PCIe 5.0進(jìn)入快車道 加速NAND的迭代升級

隨著200+層3D NAND的問世，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，美國存儲芯片巨頭美光發(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，長江存儲也正式發(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芯片是存儲芯片創(chuàng)新性的分水嶺，給SSD也提供了更為強(qiáng)大的存儲動(dòng)力。

SSD是以閃存為存儲介質(zhì)的半導(dǎo)體存儲器。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NAND提出了更高的要求。

?

PCIe?5.0?SSD對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)勢也是可圈可點(diǎn)。

美光首次使用了6平面設(shè)計(jì)來增強(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。

?

NAND閃存層數(shù)迭代

五巨頭爭霸

進(jìn)入2022年，隨著支持PCIe 5.0的平臺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的到來布局了。相關(guān)存儲芯片大廠如三星、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。

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，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)績發(fā)布會上還曾透露正計(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，單位空間存儲密度就越大，總存儲容量越容易提升，因此可以說堆疊層數(shù)是 NAND容量增長的最重要參數(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出現(xiàn)問題，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)來評價(jià)閃存產(chǎn)品以外，還需要對接口速度、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)行對比。

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

?

NAND發(fā)展助推企業(yè)級PCle 5.0 SSD

根據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)顯示，企業(yè)級SSD方面，來自超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的采購訂單依然強(qiáng)勁，帶動(dòng)SSD采購量持續(xù)增長。預(yù)計(jì)2022年第三季度全球企業(yè)級 SSD 采購量環(huán)比增長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PCIe 5.0 SSD視為大數(shù)據(jù)運(yùn)用場景下的最優(yōu)選擇。

PCIe從4.0發(fā)展到5.0，企業(yè)級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SSD的容量需求越來越大，大容量SSD里面的NAND數(shù)量也在成倍增加。NAND數(shù)量越多，對信號帶來的負(fù)載就越大；SSD的性能越高，對NAND實(shí)際達(dá)成的接口速率、信號完整性的要求也越高，因此NAND技術(shù)是企業(yè)級PCIe5.0 SSD發(fā)展的基石。

預(yù)計(jì)到2025年，國內(nèi)企業(yè)級SSD市場規(guī)模將增至489億元，5年間復(fù)合增速約25%，而PCIe SSD市場份額比例將增至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，企業(yè)級PCIe 5.0 SSD作為基礎(chǔ)IT硬件設(shè)施，市場增長空間廣闊。

?

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 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)級的發(fā)展各存儲大廠還需找到新的解決方法來滿足人們?nèi)找嬖鲩L的存儲需求。

比如鎧俠的柳茂知表示：沒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，今后會致力于尋找新思路提升平面存儲密度。

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（單層式儲存）、MLC（雙層式儲存）、TLC芯片架構(gòu)（三層式儲存），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，正在轉(zhuǎn)向使用QLC（四層式儲存）架構(gòu)。QLC存儲單元陣列的存儲密度可以是TLC的1.33倍，每存儲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的容量會更大、價(jià)格會更低，并受到更為廣泛的應(yīng)用。

?

閃存已做好準(zhǔn)備，PCIe 5.0何時(shí)商用？

相比于消費(fèi)級SSD，數(shù)據(jù)吞吐量更高的數(shù)據(jù)中心和超級計(jì)算機(jī)是PCIe 5.0搶先占據(jù)的細(xì)分市場。不過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)布了國內(nèi)首顆PCIe5.0 SSD存儲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MonTian的PCIe 5.0企業(yè)級SSD平臺，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路線圖來看，AMD的Zen4處理器、Intel的Sapphire Rapids處理器都會支持PCIe 5.0，還有DDR5內(nèi)存，都會在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PCIe 5.0生態(tài)的構(gòu)造成熟肯定會帶動(dòng)SSD滲透率的急速提升，隨著服務(wù)器對PCIe 5.0 SSD支持越來越成熟，企業(yè)級SSD將成為PCIe增長最快的領(lǐng)域之一，而PCIe 5.0的發(fā)布無疑將加速這個(gè)過程。

?

國產(chǎn)展望

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

另外國內(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，中國大陸SSD主控芯片廠商也逐漸嶄露頭角。

總體看，中國SSD正在快速增長，相應(yīng)的存儲數(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。

編輯：黃飛

?