深度分析SSD主控市場(chǎng)

隨著 3D NAND 擴(kuò)大應(yīng)用和封裝技術(shù)的進(jìn)步，SSD Form Factor 已經(jīng)發(fā)生了革命性的變化。SSD 從當(dāng)初的 2.5 英寸規(guī)格形態(tài)，到 mSATA、 M.2（2280/2260），再到高集成 BGA 封裝，其尺寸大小已可以做到與嵌入式產(chǎn)品 eMMC/UFS 相當(dāng)，等于打開了 SSD 在移動(dòng)智能終端市場(chǎng)應(yīng)用的新契機(jī)。

BGA SSD向芯片級(jí)發(fā)展來源于3D NAND更高容量的推動(dòng)力。西部數(shù)據(jù)/閃迪曾在2013年推出的嵌入式iSSD，尺寸大小為16mm*20mm。由于當(dāng)時(shí)Flash原廠主流1nm工藝單科Die容量?jī)H64Gb，128GB容量SSD至少需要16顆Die堆疊，良率和性能無法保障。隨著3D NAND技術(shù)的發(fā)展，2018年64層/72層3D NAND單顆Die容量512Gb會(huì)成為主流，128GB容量SSD只需要2顆Die堆疊，良率大幅提升。

2017年三星已退出的BGA SSD提供128GB、256GB和512GB容量，東芝BGA封裝的BG3系列SSD也已在年底大規(guī)模出貨，尺寸大小均為16mm*20mm。值得注意的是，國(guó)內(nèi)江波龍推出的BGA SSD尺寸更小，其11.5mm*13mm尺寸大小與嵌入式eMMC/UFS相當(dāng)，使得BGA SSD有望在移動(dòng)市場(chǎng)打開一片新天地。2018年預(yù)計(jì)三星也將推出11.5mm*13mm尺寸的BGA封裝的SSD，11.5mm*13mm更小尺寸的BGA封裝已成為SSD發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。

圖1 SSD Form Factor 變化

Marvell、慧榮、群聯(lián)占據(jù) SSD 控制芯片廠主流市場(chǎng)，2018 年國(guó)內(nèi)主控廠商崛起

目前控制芯片市場(chǎng)大致分為三個(gè)等級(jí)，第一等級(jí)是三星、東芝、英特爾、SK 海力士等原廠陣營(yíng)，他們具有生產(chǎn) NAND Flash，以及研發(fā)控制芯片的能力，主要用于自家 SSD 產(chǎn)品，且基本不對(duì)外供應(yīng)。第二等級(jí)是 Marvell、慧榮、群聯(lián)等主控廠商，占據(jù)大部分非原廠的 SSD 市場(chǎng)。第三等級(jí)是國(guó)內(nèi)主控廠，在國(guó)家政策扶持下正在快速崛起。

應(yīng)對(duì) NAND Flash 技術(shù)由 2D NAND 向 3D NAND 轉(zhuǎn)變，主流的主控廠 Marvell、慧榮、群聯(lián)等 SSD 控制芯片的糾錯(cuò)技術(shù)已從 BCH 過渡到 LDPC。在 SSD 由 SATA 向 PCIe 接口爆發(fā)之際，Marvell 88NV1160、88SS1092、88SS1093 等多款 PCIe SSD 控制芯片除了與國(guó)內(nèi)江波龍公司長(zhǎng)期合作，還與金泰克達(dá)成戰(zhàn)略合作，都將在 2018 年推出 PCIe SSD 新品搶占新版圖?；蹣s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 協(xié)議，并與國(guó)內(nèi)品牌廠金泰克、七彩虹、臺(tái)電等搶占 PCIe SSD 市場(chǎng)先機(jī)。群聯(lián)支持 PCIe SSD 的控制芯片是 PS5007-E7 和 PS5008-E8/E8T，還將在 2018 年 Q2 出貨新 SSD 控制芯片 PS3112 和 PS5012，并與金士頓合作將針對(duì)高速、大容量的 PCIe SSD 推出全系列新品。

目前雖然 Marvell、慧榮、群聯(lián)占據(jù)大部分 SSD 控制芯片市場(chǎng)，但在市場(chǎng)定制化、技術(shù)支持、固件開發(fā)等方面不能完全滿足客戶需求，再加上國(guó)家政策鼓勵(lì)國(guó)內(nèi)企業(yè)在芯片制造、IC 設(shè)計(jì)、封裝、測(cè)試等方面自主研發(fā)，提高創(chuàng)新能力，國(guó)內(nèi)主控廠國(guó)科微、聯(lián)蕓、憶芯等正在快速崛起。其中國(guó)科微 SATA SSD 控制芯片 GK2301 支持國(guó)密SM2/3/4 加解密算法，并通過了獲得 EAL3 級(jí)別安全認(rèn)證，成為首款國(guó)內(nèi)國(guó)密、國(guó)測(cè)雙認(rèn)證 SSD 控制芯片。聯(lián)蕓完全自主研發(fā)設(shè)計(jì)的 SSD 控制芯片 MAS090X，獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局頒布的集成電路布圖設(shè)計(jì)登記證書，還將推出支持PCIe NVMe 接口的 MAP090X 高端 SSD 控制芯片。2018 年國(guó)內(nèi)主控廠商將展現(xiàn)其實(shí)力，目標(biāo)客戶將瞄準(zhǔn)威剛、金泰克、影馳、七彩虹、佰維等客戶群體，搶占 Marvell、慧榮、群聯(lián)的 SSD 市場(chǎng)份額。

