深度分析SSD主控市场

时间:2019-07-11 08:31:12 分享到:

随着 3D NAND 扩大应用和封装技术的进步,SSD Form Factor 已经发生了革命性的变化。SSD 从当初的 2.5 英寸规格形态,到 mSATA、 M.2(2280/2260),再到高集成 BGA 封装,其尺寸大小已可以做到与嵌入式产品 eMMC/UFS 相当,等于打开了 SSD 在移动智能终端市场应用的新契机。

BGA SSD向芯片级发展来源于3D NAND更高容量的推动力。西部数据/闪迪曾在2013年推出的嵌入式iSSD,尺寸大小为16mm*20mm。由于当时Flash原厂主流1nm工艺单科Die容量仅64Gb,128GB容量SSD至少需要16颗Die堆叠,良率和性能无法保障。随着3D NAND技术的发展,2018年64层/72层3D NAND单颗Die容量512Gb会成为主流,128GB容量SSD只需要2颗Die堆叠,良率大幅提升。

2017年已退出的BGA SSD提供128GB、256GB和512GB容量,BGA封装的BG3系列SSD也已在年底大规模出货,尺寸大小均为16mm*20mm。值得注意的是,国内江波龙推出的BGA SSD尺寸更小,其11.5mm*13mm尺寸大小与嵌入式eMMC/UFS相当,使得BGA SSD有望在移动市场打开一片新天地。2018年预计三星也将推出11.5mm*13mm尺寸的BGA封装的SSD,11.5mm*13mm更小尺寸的BGA封装已成为SSD发展的风向标。

 

 

 

图1  SSD Form Factor 变化
 

Marvell、慧荣、群联占据 SSD 控制芯片厂主流市场,2018 年国内主控厂商崛起
目前控制芯片市场大致分为三个等级,第一等级是三星、东芝、特尔、SK 海力士等原厂阵营,他们具有生产 NAND Flash,以及研发控制芯片的能力,主要用于自家 SSD 产品,且基本不对外供应。第二等级是 Marvell、慧荣、群联等主控厂商,占据大部分非原厂的 SSD 市场。第三等级是国内主控厂,在国家政策扶持下正在快速崛起。

应对 NAND Flash 技术由 2D NAND 向 3D NAND 转变,主流的主控厂 Marvell、慧荣、群联等 SSD 控制芯片的纠错技术已从 BCH 过渡到 LDPC。在 SSD 由 SATA 向 PCIe 接口爆发之际,Marvell 88NV1160、88SS1092、88SS1093 等多款 PCIe SSD 控制芯片除了与国内江波龙公司长期合作,还与金达成战略合作,都将在 2018 年推出 PCIe SSD 新品抢占新版图。慧荣在 2017 年推出的新一代 SSD 控制芯片SM2262、SM2263、SM2263XT,支持 PCIe 3.0 x4 通道,支持最新的 NVMe 1.3 协议,并与国内品牌厂金泰克、七彩虹、台电等抢占 PCIe SSD 市场先机。群联支持 PCIe SSD 的控制芯片是 PS5007-E7 和 PS5008-E8/E8T,还将在 2018 年 Q2 出货新 SSD 控制芯片 PS3112 和 PS5012,并与金士顿合作将针对高速、大容量的 PCIe SSD 推出全系列新品。

目前虽然 Marvell、慧荣、群联占据大部分 SSD 控制芯片市场,但在市场定制化、技术支持、固件开发等方面不能完全满足客户需求,再加上国家政策鼓励国内企业在芯片制造、IC 设计、封装、测试等方面自主研发,提高创新能力,国内主控厂国科微、联芸、忆芯等正在快速崛起。其中国科微 SATA SSD 控制芯片 GK2301 支持国密SM2/3/4 加解密算法,并通过了获得 EAL3 级别安全认证,成为首款国内国密、国测双认证 SSD 控制芯片。联芸完全自主研发设计的 SSD 控制芯片 MAS090X,获得国家知识产权局颁布的集成电路布图设计登记证书,还将推出支持PCIe NVMe 接口的 MAP090X 高端 SSD 控制芯片。2018 年国内主控厂商将展现其实力,目标客户将瞄准威刚、金泰克、影驰、七彩虹、佰维等客户群体,抢占 Marvell、慧荣、群联的 SSD 市场份额。

