固态存储控制器芯片行业发展概况

固态存储控制器芯片行业发展概况一、 存储模组行业概况由于固态存储突出的优势、上游存储颗粒dFlash的性价比日益提高，固态存储模组已逐渐取代机械硬盘（HDD）成为下一代主流数据存储介质。固态存储模组是以半导体存储器为基础制造的各类存储产品，其主要原材料DFlash的出货量持续增长。2021年，全球DFlash出货总容量达到612，573PB，较2020年环比增长3606%。随着全球DFlash原厂产能进一步扩充及3D闪存堆叠技术的持续提升带来存储密度的增加，预计2022年全球DFlash出货总容量将达到750，352PB，环比2021年增长2249%。随着人工智能、物联网、大数据、5G等新兴应用场景不断落地，电子设备需要存储的数据量越来越庞大，固态存储覆盖的下游消费级、工业级和企业级各代表细分市场需求爆发式增长，从而带动行业持续扩容。固态存储模组的形态多种多样，具体包括（1）固态硬盘（SSD），根据产品形态可以分为25寸SSD、U2SSD、M2SSD、mSATA、SATASlim等，主要用于台式机、笔记本及服务器等计算设备；（2）嵌入式存储模组，具体包括eMMC、UFS、SPID等，主要内嵌于手机、智能终端等电子产品；（3）移动式存储模组，具体包括CF卡、SD卡、microSD卡、U盘、移动硬盘等便携式移动存储器，方便数据在不同设备之间转移。行业的主要存储模组产品属于固态硬盘及移动式存储模组范畴。按照应用领域划分，存储模组可分为消费类、工业类和企业类，不同应用领域的存储模组在可靠性、可用性、性能、定制化程度等方面存在区别。二、 我国数据存储行业市场走向分析当前，数据存储技术在NAS和SAN这两种基本架构的基础上发展迅速。一方面有心的架构出现，另一方面，许多原来不适用于NAS或SAN的技术开始向它们两者靠拢，争取也在这庞大的存储市场中分得一杯羹。最为明显的是当前新涌现的IPSAN存储技术，它利用技术相当成熟，部署更加容易，成本更低的IP网络实现SAN存储。下面分析数据存储技术的发展方向。虽然现在有很多各种各样的存储架构，但基本架构单元在目前来说没有多大改变，仍是DAS、NAS与SAN三者共存，在短期内不可能出现一种或两种完全取代其他两种或一种的趋势。虚拟存储是SAN存储系统智能化的一种技术表现。虚拟化存储可更有效地利用存储设备的存储空间，更有效地管理存储系统中的各网络，而不致出现现有NAS和SAN系统中所具有的信息孤岛。存储虚拟化通过合并这些孤立的存储池，程度地满足应用需求。存储虚拟化使按照需求重新分配存储资源变得更方便，即使跨多个文件服务器或SAN也不成问题。通常在服务器中都是采用传统的SCSI接口磁盘，不过，IDE技术也在不断发展，再加上新型的串行ATA接口技术发展势头非常强劲，大有赶超SCSI之势。于是为了兼容SATA的磁盘接口技术SAS，IBM推出了SSA技术，但由于兼容性和升级能力不尽如人意，在市场上的影响远不及SCSI技术广泛。在存储介质上，也是百花齐放，传统的、新型的都有。如传统的磁带、磁盘，新型的CD-R、CD-RW、DVD-R、DVD-RW等都在各种实际的存储应用中得到应用，也不可能出现一种全面替代另一种或几种的现象。存储的互操作性对用户而言极为关键。它分为两个方面。一个存储设备支持不同的服务器系统，这个问题已经得到了很好的解决。另一个方面是如何支持多厂商的存储系统。数据存储对象包括数据流在加工过程中产生的临时文件或加工过程中需要查找的信息。数据以某种格式记录在计算机内部或外部存储介质上。数据存储要命名，这种命名要反映信息特征的组成含义。数据流反映了系统中流动的数据，表现出动态数据的特征；数据存储反映系统中静止的数据，表现出静态数据的特征。三、 数据存储行业未来发展趋势计算机高速接口用于实现计算机高速部件之间的物理连接、确保信息交换的数据格式一致性，是固态存储产品的基础核心技术。作为存储颗粒与主机进行数据传输的媒介，接口决定了两者之间的理论传输速度，并影响存储产品的物理形态和通信协议。