PCIe 5.0進(jìn)入快車道 加速NAND的迭代升級(jí)

隨著200+層3D NAND的問(wèn)世，PCIe 5.0 SSD的普及進(jìn)入快車道，并將為高速數(shù)據(jù)讀寫釋放出更大能力。

作者：豐寧

7月26日，美國(guó)存儲(chǔ)芯片巨頭美光發(fā)表公告稱，原定于今年年底開始量產(chǎn)的全球首款232層3D NAND芯片已經(jīng)提前量產(chǎn)，預(yù)示著3D NAND芯片進(jìn)入200+層時(shí)代。

8月3日，SK海力士宣布基于其4D NAND閃存技術(shù)，已成功研發(fā)業(yè)界首款最高層數(shù)238層NAND閃存，顯著改善生產(chǎn)效率、數(shù)據(jù)傳輸速度、功耗等特性，并于明年量產(chǎn)。

當(dāng)日，長(zhǎng)江存儲(chǔ)也正式發(fā)布了基于晶棧（Xtacking）3.0技術(shù)的第四代TLC三維閃存X3-9070，雖然具體堆疊層數(shù)并未公開，但是官方表示X3-9070具有更出色的性能、更佳的耐用性以及高質(zhì)量可靠性。

200+層NAND芯片是存儲(chǔ)芯片創(chuàng)新性的分水嶺，給SSD也提供了更為強(qiáng)大的存儲(chǔ)動(dòng)力。

SSD是以閃存為存儲(chǔ)介質(zhì)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。近幾年搭上PCIe NVMe的東風(fēng)，SSD的速度突飛猛進(jìn)，如今已發(fā)展到PCIe5.0 SSD，與此同時(shí)也對(duì)NAND提出了更高的要求。

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PCIe?5.0?SSD對(duì)NAND的閃存需求

PCle SSD指的是PCle接口固態(tài)硬盤，較新的 PCIe 標(biāo)準(zhǔn)使電腦能夠最大限度地發(fā)揮最新的 GPU 和固態(tài)硬盤的潛能。當(dāng)前主流應(yīng)用的PCIe技術(shù)是PCIe 4.0，而PCIe5.0具有更為卓越的內(nèi)存、存儲(chǔ)容量和分段功能且速度也是 PCIe 4.0 的兩倍。因此PCIe5.0的SSD不僅需要強(qiáng)力的主控，閃存接口的速度也要相當(dāng)快。

在進(jìn)一步提升性能方面，美光與SK海力士的200+層NAND本次展現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)也是可圈可點(diǎn)。

美光首次使用了6平面設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)并發(fā)讀寫能力。新閃存還首次使用了ONFi 5.0標(biāo)準(zhǔn)中新引入的NV-LPDDR4接口，支持高達(dá)2400MT/s的閃存接口帶寬，從而為PCIe 5.0 SSD提供動(dòng)力。美光232層3D TLC NAND的量產(chǎn)，為新一代PCIe 5.0旗艦級(jí)SSD鋪平了道路，并將為4通道平價(jià)PCIe 4.0 SSD實(shí)現(xiàn)7000MB/s全速讀寫提供助力。

根據(jù)SK海力士的238層NAND閃存已公布數(shù)據(jù)其傳輸速度為2.4Gbps，相比前一代產(chǎn)品提高了50%，芯片讀取數(shù)據(jù)時(shí)的能消也減少21%，為PCIe 5.0 SSD大幅節(jié)省能源開支。另外SK海力士計(jì)劃先為cSSD（client SSD，主要應(yīng)用范圍為PC用存儲(chǔ)設(shè)備）供應(yīng)238層NAND閃存，隨后將其導(dǎo)入范圍逐漸延伸至智能手機(jī)和高容量的服務(wù)器SSD等。

目前PCIe 4.0 SSD上主要應(yīng)用1200MT/s的閃存，并在8通道主控的幫助下實(shí)現(xiàn)了7GB/s的讀取速度；經(jīng)測(cè)試1600MT/s的NAND能夠讓PCIe 4.0 SSD的讀取速度最終達(dá)到7.4GB/s的理論上限。因此美光發(fā)布的2400MT/s接口速率的新一代3D NAND供PCIe 5.0使用已完全足夠，另外功耗方面SK海力士也將PCIe 5.0 SSD推上新高度。

