如何設(shè)計一款優(yōu)秀的企業(yè)級SSD主控芯片

近年來，在信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的科技浪潮中，全球芯片產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展，國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)也是一片欣欣向榮。但由于技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化的積累有限，在高端芯片領(lǐng)域，國內(nèi)自研能力依然薄弱，而隨著全球宏觀政治經(jīng)濟(jì)環(huán)境變得日益復(fù)雜，對高端芯片尤其是企業(yè)級芯片的自研創(chuàng)新能力突破的需求開始與日俱增。

據(jù)國家統(tǒng)計局公布的2021年全國集成電路（芯片）的生產(chǎn)情況數(shù)據(jù)顯示，全年國內(nèi)共生產(chǎn)芯片3594.3億顆，同比增長33.3%。但同時據(jù)工信部發(fā)布的《2021年1~11月份電子資訊制造業(yè)運行情況》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年我國進(jìn)口芯片個數(shù)達(dá)6355億個，同比增長16.9%，而進(jìn)口集成電路的金額約4400億美元（2.8萬億），同比增長25.6%左右。

雖然中國芯片行業(yè)發(fā)展迅速，但高端芯片存在巨大的缺口，特別是對高性能、高安全等級、高可靠性有嚴(yán)苛要求的企業(yè)級芯片。以企業(yè)級SSD為例，目前國內(nèi)仍然廣泛采用國外閃存原廠產(chǎn)品，而在非原廠SSD產(chǎn)品所采用的主控芯片方面，國外主控廠商也占據(jù)著明顯的市場與技術(shù)優(yōu)勢。

憶芯科技作為國內(nèi)較早致力于高性能SSD主控芯片研發(fā)的公司，始終堅持初心，不斷推出能與國際一線品牌競爭的SSD主控芯片與方案，實現(xiàn)高端國產(chǎn)化芯片及產(chǎn)品的不斷突破。

近期，憶芯流片了新一代高性能企業(yè)級PCIe4.0 SSD主控芯片STAR2000，該芯片基于12nm工藝，含50億晶體管，集成了64位多核CPU和高達(dá)8TOPS算力的NPU，并全面支持最新的NVMe2.0協(xié)議。STAR2000采用了更先進(jìn)的架構(gòu)設(shè)計，借此提供強(qiáng)大的穩(wěn)態(tài)隨機(jī)及順序讀寫性能，在服務(wù)質(zhì)量、延遲、安全、可靠性、容錯糾錯等企業(yè)級所關(guān)注的指標(biāo)上將達(dá)到業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的高規(guī)格水平，進(jìn)一步縮短國內(nèi)高端企業(yè)級SSD主控領(lǐng)域上與國外的差距。

STAR2000企業(yè)級SSD主控芯片

如何設(shè)計一款

優(yōu)秀的企業(yè)級SSD主控芯片

固態(tài)硬盤（SSD）主要包括主控芯片、閃存顆粒和緩存單元三大組件。主控芯片基于運行在其CPU上的固件程序，解析主機(jī)下發(fā)的讀寫等操作命令，執(zhí)行相應(yīng)的對閃存顆粒的讀寫等任務(wù)。

閃存顆粒是SSD的實際數(shù)據(jù)存儲承載主體，隨著閃存技術(shù)的演進(jìn)，從平面到3D結(jié)構(gòu)、從SLC到TLC再到QLC，其容量越來越大，閃存的接口速度隨著ONFI協(xié)議的遞進(jìn)越來越快，但從TLC到QLC的大容量多層3D閃存讀寫和擦除的延遲也越來越大，因此依然需要多通路并發(fā)來提升其后端帶寬，并在相應(yīng)的主機(jī)接口采用更快的PCIe物理通路和先進(jìn)的NVMe協(xié)議來提升前端帶寬并縮短延遲。

閃存的一個重要特性是不能寫覆蓋，需要引入擦除的動作，其讀寫以頁為單位，擦除以塊為單位，因此閃存訪問需要用閃存轉(zhuǎn)換層（FTL，F(xiàn)lash Translation Layer）的地址管理機(jī)制來管理，這也帶來了閃存寫放大問題，即由垃圾回收導(dǎo)致的實際寫入閃存數(shù)據(jù)量大于主機(jī)側(cè)寫入的有效數(shù)據(jù)量。盡管在企業(yè)級方向上新的NVMe協(xié)議正在逐步完善ZNS、KV等結(jié)構(gòu)化存儲方式來減小寫入放大的影響，F(xiàn)TL管理依然是SSD主控及方案廠商需要仔細(xì)打磨的核心技術(shù)。

