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随着5G、自动驾驶、AI等场景发展对存储的需求大幅增加，存储在5G时代要求也更高，包括数据中心、交通设施以及移动端连接等方面，这都会导致数据流量上升，也就需要更多的存储解决方案。加上Flash颗粒的价格下降，这就让SSD逐渐成为市场主流。进而吸引了越来越多的SSD主控玩家加入其中。 据深圳市得一微电子市场总监罗挺介绍，国内声称在做SSD控制器的厂商有三四十家，甚至更多。这数十家的新兴势力加上台湾和美国等地方的厂商，毫无疑问，一场SSD主控争夺战正式开打。 台湾厂商统治的市场 SSD流行起来是最近几年的事情，但厂商开始研发SSD主控就可以追溯到十几年前。直到2011年左右，以sandforce为代表的一大批厂商的兴起，宣告了这个市场的升温。特别是由这家公司开拓的，向客户提供主控和PCBA设计的模式，更是成为了行业的榜样。进入最近几年，国际市场上的第三方SSD主控供应商主要由慧荣、群联、Marvel和Microchip（收购PMC而得）等国际厂商把持，但这些厂商在运营商各有各的专注。 华澜微总裁骆建军告诉半导体行业观察记者，市场上的高端固态硬盘控制器芯片订单主要集中在美国的Marvell和Microchip（收购PMC而得），面向的主要是工业领域和企业级系统；而消费类低端控制器芯片则主要由台湾慧荣（SMI）和群联（Phison）瓜分。其中慧荣的市场份额更是高达30%。 据了解，SMI之所以能发展起来，是因为他们对2D TLC NAND闪存技术迭代和对低品质NAND闪存颗粒（INK DIE /RECLAIM/拆机片等）的友好支持。这让他们一战成名，超越MARVELL和JMicron，成为当今SSD主控器行业霸主，其赖以成名的SSD主控器则包括了SM2246和SM2256。 随后通过全面优化升级版本量产SSD主控器产品推出SM2258/2258XT、SM2259/2259XT以及进入PCIE主控器市场，进入OEM及一流SSD品牌厂商，从进一步奠定了其在SSD主控器行业领导地位。 经过多年的发展，现在的慧荣科技在消费性SSD控制器上有全系列的产品，覆盖了SATA到PCIe。从高效能到主流，SMI都有相对应的产品：在SATA部分，SM2258/SM2259是面向对稳态性能要求较高的应用，像是server, Game PC．而SM2258XT/SM2259XT则是锁定在一般消费者日常使用的SSD，提供使用者远高于机械硬盘的效能与顺畅感 至于曾经的机器硬盘主控霸主Marvell，虽然他们的SSD主控器技术水平一直处于全球领先地位，但在固件开发投入和交付方面全面弱于SMI，对中国大陆快速发展的SSD代工厂和品牌商支持力度过低，从而失去了中国这一重要市场和在SSD主控器市场的统治地位。另外，这些年由于高管及团队的动荡与流失，也深刻影响到MARVELL公司在SSD主控器行业的霸主地位。 除了这些向第三供货的SSD主控厂，另外还有一些in-house的SSD主控公司，在这方面也有很不错的表现。例如前文提到的sandforce，还有三星旗下的相关设计公司，在这个领域的表现都是名列前茅的。 国内厂商的加紧布局 前文提到，SSD主控市场吸引了数十家国内厂商参与，但真正浮出水面的仅有几家，其中要数得一微电子、联芸科技、华澜微电子和忆芯科技最为知名。 据官网介绍，得一微电子成立于2017年，是由硅格半导体（成立于2007）与立而鼎科技（成立于2015）两家公司合并而成，是全球重要的闪存控制芯片供应商。据罗挺介绍，公司主要提供两个品类，四个型号的的SSD主控产品，一个是SATA的（YS9081XT,YS9083XT），另一个是PCIe产品，其中YS9201控制器已经量产；YS9203正在试产，预计明年Q2才会量产。 “过去的多年里，我们支持了U盘、SD卡，到现在的SSD控制，在这过程中也已经积累了足够的经验，这是我们能做好SSD控制器的主要保证”，罗挺告诉半导体行业观察记者。 联芸科技则是国内SSD主控的另一个重要玩家。据了解，联芸科技是由方小玲博士于2014年11月在中国杭州滨江国家高新区创建的一家致力于高端存储控制芯片研究及产业化的集成电路芯片设计公司。该公司收购了JMicron（智微）的所有SSD业务，夯实了其技术和专利基础。 2016年3月，联芸科技首款支持3D NAND闪存颗粒的SSD主控器（MAS080X）实现量产，并为客户提供支持镁光/因特尔32层3D NAND（B0KB/L06B）闪存颗粒的SSD固态硬盘完整解决方案，并在ADATA、APACER、BIWIN、HIKVISION、INNODISK、KINGSPEC等客户实现规模量产，从而奠定了联芸科技在国产SSD主控器领域的行业地位，也实现国产SSD主控器可大规模商用的历史性突破。 “我们在2017年五月推出的MAS090X系列SSD主控器可支持全球目前推出的所有已经量产3D NAND闪存颗粒，也成为行业率先正式量产支持intel最新推出的N18 QLC闪存颗粒的首款SATA接口SSD主控器，并早于SMI 2259XT以及PHISON S11T在终端客户实现大规模量产，这是国产SSD主控器近十年来首次取得量产支持最新NAND闪存颗粒快于国际SSD主控器的一次重大进步，也可能成为SSD主控器市场国产化转折的标志点和大事件”，联芸科技（杭州）有限公司副总经理李国阳说。 同样来自于杭州的华澜微电子股份有限公司则成立于2011年，由一支在美国硅谷经过锤炼的技术团队创建，公司专业从事数据存储和信息安全的核心技术研究，提供数据存储和信息安全领域的集成电路芯片和技术方案。按照公司官网介绍，他们是我国唯一全系列拥有数码存储控制器芯片的高科技公司。 从华澜微总裁骆建军介绍中我们得知，他们目前可供SATA,SAS, PCIE等接口的SSD控制器芯片系列，不仅仅可以满足一般消费类应用，而且正在逐步发展的高端企业级应用。不仅仅如此，华澜微的芯片还能够提供国际通用加/解密算法（如AES）和国家商业密码算法电路（SM2/3/4）的硬件支持，是中国最早把商密算法集成到SSD控制器的公司。 成立于2015年的忆芯科技是专注于企业级SSD主控芯片研发的，公司自成立以来，已申请三大核心专利板块StarNVMe® 、StarLDPC®、StarFlash®合计专利30多篇，现在也提供了PCIe NVMe SSD主控，STAR1000和STAR1000P两款。据了解，现在他们对消费级产品也有涉水。 当然，这些厂商只是国内SSD主控的冰山一角，还静待我们去挖掘。 与领先厂商差距明显 虽然我们已经有了不少的SSD主控厂商，但和其他很多领域一样，我们这些国产厂商与国际上的领先厂商相比，差距明显。 李国阳表示，国产SATA接口SSD主控器已经达到国际先进水平，但在PCIE接口方面，还有很大的成长空间。 “虽然有多家国产SSD主控器厂商声称推出和量产PCIE接口SSD主控器，但实际量产非常少，主要还处于样品和小规模试产阶段，要达到规模量产程度还需求较长路要走，可以说国产PCIE接口SSD主控器与国际先进水平相比差距更大。短时间内，还无法与国际一流PCIE接口SSD主控器进行PK和对标。”，他强调。 华澜微总裁骆建军更是直言，目前，国产SSD控制器实际上鱼龙混杂，只有极少数厂家真正是“国产”的。即使国产的控制器的少数厂家，其中核心的IP也是从国外授权/购买使用许可的，没有自己可以修改的源代码，更无从谈起做任何的修改。总体来说，那就是国内的控制器芯片的没有技术积累，IP大多数掌握在别人手里，因此，在成本上面没有竞争力，在技术演变发展方面也是被制约的。 