圖2 主控廠市場(chǎng)分析

2018 年單個(gè)存儲(chǔ)單元 4bit QLC 的到來，對(duì)主控技術(shù)是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)

2018 年很重要的是 QLC 將會(huì)出現(xiàn)在大家的視野當(dāng)中，對(duì)于 QLC 而言，單顆 Die 的容量達(dá)到 1Tbit，三星在 2017 年 9 月份的中國(guó)閃存市場(chǎng)峰會(huì)（CFMS2017）上表示，QLC 將使 SSD 容量推高至 128TB。之所以 SSD 有這么高的容量，是因?yàn)?QLC 的單個(gè)存儲(chǔ)單元可以保存 4bit 信息，相較于 TLC 的單個(gè)存儲(chǔ)單元保存 3bit 容量更大。

2016 年 NAND Flash 由 2D 向 3D 轉(zhuǎn)變，2017 年三星、東芝、美光、SK 海力士等 64 層/72 層 3D NAND 紛紛實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。相比較 2D NAND 而言，3D NAND 帶來了優(yōu)異的性能參數(shù)，單顆 Die 容量實(shí)現(xiàn)翻番，可靠性大幅提升，性能、成本等變化明顯，但同時(shí)對(duì)控制芯片也提出了更高的要求?？刂菩酒枰獙?shí)現(xiàn)一系列有針對(duì)性的升級(jí)，比如：重讀機(jī)制，讀刷新，One-shot 編程等，更為重要的是糾錯(cuò)算法由 BCH 過渡到 LDPC，需要實(shí)現(xiàn)硬判決和軟判決算法來保證糾錯(cuò)的性能，同時(shí)很多控制芯片內(nèi)部需要實(shí)現(xiàn) RAID 技術(shù)來提高 NAND 的可靠性，保證數(shù)據(jù)安全。

QLC 制造工藝相比 TLC（需要 8 種電壓范圍）有更高的 要求，可能需要 16 種電壓范圍。因此，最初的 QLC 產(chǎn)品質(zhì) 量會(huì)較為一般，同時(shí) NAND Flash 會(huì)經(jīng)歷 TLC 向 QLC 迭代提 升的過程，就好像 MLC 向 TLC 過渡一樣。對(duì)于控制芯片而 言，QLC 會(huì)是一個(gè)全新的挑戰(zhàn)，需要更強(qiáng)的編解碼算法， 需要獲取更精確的軟信息來增強(qiáng)糾錯(cuò)性能；同時(shí)需要更精 細(xì)的讀電壓調(diào)整，更復(fù)雜的重讀機(jī)制等手段來保證 QLC 的 可靠性。

圖5 SLC、MLC、TLC、QLC區(qū)別

公共汽車、智能汽車、無人駕駛等數(shù)據(jù)存儲(chǔ)對(duì) SSD 需求龐大

隨著人們對(duì)安全出行和安全駕駛的重視，城市公交車、長(zhǎng)途巴士、火車等移動(dòng)公共設(shè)施都可見車載 WIFI、車載視頻監(jiān)控等應(yīng)用。車載 WIFI 終端一般需要承載電影、視頻、音樂等資源，讓智能型手機(jī)、平板、筆記本等移動(dòng)設(shè)備輕松上網(wǎng)，以及訪問本地資源。車載視頻監(jiān)控終端大多是高清攝像頭，24 小時(shí)不間斷錄制。不僅需要高存儲(chǔ)空間，還要求存儲(chǔ)設(shè)備高可靠性、高性能，以及滿足長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行所具備的防震、抗摔、耐高溫、防塵/沙等特殊要求。

SSD 可提供 32GB-1TB 不同容量的選擇，而且 PCIe SSD 具有高效處理數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，更重要的是相較于 HDD 傳統(tǒng)硬盤更符合防震、抗摔、耐高溫等極端環(huán)境存儲(chǔ)的特性，同時(shí)更小尺寸的 BGA 封裝 SSD 還可為多樣化需求的汽車客戶提供更靈活的定制化解決方案。

另外，以安全為核心的汽車駕駛輔助系統(tǒng) ADAS 應(yīng)用增加，ADAS 支持偵測(cè)/避讓、車道偏離警報(bào)、盲點(diǎn)偵測(cè)、緊急制動(dòng)、疲勞監(jiān)控等，這些需要大量 CMOS 傳感器、MEMS 傳感器、雷達(dá)等感知環(huán)境，新一代 ADAS 需要大容量存儲(chǔ)和高效運(yùn)算支撐系統(tǒng)的快速反應(yīng)，尤其是圖像傳感器的數(shù)量和分辨率不斷提升，會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

圖6 車載WIFI路由器

未來無人駕駛汽車（感應(yīng)+認(rèn)知+行動(dòng)）將變?yōu)榭赡?，將配備大量的傳感系統(tǒng)，比如：GPS 接收器、激光雷達(dá)、超聲波傳感器，以及高清攝像頭等，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛汽車提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為參數(shù)。未來智能汽車或無人駕駛，不僅是交通工具，更是信息匯總、數(shù)據(jù)計(jì)算和傳輸中心，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理能力的要求會(huì)越來越高，對(duì) SSD 需求更大。

圖7 車載DVR錄像機(jī)