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NAND閃存層數(shù)迭代

五巨頭爭(zhēng)霸

進(jìn)入2022年，隨著支持PCIe 5.0的平臺(tái)如英特爾第四代至強(qiáng)可擴(kuò)展處理器推出，我們發(fā)現(xiàn)，其實(shí)NVMe SSD早就在為PCIe 5.0的到來(lái)布局了。相關(guān)存儲(chǔ)芯片大廠如三星、SK海力士、美光科技、鎧俠與西部數(shù)據(jù)等一直在加速NAND的迭代升級(jí)。

五巨頭NAND發(fā)展進(jìn)程

2020年之前三星一直占據(jù)3D NAND的層數(shù)迭代優(yōu)勢(shì)，其176層3D NAND已于今年第一季度量產(chǎn)。今年2月初，三星又發(fā)出公告稱，將在2022年底或2023年上半年推出200層以上的3D NAND芯片，并在2023年上半年開始量產(chǎn)。預(yù)計(jì)三星第一款200層以上3D NAND芯片將達(dá)到224層。

企業(yè)鎧俠與西部數(shù)據(jù)也共同表示，將在2022年底量產(chǎn)162層3D NAND，并于2024年之前推出200層以上的3D NAND芯片。

SK海力士和美光雖然入局相對(duì)較晚，卻在技術(shù)迭代速度上更勝一籌。在2020年底美光與SK海力士相繼搶先于三星突破176層NAND技術(shù)，如今又在200層以上NAND占領(lǐng)先機(jī)，足以展現(xiàn)兩家廠商在閃存技術(shù)的強(qiáng)硬實(shí)力。

值得一提的是SK海力士在近日舉行的第二季度業(yè)績(jī)發(fā)布會(huì)上還曾透露正計(jì)劃在年內(nèi)完成238層NAND試產(chǎn)，并在2023年上半年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

如今五大存儲(chǔ)巨頭都在向NAND層數(shù)發(fā)力，隨著層數(shù)越多，單位空間存儲(chǔ)密度就越大，總存儲(chǔ)容量越容易提升，因此可以說(shuō)堆疊層數(shù)是 NAND容量增長(zhǎng)的最重要參數(shù)嗎？

層數(shù)越高容量越大？

NAND閃存堆疊技術(shù)在原理上基本類似，即通過(guò)堆疊的方式，實(shí)現(xiàn)在更小的空間和面積完成更大的存儲(chǔ)容量。但是不同的廠商采用工藝不同，比如三星的COP架構(gòu)、SK海力士的PUC架構(gòu)、美光的CuA架構(gòu)等等，導(dǎo)致層數(shù)標(biāo)準(zhǔn)也有輕微差異。

在低層級(jí)的時(shí)候，3D堆疊確實(shí)能夠顯著提升閃存的性能，但是隨著層數(shù)的增加，工藝加工難度相應(yīng)變大，此外散熱和單元的均勻性也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，就需要在技術(shù)、成本和性能之間尋找一個(gè)平衡。

半導(dǎo)體行業(yè)專家池憲念也指出除了用堆疊層數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)閃存產(chǎn)品以外，還需要對(duì)接口速度、可靠性、隨機(jī)讀取性能、低能耗、增加每單元位數(shù)等方面的指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

因此，過(guò)度關(guān)注層數(shù)可能是一種誤導(dǎo)，層數(shù)至上并非完全可取。

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NAND發(fā)展助推企業(yè)級(jí)PCle 5.0 SSD

根據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)顯示，企業(yè)級(jí)SSD方面，來(lái)自超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的采購(gòu)訂單依然強(qiáng)勁，帶動(dòng)SSD采購(gòu)量持續(xù)增長(zhǎng)。預(yù)計(jì)2022年第三季度全球企業(yè)級(jí) SSD 采購(gòu)量環(huán)比增長(zhǎng)10%。

