NAND主导存储器主控芯片的未来发展

shuszhao · 发表于 2021-9-7 12:43:34

众所周知，Flash闪存器件的性能是由内部控制器（controller）和存储芯片（Memory）共同决定的，虽然NAND已经发展到120+层的地步，但是其控制器仍然受到摩尔定律的限制。目前市面上存储级器件（SCMs）因为新的架构迭代而有各种不同的表现，但是普遍来说，市场上主控芯片还是受到NAND发展进程所支配的。

各家存储器厂商最新NAND层数对比（图源：EE Times）

Objective Analysis 首席分析师吉姆•汉迪(Jim Handy)表示，“众所周知，闪存密度每24个月左右就会翻一倍，但很少有人注意到，其主控制器也随之变得越来越复杂，我们从SLC到MLC、TLS再到QLC，一步一步的演变使得用户的体验变得更快更好，并且主控制器的进步尤为突出，甚至可以把一个功能齐备的主控直接连接到完全不能工作的NAND闪存上，而这在以前是难以想象的”。

但这不是说主控芯片已经发展到领先NAND数代的地步，主控的发展还是高度依赖于NAND的。目前整个市场上，单个芯片控制最大容量的器件还是像Micro-SD这样的闪存卡。
与NAND相比，近期新出现的电阻型存储器在ECC纠错和错误校验等方面对控制器的要求要低很多，像Optane 这类3D Xpoint 存储器已经内置不少强悍功能。目前新兴的电阻型存储器件相对来说制造简单、复杂度较低，所以对控制芯片的要求也就低得多，当然成本也低。
一个低端的SSD主控芯片成本也就在1-2美元，而一个高端的控制器可能价值75-100美元，这很像之前的便携计算器的发展，过去一个计算器可能价值100美元，但是现在随着制造成本和更新换代，其价格在十年前都差不多低到了白送的地步了。
Jim Handy又对EE times称，“如果没有增加新的功能，或者客户没有提出新的需求，厂商们往往也就没有更新的动力。要么变得更加复杂且功能更多，要么大幅度的降低成本，几乎所有厂商都会从这两条路中做出选择，降低成本固然是好，但是增加功能却能让其产品的附加值更高。”
NVM EXpress技术首席主管Peter Onufryk认为控制器是SSD中重要的组成部分，不同厂商（三星、铠侠等）都有自家的NAND，目前来看是不分伯仲的，但是控制芯片不同就会导致整个SSD颗粒有着不小的差别。具体来说，主控芯片对于整个SSD来说就像发动机对于汽车，虽然都可以确保器件正常工作，但是性能高低和用户体验可就差别很大了。所以在此给大家一些建议，在购买SSD时不妨多留意一下主控芯片。
目前看来，市面上做主控芯片控制器的厂家主要服务三类客户：想要做一些创造性尝试的大玩家；想占领市场和扩充产品线的SSD供应商；无牌低端SSD小商贩。当然决定SSD性能的有多方面因素，但是主控的好坏在其中起着很重要的作用，所以控制器设计是一个充满挑战的行业。NAND和SSD制造商的产品更新换代太快，使得市场变得极不稳定，而且对从业者要求甚高，需要很多固件架构、媒体信息文件和ECC和通信等方面的专业知识。所以现在无论初创公司或是老牌厂商，想要切入到控制器行业都将变得越来越难。
Marvell是一家专注于高性能的商用控制器设计公司，目前给Kioxia、SK Hynix等供货。其最新的Bravera SC5控制器系列不仅能解决云数据中心SSD不断增长的大负荷负载需求，包括符合Fips的安全特性、AES 256位加密和多秘钥控制，并且还支持PCIe 5.0和NVMe 1.4b。

Marvell 全新Bravera SC5控制器系列专为解决云数据中心SSD不断增长的负载需求（图源：Marvell）

Marvell闪存业务部市场副总裁Thad Omura称，如今的主控器件必须能对NAND的快速变化和NAND类型作出响应，并满足严格的物理条件、散热和信号完整性等要求。随着工作负载不断变化，Bravera SC5控制器可以自主定制，扩展性极强。就像Azure Facebook这样的超级云服务器，其容量和规模巨大，而Bravera SC5控制器就是为此设计的。目前存储类器件正在存储和计算两个领域快速发展，所以开发超级控制器可以将二者统一起来，在不同应用方面使用相同的硬件，对于应用厂商来说可以大大减少库存和元件使用。
当然另一个主要需求是增加ECC能力，新一代的NAND会在某些方面可靠性不够，NAND单颗裸片的容量越来越大，这就需要新的控制器具有更低的功耗和更好的散热性能。而且现在有很多大型厂商都在涉足自己以前未涉足的领域，比如Dell就在开发自己的固态硬盘。而另一些NAND厂商也在开发自主的控制芯片，通过内部不同部门加深合作可以快速高效的优化部分产品规划，但是也有部分厂商内部没能力开发控制器，需要向Marvell这样的公司寻求帮助。
当一个公司希望降低SSD解决方案的成本时，往往尝试建立更多的基础器件产品线，但是经过多年的商业试验，事实证明自主构建高性能的控制芯片是十分困难的，而且目前市场上已经有部分公司走了些弯路。
目前整个控制芯片市场还是集中在企业和NVMe固态硬盘控制器等传统存储器件领域，而未来可能会出现新一代的存储芯片（像铁磁性、光敏性芯片）。而对于SCM来讲，在NVMe接口上使用媒体类存储是没有太大价值的，越来越多的设计是将媒体类存储放在CXL上，所以Marvell公司还致力于硬盘驱动器方面的发展，提升面密度和SMR容量，上一代的SATA也还持续服务。
SCM还有很长的路要走，但对于主控芯片公司来说，SCM其实还是很大的一块“蛋糕”。虽然美光已经退出3D Xpoint市场，但是SCM还没有结束，而CXL也在快马加鞭，Marvell是一个有前瞻性的公司，我们有理由相信CXL最终能整合主控、NAND和DRAM达到最终的SCM形态。