数据量的爆发式增长，需要更大量的并发处理，更快速的数据访问，更智能的数据管理方式，推动业内不断研发更高性能接口的存储控制器芯片及存储模组产品。在消费级应用领域，以USB、SATA、PCIe为代表的各接口，在进行不断的代际演进，以更好的适应不同场景的应用需求。截至目前，便携式存储产品已进入USB32Gen2（10Gbps）时代；消费类SSD也正在加速从SATA向PCIe演进。根据中国闪存市场ChinaFlashMarket数据，在PCOEM市场，PCIe接口SSD的搭载量已达到80%。在行业应用市场，一方面SATA/SAS接口的固态硬盘产品因其可靠性、稳定性、兼容性及大容量等方面的优势，仍然保持了稳定的市场份额；另一方面，各大厂商也加紧推出基于PCIe接口的产品。2019年以来，针对数据中心和企业级领域，三星、美光、英特尔等巨头陆续推出多款NVMePCIeSSD新品，企业级SSD现有的主流产品集中于PCIe30，PCIe40的产品目前处于市场导入阶段。2022年，部分主控厂商如微芯（Microchip）、慧荣科技（SMI）开始推出支持PCIe50协议的产品，但尚未达到成熟稳定应用的条件。未来，伴随着更高性能接口协议的持续发布及更新，存储模组将向大容量、低功耗、高速读写、长保存周期的发展方向持续演进，以满足不断高速增长的数据存储需求。存储模组的主要原材料DFlash在发展过程中逐渐由平面结构升级为三维架构，通过工艺技术的提升，可以逐渐增加存储单元的层数，实现在单位面积下更高的存储容量。同时，存储控制器存储密度也跟随技术的发展不断前进，最新的QLC颗粒每个存储单元可以存储4bit数据。堆叠层数和存储密度的提升，在增加DFlash单位存储容量的同时降低了每单位的存储成本，进一步刺激了用户对大容量SSD需求的增长。DFlash存储密度和堆叠层数的提升也对存储控制器芯片及存储模组的设计提出了更高的要求。DFlash受器件特点等因素影响，可靠性随着使用时间的增加而逐渐降低，而随着工艺技术升级而不断提升的存储密度更使得存储颗粒中的数据错误或数据丢失的概率显著增加，使用寿命快速下降。以QLC架构的存储颗粒为例，虽然其单元容量为SLC架构存储颗粒的4倍，但其使用寿命仅为SLC的1/100；对数据纠错要求从14bit增加到288bit，可靠性也同步减低。因此，存储介质的分析能力、存储控制芯片设计能力、固件算法的开发能力对于存储模组应用性能的影响越来越大。随着信息技术的快速演进，全球数据泄露等网络安全事件频繁发生，造成重大损失。2021年，工业制造、医疗、金融、交通等领域数据泄露事件频发，数据交易黑色地下产业链活动猖獗。据统计，2021年公开报告的数据泄露事件1，291起，超过2020年的1，108起。数据安全重要性的凸显，给数据存储行业带来了新的挑战。随着数据读写速度加快，芯片级全盘硬件加密技术的存储模组配合所搭载的数据保护软件，能防止数据被越权访问、篡改或盗窃，有望成为存储行业的刚性需求，全面覆盖数据存储的各应用场景。2018年以来，华为事件和中兴事件凸显了我国上游核心基础技术受制于人的现状，坚定了我国打造自主可控产业生态的决心。为解决产业链稳定性问题，在国家的大力支持下，本土厂商加大了对CPU、存储颗粒、控制器芯片、操作系统等领域底层技术的研发及相关投入，并陆续在以上领域取得了一定的研发成果。存储颗粒方面，长江存储自2018年推出Xtacking晶栈架构以来，就不断地取得技术突破，从最开始的32层堆叠的DFlash，向64层、128层技术跃进。长江存储最近成功研发超过200层堆叠的存储颗粒，将实现对美光、SK海力士等DFlash巨头的追赶。国产存储控制器厂商，也在不断补足我国在自主知识产权高速接口IP、核心控制算法等领域的短板，为实现全产业自主可控贡献力量。随着核心软硬件自主技术水平的显著提升，我国与发达国家技术水平差距已逐渐缩小，存储产业链自主可控的条件逐渐成熟。四、 存储器行业发展趋势在中国互联网+、大力发展新一代信息技术和不断加强先进制造业发展的战略指引下，国内信息化、数字化、智能化进程加快，用户侧的视频、监控、数字电视、社交网络等应用和制造侧的工业智能化逐渐普及，刺激存储芯片的市场需求快速增长。