PCIe 5.0 標(biāo)準(zhǔn)憑借優(yōu)異的讀寫性能以及延遲特性，能滿足新型服務(wù)器更低延遲和更快傳輸能力的需求，因此谷歌、亞馬遜、Facebook、阿里云、百度、騰訊等主流云計(jì)算廠商都將企業(yè)級(jí)PCIe 5.0 SSD視為大數(shù)據(jù)運(yùn)用場(chǎng)景下的最優(yōu)選擇。

PCIe從4.0發(fā)展到5.0，企業(yè)級(jí)SSD的性能標(biāo)準(zhǔn)從7GB/s變成了14GB/s。數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增加，企業(yè)級(jí)SSD的容量需求越來(lái)越大，大容量SSD里面的NAND數(shù)量也在成倍增加。NAND數(shù)量越多，對(duì)信號(hào)帶來(lái)的負(fù)載就越大；SSD的性能越高，對(duì)NAND實(shí)際達(dá)成的接口速率、信號(hào)完整性的要求也越高，因此NAND技術(shù)是企業(yè)級(jí)PCIe5.0 SSD發(fā)展的基石。

預(yù)計(jì)到2025年，國(guó)內(nèi)企業(yè)級(jí)SSD市場(chǎng)規(guī)模將增至489億元，5年間復(fù)合增速約25%，而PCIe SSD市場(chǎng)份額比例將增至90%。隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)一步推進(jìn)，云計(jì)算、5G、大數(shù)據(jù)和人工智能應(yīng)用不斷創(chuàng)新，數(shù)字產(chǎn)業(yè)規(guī)模還將進(jìn)一步增長(zhǎng)，企業(yè)級(jí)PCIe 5.0 SSD作為基礎(chǔ)IT硬件設(shè)施，市場(chǎng)增長(zhǎng)空間廣闊。

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PCle 5.0 SSD如何降本？

TrendForce數(shù)據(jù)顯示，由于鎧俠和西部數(shù)據(jù)的產(chǎn)量逐月增長(zhǎng)以及消費(fèi)電子需求疲軟將導(dǎo)致2022年第三季度NAND 閃存市場(chǎng)價(jià)格將下跌0~5%，與此同時(shí)帶動(dòng)客戶端 SSD 價(jià)格預(yù)計(jì)將下降約3-8%。

可見(jiàn) NAND作為SSD成本最高的組分，也決定著SSD的價(jià)格上下浮動(dòng)，隨之降低 NAND的價(jià)格也成了PCle 5.0 SSD的降本之源，為進(jìn)一步推動(dòng)PCle 5.0 SSD在消費(fèi)級(jí)的發(fā)展各存儲(chǔ)大廠還需找到新的解決方法來(lái)滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的存儲(chǔ)需求。

比如鎧俠的柳茂知表示：沒(méi)有必要以厚度增加為代價(jià)一味增加堆疊層數(shù)，并且鎧俠將不再熱衷3D NAND層數(shù)堆疊，今后會(huì)致力于尋找新思路提升平面存儲(chǔ)密度。

在新材料方面，NAND-Flash 層堆棧的 z-shrink 涉及擠壓用于創(chuàng)建字線層的材料，包括字線金屬，各廠商正在嘗試通過(guò)引入在小尺寸下可能具有較低電阻率的替代金屬材料比如Ru和Mo等。

在技術(shù)方面，以往SSD均采用SLC（單層式儲(chǔ)存）、MLC（雙層式儲(chǔ)存）、TLC芯片架構(gòu)（三層式儲(chǔ)存），其中TLC比較普遍。但隨著科技迅猛發(fā)展和用戶需求的增長(zhǎng)，正在轉(zhuǎn)向使用QLC（四層式儲(chǔ)存）架構(gòu)。QLC存儲(chǔ)單元陣列的存儲(chǔ)密度可以是TLC的1.33倍，每存儲(chǔ)容量的制造成本將降低25％，這種方式也被視為實(shí)現(xiàn)3D NAND成本降低的一種辦法。

相信在接下來(lái)的幾年里，隨著各大上游廠商 NAND 技術(shù)的成熟和運(yùn)用，PCle 5.0 SSD的容量會(huì)更大、價(jià)格會(huì)更低，并受到更為廣泛的應(yīng)用。