忆芯科技相关负责人也指出，这个差距主要体现在三个方面：第一，受国际大厂标准，技术演进控制，国内的技术眼界稍微受限；其次，目前flash 大厂还是以国外为主，对国内企业支持力度相对有限；第三，SSD controller领域国内各种积累，技术，产品，和国际大厂相比也相对有限。 慧荣科技资深副总段喜亭先生告诉半导体行业观察记者：“首先，随着NAND闪存正式进入3D制程发展，主控芯片的设计愈加复杂、门槛也越来越高，所需要运用的人力及投入的研发费用均较市场成长的幅度来得高，对中国的相关新入者来说，这是一个挑战。但在大基金的支持下，困扰发展的技术、人才、资金等问题已经逐步再缓解”。 “另一方面，目前大多还是使用国际的NAND闪存，而中国固态硬盘主控芯片也还需要跟国产NAND闪存有个长时间的磨合，毕竟对SSD来说，可靠性是需要长时间检验的，而这部分可在产品上慢慢磨合,透过经验累积来体现”，Nelson S. Duann补充说。 如何才能突破？ 随着NAND Flash层数的增加，还有其他不同存储的引入，这就给SSD主控带来一些新的挑战。对于这些国产厂商来说，如何保证自己能稳步发展，进而追上国际的先进水平，就成为他们关注的重点。 慧荣科技段喜亭指出，SSD主控的研发的难度来自性能、功耗和闪存的调适性三个方面：
首先，在性能上，当PCIe成为SSD主控的前端介面之后，SSD的速度便演进的越来越快，目前主流的PCIe NVMe SSD的连续读写都到了3GB/s上下，未来前端介面还会继续往PCIe Gen4迈进 SSD控制器是一个具体而微的嵌入式系统，芯片内部有CPU搭配逻辑电路以及类比电路控制系统动作，对外有前端的PCIe，有DRAM介面，有NAND介面．当系统速度越高的时候，多个介面的协同运作便变得极为重要，一但有考虑不周全的地方，整个SSD系统就不能发挥出预期的效能 SMI 一路从SATA到PCIe SSD主控芯片走来，已经累积超过10年在SSD主控上设计的经验，今年已经推出第三代的PCIe NVMe SSD主控芯片，现在的性能跟三星与英特尔最高端的SSD相比是并驾齐驱了． 其次，速度提高了，功耗也会跟着提高，但PCB却从SATA的2.5寸变成更小的M.2 因此降低功耗与加强散热变得十分重要，在这上面SMI已经从两部分着手，第一是优化控制器的结构，由于SMI是提供主控与固件的整体解决方案，因此，在结构上便可以让两者紧密合作，并藉由automatic clock gating, multi power domain, 等减低功耗的技巧，达到性能与功耗的最佳化 第二是使用最新的半导体制程，如28nm, 16nm, 12nm等，新的制程可以使用较小的电压驱动电路，因此功耗也可以有效降低，然而新制程的开发费用十分庞大，单单一套28nm的光罩需要1000万人民币，16nm 的光罩更高达2000万人民币，新的竞争者想要进来的话是越来越困难，SMI因为是市场龙头，有能力也会持续投资维持领先地位． 第三，是闪存的调适性，闪存由于不可复写，有限的写入次数，较容易有读干扰以及写干扰等等特性，因此在使用上需要控制器做mapping table, wear leveling,garbage colleciont等， 再加上各家以及各个世代的闪存的特性不同，在SSD控制器上设计上需要保持很好的弹性，让固件能够搭配不同家，不同世代的闪存都能操作。 联芸科技李国阳也指出，目前很多非SSD行业专家和人士，都只是在关注SSD主控器本身，其实这是非常不全面的，并产生了技术和产品上的错觉，SSD主控器研发成功与否，和是否能够实现大规模量产销售完全不是一个概念。