 

图2 主控厂市场分析
 

 

 


2018 年单个存储单元 4bit QLC 的到来,对主控技术是一个全新的挑战
2018 年很重要的是 QLC 将会出现在大家的视野当中,对于 QLC 而言,单颗 Die 的容量达到 1Tbit,三星在 2017 年 9 月份的中国闪存市场峰会(CFMS2017)上表示,QLC 将使 SSD 容量推高至 128TB。之所以 SSD 有这么高的容量,是因为 QLC 的单个存储单元可以保存 4bit 信息,相较于 TLC 的单个存储单元保存 3bit 容量更大。

2016 年 NAND Flash 由 2D 向 3D 转变,2017 年三星、东芝、美光、SK 海力士等 64 层/72 层 3D NAND 纷纷实现量产。相比较 2D NAND 而言,3D NAND 带来了优异的性能参数,单颗 Die 容量实现翻番,可靠性大幅提升,性能、成本等变化明显,但同时对控制芯片也提出了更高的要求。控制芯片需要实现一系列有针对性的升级,比如:重读机制,读刷新,One-shot 编程等,更为重要的是纠错算法由 BCH 过渡到 LDPC,需要实现硬判决和软判决算法来保证纠错的性能,同时很多控制芯片内部需要实现 RAID 技术来提高 NAND 的可靠性,保证数据安全。  

 
 

QLC 制造工艺相比 TLC(需要 8 种电压范围)有更高的   要求,可能需要 16 种电压范围。因此,最初的 QLC 产品质    量会较为一般,同时 NAND Flash 会经历 TLC 向 QLC 迭代提 升的过程,就好像 MLC 向 TLC 过渡一样。对于控制芯片而  言,QLC 会是一个全新的挑战,需要更强的编解码算法, 需要获取更精确的软信息来增强纠错性能;同时需要更精    细的读电压调整,更复杂的重读机制等手段来保证 QLC 的    可靠性。

 

图5 SLC、MLC、TLC、QLC区别
 

公共汽车、智能汽车、无人驾等数据存储对 SSD 需求庞大
随着人们对安全出行和安全驾驶的重视,城市公交车、长途巴士、火车等移动公共设施都可见车载 WIFI、车载视频监控等应用。车载 WIFI 终端一般需要承载电影、视频、音乐等资源,让智能型手机、平板、笔记本等移动设备轻松上网,以及访问本地资源。车载视频监控终端大多是高清摄像头,24 小时不间断录制。不仅需要高存储空间,还要求存储设备高可靠性、高性能,以及满足长时间运行所具备的防震、抗摔、耐高温、防尘/沙等特殊要求。

SSD 可提供 32GB-1TB 不同容量的选择,而且 PCIe SSD 具有高效处理数据的优势,更重要的是相较于 HDD 传统硬盘更符合防震、抗摔、耐高温等极端环境存储的特性,同时更小尺寸的 BGA 封装 SSD 还可为多样化需求的汽车客户提供更灵活的定制化解决方案。

另外,以安全为核心的汽车驾驶辅助系统 ADAS 应用增加,ADAS 支持侦测/避让、车道偏离警报、盲点侦测、紧急制动、疲劳监控等,这些需要大量 CMOS 传感、MEMS 传感器、雷达等感知环境,新一代 ADAS 需要大容量存储和高效运算支撑系统的快速反应,尤其是图像传感器的数量和分辨率不断提升,会产生海量数据存储需求。

 

图6 车载WIFI路由器
 

未来无人驾驶汽车(感应+认知+行动)将变为可能,将配备大量的传感系统,比如:GPS 接收器、激光雷达、超声波传感器,以及高清摄像头等,为实现自动驾驶汽车提供基础数据作为参数。未来智能汽车或无人驾驶,不仅是交通工具,更是信息汇总、数据计算和传输中心,对数据存储和处理能力的要求会越来越高,对 SSD 需求更大。

 

图7 车载DVR录像机

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