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NAND主导存储器主控芯片的未来发展

时间:2021-09-07 作者:Gary Hilson 阅读:
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。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。
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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。

(参考原文:NAND Directs the Future of Memory Controllers)

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2021年9月刊杂志文章, 版权所有,禁止转载。点击申请 免费杂志订阅 

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Gary Hilson
EE Times特约编辑。Gary Hilson是一位自由撰稿人和编辑,曾为北美地区的印刷和电子出版物撰写过大量稿件。 他感兴趣的领域包括软件、企业级和网络技术、基础研究和教育市场,以及可持续交通系统和社会新闻。 他的文章发表于Network Computing,InformationWeek,Computing Canada,Computer Dealer News,Toronto Business Times,Strategy Magazine和Ottawa Citizen。
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