3D閃存技術(shù)從SLC到TLC及QLC的演進(jìn)中，壽命（一般用可擦寫次數(shù)衡量）和可靠性問題越來越嚴(yán)重，從早期SLC多達(dá)十萬次的可擦寫次數(shù)到如今QLC僅有幾百次，此外物理結(jié)構(gòu)的變化使得存儲的數(shù)據(jù)更容易被正常的讀寫干擾并且耐久度更差，包括工作溫度的變化都會造成存儲單元電子分布的變化，因此主控芯片需要有強(qiáng)大的查錯和糾錯能力來解決可靠性和壽命問題，主控和固件需要實現(xiàn)VT值判決的最優(yōu)校準(zhǔn)，自動適配retry的最優(yōu)序列，以及LDPC軟比特的LLR配置調(diào)優(yōu)，企業(yè)級應(yīng)用中還會引入盤內(nèi)RAID保證最終可以通過冗余保護(hù)的手段來恢復(fù)正確數(shù)據(jù)。

企業(yè)級SSD產(chǎn)品有很高的性能要求，因此主控芯片設(shè)計需要精通提升帶寬和效率、降低延遲的方法，如快速命令解析與處理、CPU任務(wù)卸載、DMA傳輸、隊列處理、仲裁與傳輸均衡、時隙的流水化與并行處理等等；此外研發(fā)團(tuán)隊還需要對低功耗設(shè)計從邏輯設(shè)計到物理實現(xiàn)上有全流程的豐富經(jīng)驗。企業(yè)級對穩(wěn)態(tài)性能的追逐還需要在軟件硬件協(xié)同工作上精雕細(xì)琢，結(jié)合對協(xié)議、芯片架構(gòu)和固件架構(gòu)的深刻理解和原型驗證的迭代，最終達(dá)成芯片在PPA（性能/功耗/面積）上的最優(yōu)結(jié)果。

企業(yè)級主控的另一個挑戰(zhàn)來自于企業(yè)級應(yīng)用的特殊需求，如掉電保護(hù)、熱插拔技術(shù)、在線固件更新、雙端口雙活、快速Trim等等，需要在芯片設(shè)計階段便從系統(tǒng)層面給予充分考慮，并在芯片原型驗證中遍歷到具體應(yīng)用場景。

SSD主控需要保證存放在閃存中的數(shù)據(jù)安全，因此需要具備安全解決方案能力，滿足用戶對數(shù)據(jù)加密驗簽、安全啟動等安全應(yīng)用需求。除了在主控中提供XTS-AES/RSA/SHA加密解決方案，憶芯還提供國密SM2/SM3/SM4技術(shù)，憶芯國密方案已經(jīng)在上一代PCIe3.0主控芯片通過國測和國密兩項認(rèn)證，具備自主可控的信息安全優(yōu)勢。

隨著可計算存儲和AI技術(shù)的發(fā)展，SSD主控也開始加入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元（NPU）的設(shè)計。此外，得益于高性能企業(yè)級SSD主控芯片在工藝制程上均進(jìn)入了更先進(jìn)的FinFET節(jié)點，集成的NPU也可以滿足越來越高的算力要求。NPU的加入使得SSD主控獲得了機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)能力，能夠執(zhí)行CPU不擅長的計算任務(wù)，從而運用于各種可計算型或智慧型SSD產(chǎn)品，并且降低閃存的訪問頻率。此外，使用NPU還可以幫助SSD提高可靠性和服務(wù)質(zhì)量、優(yōu)化功耗、實現(xiàn)智能自檢及早期故障排查等等。

配套的企業(yè)級產(chǎn)品方案，

讓主控芯片物盡其美！

有了SSD主控芯片，依然需要穩(wěn)健強(qiáng)大的固件系統(tǒng)的配合才能設(shè)計出一款出色的企業(yè)級SSD產(chǎn)品。STAR2000的芯片開發(fā)與固件開發(fā)在多種原型驗證系統(tǒng)上始終保持著同步，各類應(yīng)用場景下的性能測試和壓力測試除了保障芯片的功能正確，也將大大加速芯片量產(chǎn)期間的SSD產(chǎn)品化。

STAR2000的SSD固件方案充分考慮了企業(yè)級所關(guān)心的穩(wěn)態(tài)性能、可靠性、掉電保護(hù)、遠(yuǎn)程維護(hù)等功能指標(biāo)，輔以近年來在PCIe3.0企業(yè)級SSD上積累的量產(chǎn)經(jīng)驗，憶芯基于STAR2000主控的PCIe4.0高性能企業(yè)級SSD的量產(chǎn)突破計日可待，屆時國內(nèi)的數(shù)據(jù)中心和企業(yè)級存儲市場也將又擁有更可靠的國產(chǎn)自主高性能企業(yè)級SSD產(chǎn)品的選擇。