PCIe 5.0进入快车道 加速NAND的迭代升级

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随着200+层3D NAND的问世,PCIe 5.0 SSD的普及进入快车道,并将为高速数据读写释放出更大能力。

作者:丰宁

7月26日,美国存储芯片巨头美光发表公告称,原定于今年年底开始量产的全球首款232层3D NAND芯片已经提前量产,预示着3D NAND芯片进入200+层时代。

8月3日,SK海力士宣布基于其4D NAND闪存技术,已成功研发业界首款最高层数238层NAND闪存,显著改善生产效率、数据传输速度、功耗等特性,并于明年量产。

当日,长江存储也正式发布了基于晶栈(Xtacking)3.0技术的第四代TLC三维闪存X3-9070,虽然具体堆叠层数并未公开,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质量可靠性。

200+层NAND芯片是存储芯片创新性的分水岭,给SSD也提供了更为强大的存储动力。

SSD是以闪存为存储介质的半导体存储器。近几年搭上PCIe NVMe的东风,SSD的速度突飞猛进,如今已发展到PCIe5.0 SSD,与此同时也对NAND提出了更高的要求。

 

PCIe 5.0 SSD对NAND的闪存需求

PCle SSD指的是PCle接口固态硬盘,较新的 PCIe 标准使电脑能够最大限度地发挥最新的 GPU 和固态硬盘的潜能。当前主流应用的PCIe技术是PCIe 4.0,而PCIe5.0具有更为卓越的内存、存储容量和分段功能且速度也是 PCIe 4.0 的两倍。因此PCIe5.0的SSD不仅需要强力的主控,闪存接口的速度也要相当快。

在进一步提升性能方面,美光与SK海力士的200+层NAND本次展现的优势也是可圈可点。

美光首次使用了6平面设计来增强并发读写能力。新闪存还首次使用了ONFi 5.0标准中新引入的NV-LPDDR4接口,支持高达2400MT/s的闪存接口带宽,从而为PCIe 5.0 SSD提供动力。美光232层3D TLC NAND的量产,为新一代PCIe 5.0旗舰级SSD铺平了道路,并将为4通道平价PCIe 4.0 SSD实现7000MB/s全速读写提供助力。

根据SK海力士的238层NAND闪存已公布数据其传输速度为2.4Gbps,相比前一代产品提高了50%,芯片读取数据时的能消也减少21%,为PCIe 5.0 SSD大幅节省能源开支。另外SK海力士计划先为cSSD(client SSD,主要应用范围为PC用存储设备)供应238层NAND闪存,随后将其导入范围逐渐延伸至智能手机和高容量的服务器SSD等。

目前PCIe 4.0 SSD上主要应用1200MT/s的闪存,并在8通道主控的帮助下实现了7GB/s的读取速度;经测试1600MT/s的NAND能够让PCIe 4.0 SSD的读取速度最终达到7.4GB/s的理论上限。因此美光发布的2400MT/s接口速率的新一代3D NAND供PCIe 5.0使用已完全足够,另外功耗方面SK海力士也将PCIe 5.0 SSD推上新高度。

 

NAND闪存层数迭代

五巨头争霸

进入2022年,随着支持PCIe 5.0的平台如英特尔第四代至强可扩展处理器推出,我们发现,其实NVMe SSD早就在为PCIe 5.0的到来布局了。相关存储芯片大厂如三星、SK海力士、美光科技、铠侠与西部数据等一直在加速NAND的迭代升级。

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五巨头NAND发展进程

2020年之前三星一直占据3D NAND的层数迭代优势,其176层3D NAND已于今年第一季度量产。今年2月初,三星又发出公告称,将在2022年底或2023年上半年推出200层以上的3D NAND芯片,并在2023年上半年开始量产。预计三星第一款200层以上3D NAND芯片将达到224层。

企业铠侠与西部数据也共同表示,将在2022年底量产162层3D NAND,并于2024年之前推出200层以上的3D NAND芯片。

SK海力士和美光虽然入局相对较晚,却在技术迭代速度上更胜一筹。在2020年底美光与SK海力士相继抢先于三星突破176层NAND技术,如今又在200层以上NAND占领先机,足以展现两家厂商在闪存技术的强硬实力。

值得一提的是SK海力士在近日举行的第二季度业绩发布会上还曾透露正计划在年内完成238层NAND试产,并在2023年上半年实现量产。

如今五大存储巨头都在向NAND层数发力,随着层数越多,单位空间存储密度就越大,总存储容量越容易提升,因此可以说堆叠层数是 NAND容量增长的最重要参数吗?

层数越高容量越大?

NAND闪存堆叠技术在原理上基本类似,即通过堆叠的方式,实现在更小的空间和面积完成更大的存储容量。但是不同的厂商采用工艺不同,比如三星的COP架构、SK海力士的PUC架构、美光的CuA架构等等,导致层数标准也有轻微差异。

在低层级的时候,3D堆叠确实能够显著提升闪存的性能,但是随着层数的增加,工艺加工难度相应变大,此外散热和单元的均匀性也会出现问题,就需要在技术、成本和性能之间寻找一个平衡。

半导体行业专家池宪念也指出除了用堆叠层数来评价闪存产品以外,还需要对接口速度、可靠性、随机读取性能、低能耗、增加每单元位数等方面的指标进行对比。

因此,过度关注层数可能是一种误导,层数至上并非完全可取。

 

NAND发展助推企业级PCle 5.0 SSD

根据TrendForce数据显示,企业级SSD方面,来自超大规模数据中心的采购订单依然强劲,带动SSD采购量持续增长。预计2022年第三季度全球企业级 SSD 采购量环比增长10%。

