驶室,主控里的固件相当于驾驶员,它决定着货车怎么开。

  PCB以及外壳等其他部件是SSD中最便宜的,加起来占的成本也就15%左右,可能还会更低,这部分没多少技术含量,成本取决于厂商的供应链控制、管理。

SSD主控变迁:美系、台系先后崛起,下一步看大陆

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  NAND闪存是SSD硬盘中最重要的部分,但是生产NAND门槛很高,全球也只有三星、SK Hynix、东芝/西数、美光/英特尔四大阵营,他们几家几乎垄断了NAND市场,而建设一座12英寸NAND工厂,投资动辄数十亿美元,所以之前没有什么公司有勇气挑战他们。

  SSD主控芯片就不一样了,它的生产、制造可以交给台积电等代工厂解决,主控芯片设计也有成熟的ARM内核、DDR物理层等IP授权可用,研发难度大大降低,所以前几年涌现出了许多SSD主控公司。

  第一波崛起的SSD主控公司自然来自美国居多,我们熟悉的SandFroce、Marvell都是美系主控的代表,前几年中这两家公司竞相推出主控新品,尤其是在20nm节点之前,老玩家大概还记得SF-2281这颗经典主控吧,还有他们独特的压缩算法,当年也是人尽皆知。

浦科特

  Marvell也就是我们常叫的马牌,大众认知上也是顶级的主控品牌,浦科特的大多数型号都使用Marvell的主控,所以耐久性也特别好,长时间使用也不掉速。

  另一方面,随着SSD市场竞争的激烈,再加上SandForce多次被收购,这家美系主控公司开始衰落,新品跟不上市场了,最终被希捷收购,SF主控在市场上也少有人问津了,只剩下Marvell支撑。

▍ 台系主控趁机发力:

  SF衰落之后,崛起的是台湾SSD主控公司,其中JMicron起步较早,可惜并没有坚持下去,被后面的群联Phision、SMI慧荣击败了,其他公司如瑞昱、VIA威盛也尝试过SSD主控市场,但是影响力远不如群联、SMI这两家。

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  目前风头最劲的就是群联公司,除了主控技术优势之外,群联背后还有东芝入股,所以他们可以提供主控、闪存以及固件的一体方案,SSD厂商只要购买他们的方案就能快速生产出SSD硬盘,所以获得了厂商认可,而SMI虽然略输一筹,但是凭借更低的价格也获得了国内外SSD厂商的青睐。

  台系主控目前是SSD市场上的主流,甚至连英特尔的SSD硬盘都有采用,不过从2015年以来,国内厂商也陆续加大存储市场的投资,不少厂商就选择了SSD主控作为突破口,再加上国内半导体基金对存储芯片的扶植,国产主控今年开始崭露头角,假以时日势必要在国内市场大展身手。

国产主控市场:随国产NAND起舞,大基金助力

  在NAND闪存、DRAM内存市场上,中国厂商所需的芯片几乎100%依赖进口,所以国家半导体发展规划中就选择了存储芯片为突破口,特别是紫光主导的长江存储在武汉建设国内最大的存储芯片基地,一期投资240亿美元,主要生产3D NAND闪存,月产能高达30万片晶圆/月。

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  逐步解决NAND闪存供应问题之后,国内厂商也纷纷投资SSD主控芯片领域,形成国产NAND闪存+国产主控的真正自主产权,所以这几年涌现出了多家SSD主控厂商,比较知名的就有江波龙、国科微、忆芯、华澜微电子,还有偏重军工、企业级市场的中勃、一方信息等公司,另外还有台系厂商在大陆设立的子公司,比如群联就在合肥成立了兆芯科技,杭州联芸科技也有台资参与。

  总的来说,国内公开报道能找到的进军SSD主控市场的公司就不少于10家,数量上已经超越美国、台湾地区的公司。不过国内公司在主控领域依然是新兴力量,很多公司都是最近三五年才成立的,比如忆芯科技、联芸科技,即便有老牌半导体公司背景,SSD主控业务也是近年来才涉及的,所以绝大多数国产主控公司面临的问题主要是缺乏资金。

  在这样的背景下,中国的半导体大基金发挥了重要作用,通过参股、投资等方式为多家企业提供资金支持,毕竟研发一款芯片耗资都是数千万甚至上亿元。据公开报道,2015年6月28日,国科微电子宣布,其与国家集成电路产业投资基金股份有限公司在长沙签署合作协议。根据协议,大基金向国科微电子注资4亿元人民币,占股21.05%,成为第二大股东。

国产主控现状:技术、工艺追上来了,国密认证是亮点

  那么国产主控现在已经发展到了什么程度?以往评价国产芯片时人们总会说中国公司缺少技术、人才及资金,三个问题也是困扰国产主控的关键,不过这几年来情况已经大有改善,大基金的扶植使得这些公司不再缺少研发资金,国产主控的性能已经追上来了。

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联芸科技的SSD主卡实测表现

  成立于2014年的联芸科技在2017年的FMS存储会议上展示了SATA 6Gbps的MAS0902主控,它不需要缓存颗粒,搭配不同的闪存颗粒都可以达到560MB/s读取、520MB/s写入的性能,随机4K性能也在40或者48MB/s,整体性能已经不输Marvell、群联等公司的SATA主控

  在高端的PCI-E硬盘上,国内公司也实现了突破。2017年11月份,忆芯科技在北京举行发布会,推出了STAR1000 PCI-E主控芯片,支持 PCI-E 3.0 x4通道与NVMe 1.2协议,支持StarLDPC ECC引擎,支持ASE256以及TCG OPAL加密,能够适配目前已有的MLC/TLC/3D MLC/3D TLC多种闪存类型。

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  性能方面,STAR1000支持ONFI 4.0与Toggle DDR 3.0闪存接口,支持LPDD3/LPDDR4-2400缓存,连续读写速度晁盖3GB/s,写入速度超过2GB/s,随机读取、写入则达到了350K、300K,在当前的PCI-E主控中也是顶级水平。

建兴

  更重要的是,STAR1000主控使用的是台积电28nm HPC工艺,在制程工艺上遥遥领先国内主要的40-55nm水平,放在国外也是一流水准,群联、Marvell的高端SSD主控也是28nm工艺为主。

  除了性能追上国际水平之外,国产主控还有一个特别的优势,那就是支持国内认证的安全加密,这不仅是自主可控的要求,还是军工、特种行业的必备要求之一。以国科微为例,他们推出的第二代主控GK2301系列芯片硬件集成国密SM2/3/4加解密算法,获得中国信息安全测评中心、国家密码管理局双重认证。

总结:国产主控迎来春天,与国产闪存磨合尚需时间

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  经过国产公司的不懈努力以及大基金的支持,国内公司如今在SSD主控市场已经闯出了一片天地,困扰发展的技术、人才、资金等问题逐步缓解,总体水平上已经追上来了,并且在自主可控等要求上做到了海外公司做不到的地步,前途还是很光明的。

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  不过现在还不到国产主控骄傲的时候,先进水平的主控已经研发出来了,但是目前我们能使用的还是东芝、美光等主控,长江存储的国产NAND闪存量产并大规模上市还需要一两年时间,国产主控还需要跟国产闪存有个很长时间的磨合期,毕竟对SSD来说,可靠性是需要长时间检验的,国内主控公司依然缺少这方面的积累,这个急不得,只能在产品上积累磨合。