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閃存已做好準(zhǔn)備，PCIe 5.0何時(shí)商用？

相比于消費(fèi)級(jí)SSD，數(shù)據(jù)吞吐量更高的數(shù)據(jù)中心和超級(jí)計(jì)算機(jī)是PCIe 5.0搶先占據(jù)的細(xì)分市場(chǎng)。不過(guò)PCIe 5.0 SSD釋放高速數(shù)據(jù)讀寫能力的同時(shí)，還需要支持PCIe 5.0的主控和處理器作為支撐。相關(guān)廠商在近兩年也做出了積極響應(yīng)：

在主控方面，全球第一大SSD主控芯片公司群聯(lián)已于去年10月發(fā)布了旗下首款PCIe 5.0硬盤主控——PS5026-E26主控，目前已經(jīng)完成流片，與之幾乎同步的華存電子也發(fā)布了國(guó)內(nèi)首顆PCIe5.0 SSD存儲(chǔ)控制芯片并流片成功，將于2022年下半年量產(chǎn)。近期，慧榮宣布推出代號(hào)MonTian的PCIe 5.0企業(yè)級(jí)SSD平臺(tái)，其中包括了SM8366和SM8308兩款主控產(chǎn)品。

在處理器方面，從英特爾和AMD路線圖來(lái)看，AMD的Zen4處理器、Intel的Sapphire Rapids處理器都會(huì)支持PCIe 5.0，還有DDR5內(nèi)存，都會(huì)在2022下旬開始陸續(xù)上市，或許正好可以與和PCIe 5.0 SSD進(jìn)行搭檔。

未來(lái)PCIe 5.0生態(tài)的構(gòu)造成熟肯定會(huì)帶動(dòng)SSD滲透率的急速提升，隨著服務(wù)器對(duì)PCIe 5.0 SSD支持越來(lái)越成熟，企業(yè)級(jí)SSD將成為PCIe增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域之一，而PCIe 5.0的發(fā)布無(wú)疑將加速這個(gè)過(guò)程。

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國(guó)產(chǎn)展望

中國(guó)作為全球第一大NAND市場(chǎng)，占據(jù)37%的市場(chǎng)份額，在長(zhǎng)江存儲(chǔ)存量產(chǎn)前，本土自給率幾乎為0，而如今長(zhǎng)江儲(chǔ)存已能夠達(dá)到128層 3D NAND，近日也有消息稱長(zhǎng)江存儲(chǔ)將跳過(guò)原定192層3D NAND，直接挑戰(zhàn)232層3D NAND，并有望于2022年底量產(chǎn)。長(zhǎng)江存儲(chǔ)作為國(guó)內(nèi)3D NAND的主要參與者，直接影響著國(guó)產(chǎn)PCIe 5.0 SSD的發(fā)展進(jìn)程。

另外國(guó)內(nèi)SSD產(chǎn)業(yè)鏈方面，SSD廠商可以概括為“具備主控設(shè)計(jì)能力的模組生產(chǎn)公司”，即主要切入點(diǎn)一般為主控芯片的軟硬件設(shè)計(jì)（包括主控芯片、固件） 及最終SSD模組的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)。市場(chǎng)上知名的SSD主控芯片廠商主要有Marvell、慧榮科技、群聯(lián)等。近年來(lái)，中國(guó)大陸SSD主控芯片廠商也逐漸嶄露頭角。

總體看，中國(guó)SSD正在快速增長(zhǎng)，相應(yīng)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量也從由1bit發(fā)展到3bit、4bit；閃存架構(gòu)由2D發(fā)展到3D，且堆疊層數(shù)持續(xù)提升，目前接近200層；接口也向PCIe+NVMe轉(zhuǎn)換，協(xié)議也在不斷轉(zhuǎn)換。當(dāng)下固件、主控廠商正逐步嘗試縱向延伸擴(kuò)展業(yè)務(wù)補(bǔ)齊短板、與閃存廠商共同努力迎接PCIe 5.0 SSD 的到來(lái)。

編輯：黃飛

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