PCIe 5.0 标准凭借优异的读写性能以及延迟特性,能满足新型服务器更低延迟和更快传输能力的需求,因此谷歌、亚马逊、Facebook、阿里云、百度、腾讯等主流云计算厂商都将企业级PCIe 5.0 SSD视为大数据运用场景下的最优选择。

PCIe从4.0发展到5.0,企业级SSD的性能标准从7GB/s变成了14GB/s。数据的爆发式增加,企业级SSD的容量需求越来越大,大容量SSD里面的NAND数量也在成倍增加。NAND数量越多,对信号带来的负载就越大;SSD的性能越高,对NAND实际达成的接口速率、信号完整性的要求也越高,因此NAND技术是企业级PCIe5.0 SSD发展的基石。

预计到2025年,国内企业级SSD市场规模将增至489亿元,5年间复合增速约25%,而PCIe SSD市场份额比例将增至90%。随着企业数字化转型进一步推进,云计算、5G、大数据和人工智能应用不断创新,数字产业规模还将进一步增长,企业级PCIe 5.0 SSD作为基础IT硬件设施,市场增长空间广阔。

 

PCle 5.0 SSD如何降本?

TrendForce数据显示,由于铠侠和西部数据的产量逐月增长以及消费电子需求疲软将导致2022年第三季度NAND 闪存市场价格将下跌0~5%,与此同时带动客户端 SSD 价格预计将下降约3-8%。

可见 NAND作为SSD成本最高的组分,也决定着SSD的价格上下浮动,随之降低 NAND的价格也成了PCle 5.0 SSD的降本之源,为进一步推动PCle 5.0 SSD在消费级的发展各存储大厂还需找到新的解决方法来满足人们日益增长的存储需求。

比如铠侠的柳茂知表示:没有必要以厚度增加为代价一味增加堆叠层数,并且铠侠将不再热衷3D NAND层数堆叠,今后会致力于寻找新思路提升平面存储密度。

在新材料方面,NAND-Flash 层堆栈的 z-shrink 涉及挤压用于创建字线层的材料,包括字线金属,各厂商正在尝试通过引入在小尺寸下可能具有较低电阻率的替代金属材料比如Ru和Mo等。

在技术方面,以往SSD均采用SLC(单层式储存)、MLC(双层式储存)、TLC芯片架构(三层式储存),其中TLC比较普遍。但随着科技迅猛发展和用户需求的增长,正在转向使用QLC(四层式储存)架构。QLC存储单元阵列的存储密度可以是TLC的1.33倍,每存储容量的制造成本将降低25%,这种方式也被视为实现3D NAND成本降低的一种办法。

相信在接下来的几年里,随着各大上游厂商 NAND 技术的成熟和运用,PCle 5.0 SSD的容量会更大、价格会更低,并受到更为广泛的应用。

 

闪存已做好准备,PCIe 5.0何时商用?

相比于消费级SSD,数据吞吐量更高的数据中心和超级计算机是PCIe 5.0抢先占据的细分市场。不过PCIe 5.0 SSD释放高速数据读写能力的同时,还需要支持PCIe 5.0的主控和处理器作为支撑。相关厂商在近两年也做出了积极响应:

在主控方面,全球第一大SSD主控芯片公司群联已于去年10月发布了旗下首款PCIe 5.0硬盘主控——PS5026-E26主控,目前已经完成流片,与之几乎同步的华存电子也发布了国内首颗PCIe5.0 SSD存储控制芯片并流片成功,将于2022年下半年量产。近期,慧荣宣布推出代号MonTian的PCIe 5.0企业级SSD平台,其中包括了SM8366和SM8308两款主控产品。

在处理器方面,从英特尔和AMD路线图来看,AMD的Zen4处理器、Intel的Sapphire Rapids处理器都会支持PCIe 5.0,还有DDR5内存,都会在2022下旬开始陆续上市,或许正好可以与和PCIe 5.0 SSD进行搭档。

未来PCIe 5.0生态的构造成熟肯定会带动SSD渗透率的急速提升,随着服务器对PCIe 5.0 SSD支持越来越成熟,企业级SSD将成为PCIe增长最快的领域之一,而PCIe 5.0的发布无疑将加速这个过程。

 

国产展望

中国作为全球第一大NAND市场,占据37%的市场份额,在长江存储存量产前,本土自给率几乎为0,而如今长江储存已能够达到128层 3D NAND,近日也有消息称长江存储将跳过原定192层3D NAND,直接挑战232层3D NAND,并有望于2022年底量产。长江存储作为国内3D NAND的主要参与者,直接影响着国产PCIe 5.0 SSD的发展进程。

另外国内SSD产业链方面,SSD厂商可以概括为“具备主控设计能力的模组生产公司”,即主要切入点一般为主控芯片的软硬件设计(包括主控芯片、固件) 及最终SSD模组的设计及生产。市场上知名的SSD主控芯片厂商主要有Marvell、慧荣科技、群联等。近年来,中国大陆SSD主控芯片厂商也逐渐崭露头角。

总体看,中国SSD正在快速增长,相应的存储数据量也从由1bit发展到3bit、4bit;闪存架构由2D发展到3D,且堆叠层数持续提升,目前接近200层;接口也向PCIe+NVMe转换,协议也在不断转换。当下固件、主控厂商正逐步尝试纵向延伸扩展业务补齐短板、与闪存厂商共同努力迎接PCIe 5.0 SSD 的到来。

编辑:黄飞

 

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