此外，5G、物联网、数据中心等新一代信息技术在中国大规模开发及应用，也催生了我国对存储器的强劲需求。此外，随着我国逐渐成为全球最大的消费类电子市场，其庞大的消费群体及旺盛的消费需求，吸引全球集成电路产业向中国市场转移，提升并丰富了我国集成电路产业链。同时，产业政策的支持吸引一大批高端人才回国发展，人才聚集使得国内企业逐步积累了自主知识产权和核心技术，为存储器的提供了产业基础，推动自给率提升，为行业带来新的发展机遇。五、 存储控制器芯片行业概况存储控制器芯片是存储产品的大脑，起着指挥、运算和协作的作用。它不但负责调配数据在各个存储单元上的负荷，协调和维护不同区块颗粒的协作，让所有的存储单元都能够在合理的负荷下正常工作；为存储模组内部各项指令，如垃圾回收、磨损均衡等的功能的完成提供算力；又承担了数据中转站的功能，负责存储介质和外部接口的连接。因此存储控制器芯片是决定存储模组性能、寿命和使用体验的关键。固件是出厂预设在存储模组中，运行在存储控制器芯片内部的程序代码，主要用于驱动控制器，承担着协议处理、数据管理和硬件驱动等工作，包括传输协议处理、逻辑管理算法、数据加密和保护、闪存驱动、介质保护、异常处理等功能，对存储的功能、性能、可靠性、寿命等关键指标具有重要影响。根据中国闪存市场CFM的数据，预计2022年全球固态存储控制器芯片的出货量达431亿颗。目前，存储控制芯片按制造商可以分两类：第一类由存储颗粒原厂自主设计，如三星、铠侠、Intel和美光等，其基于IDM生产模式自产自销，将自研的存储控制芯片应用于自主品牌的存储模组中，不单独对外出售。第二类由第三方存储控制器芯片厂商设计，如美满（Marvell）、微芯（Microchip）、慧荣科技、群联电子等，其存储控制器芯片主要用于其他厂商的存储模组中。六、 存储器行业全球规模存储器作为现代信息技术发展的核心部件之一，应用极为广泛，现代电子产品基本上都要用到存储器，且需配置多种存储器，随着今年来全球电子信息技术及半导体产业的不断发展，全球存储器行业市场规模也随之不断扩张。据资料显示，2021年全球存储器行业市场规模为1353亿美元，同比增长133%。从行业市场结构来看，DRAM与DFlash是半导体存储芯片的主流市场。据资料显示，2021年全球存储芯片市场中，DRAM占比达56%，DFlash占比约41%，此外NORFlash占据约2%的市场份额。七、 存储器行业发展现状存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据，其利用磁性材料或半导体等材料作为存储介质，实现程序和数据的存储。在计算机的运算过程中，输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都会保存在存储器里，可以说存储器是现代信息技术发展的核心部件之一。按介质的不同，存储器可分为磁性存储器、半导体存储器和光学存储器；按使用类型可分为随机存储器和只读存储器。八、 存储系统行业概况存储系统（主要指外接存储系统）的主要技术包括网络、服务器和应用软件。其中，网络存储技术是一种通过网络进行数据存储的技术，通过网络设备（包括专用数据交换设备、磁盘阵列或磁带库等存储介质以及专用的存储软件）利用通信网络为用户提供信息存取和共享服务。网络存储结构大致分为3种：直连式存储（DAS：DirectAttachedStorage）、网络存储设备（NAS：NetworkAttachedStorage）和存储网络（SAN：StorageAreaNetwork）。根据IDC的数据，2020年我国服务器出货量350万台，2021年增长至391万台，增长率为117%。IDC预计，随着十四五规划的推进以及新基建的投资，20212025年，中国服务器市场规模将由25731亿美元升至4247亿美元，保持1335%的年复合增长率。存储网络所需的存储控制和通信技术被美国企业所垄断，随着我国服务器市场规模的提升，存储系统解决方案、国产硬盘阵列控制器芯片及相关阵列卡的需求也将不断增长。