谈SSD主控器研发技术难度更需要综合考虑SSD主控器研发难度、与之适配的固件研发难度、大规模量产研发难度等整体难度： 首先，在SSD主控制器方面，我们需要关注高速IP接口、NAND闪存颗粒适配技术、28nm及以上工艺超过7000万逻辑门电路芯片设计能力和封装测试能力、对国产密码算法SM4的性能要求和系统兼容性、高性能LDPC纠错技术的持续研发能力等； 其次，在固件方面，包括垃圾回收、磨损均衡管理、坏块管理、数据缓存管理、掉电保护等在内的固件算法的好坏 直接影响到最终开发的SSD解决方案是否能够量产，是否有竞争力的最为重要的指标。 第三，一颗SSD主控器是否能够量产，关键的是能否与不同厂商的NAND闪存颗粒进行搭配。不同厂商的NAND闪存颗粒特性差异较大，同一厂商NAND颗粒制程不同，产品差异性也非常大。这些NAND闪存特性，只被NAND颗粒原厂所掌握，而且很多涉及到核心技术秘密，NAND闪存颗粒原厂是不会对外公布的。目前，全球掌握NAND闪存颗粒技术的厂商主要包括：三星、因特尔、镁光、海力士、闪迪，这些厂商都是行业巨鳄，实力非常小的国产SSD主控器厂商，很难获得这些原厂支持，也就很难实现规模量产。 华澜微骆建军的观点则认为，SSD控制器芯片的难度，主要是四个： 第一个是高速硬盘/计算机接口技术，这个包括高速接口通信电路和协议，例如PCIE-Gen3的单个通道速度可以达到8Gb/s，即一秒钟传输80亿位二进制码，今天的典型固态硬盘是4个通道，就是320亿位/秒的传输速度，这个模拟电路比较难；更难的是，这个接口的协议包括通信握手、误码修正、数据包拆解/打包等，要用高速逻辑电路来实现，国际上只有极少数公司拥有这样子的IP，因为它是二三十年时间一代代发展而来，仅仅协议的文本就是几千页，其中理解错误或者遗漏一两点定义和描述，都可能使得芯片失败； 第二个是难度在于闪存管理算法，主要包括纠错算法、均衡算法、寿命管理等； 第三个是把高速接口电路、各种算法和处理器集成到一起的系统芯片集成能力，还要融入电源管理、可测试性设计等等，总设计师没有十年经验是不可能指挥这个“战役”； 第四个难处是固件（Firmware），实际上这是国内很多厂家忽视的，很多做芯片的人看不起固件工程师，这是硬件中的软件，芯片好比骨头，很硬很重要，软件好比肌肉和皮肤，很软也很重要，这个固件是软件，但是它直接在芯片内部驱动底层硬件，好比韧带，所以也有人叫它“韧体”。 当然， 最后实际上还有一个最大的难点，就是投入风险大，一个芯片的试验，仅仅掩模（MASK，即照相底板费）就是100多万美元（28纳米工艺），还不算人力费用和其他成本，一两个设计中的瑕疵，都可能使得一切付诸东流。 得一微电子的罗挺表示，Flash层数越多，可靠性越来越差，那就需要更强的性能，同时在管理方面也需要更多的策略。硬件方面，我们从过去的BCH纠错发展到现在LDPC纠错；在固件方面也有变化，TLC和QLC对编程方式、结构和算法方式、平衡性能、成本和功耗和可靠性都提出了新的要求，这都是厂商需要考虑的东西。他强调，SSD主控开发过程中，资金投入非常大、研发周期非常长，且需要对Flash的支持，这都是对SSD “总的来讲，截止目前SSD主控器依旧是一款高技术门槛的集成电路芯片，国产SSD主控器如需要获得突破，需要持续投入资金、人力和物力，需要少于一点浮夸，多一点踏实，脚踏实地，持之以恒，最终通过技术和产品品质被市场认可，这才是唯一出路，而REMARKING国外厂商SSD主控器，号称国产化的做法无异于饮鸩止渴，后患无穷，也对我国信息安全带来极大的安全风险，我也衷心祝愿那些真正在推动SSD主控器国产化的SSD主控器厂商，最终获得市场认可，通过自己的努力，成就梦想”，李国阳最后说。 文/半导体行业观察 李寿鹏 |
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