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SSD控制器供应商的新想法

新电子 ·2018-07-01 09:18·半导体行业观察
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物联网世代来临,带动消费性电子、企业、工业、汽车等市场对SSD的需求急速攀升,为掌握庞大商机,SSD控制IC业者,模组厂皆加大市场布局力道,使劲开发更高效能、更耐用的新款解决方案。

在4K影音、VR、AR以及日益蓬勃的物联网(IoT)智慧感测等应用趋势驱动下,无论消费性电子、企业、工业、汽车市场对SSD的需求都急速攀升,加上SSD开始加速朝PCIe介面转换,为NAND Flash记忆体、控制芯片、SSD模组等供应链业者带来绝佳的成长机会,相关厂商无不卯足全力开发更高规格的新一代解决方案。

3D NAND 制程成熟 SSD 价格回跌供货稳定

慧荣科技产品企划部协理黄士德(图1)表示,2017年缺货原因不外乎是3D NAND Flash制程转换良率不足(从32层切入至64、72层)和资料中心成长快速,导致NAND Flash供不应求,价格也因而上涨。

图1 慧荣科技产品企划部协理黄士德表示,64和72层的3D NAND Flash制程已成熟,SSD的价格和供货也比去年稳定许多。

不过,此一缺货情势已经在2018年第一季开始缓解。黄士德进一步指出,64和72层的3D NAND Flash制程已经成熟,并且已开始量产;NAND Flash的价格开始下滑,连带使得SSD的价格一起往下降。因此,预计2018年SSD供货和价格会比去年稳定很多。

在工控市场方面,也是呈现持稳的态势;不过,工控市场目前仍以2D NAND Flash为主。宜鼎国际工控Flash事业处资深协理李孟厚(图2)透露,工控业者向来以稳定为优先,虽说3D NAND Flash制程已成熟,但在工控领域仍少有人导入,只在一些数位看板、POS机上采用。因此,即便现在NAND Flash的价格走跌,但工控SSD产品,价格仍与去年差不多,既没明显走软,但也不太会再飙涨。

图2 宜鼎国际工控Flash事业处资深协理李孟厚透露,工控领域以稳定为优先选择,因此目前仍是采用2D NAND Flash为主。

群联电子创新技术研发事业部资深经理许江汉(图3)则指出,在供货稳定之际,接下来要观察的面向,便是96层的TLC和96层的QLC何时会问世。

图3 群联电子创新技术研发事业部资深经理许江汉认为,96层TLC在2018年底或2019年就会问世。

许江汉认为,96层的TLC快则2018年底,迟则2019年就会问世。因为96层的3D NAND Flash与72层TLC的硬体设计架构没有太大变化,而韧体若是可以支援72层TLC,只须再稍微调整10%~20%就可以用于96层TLC,大概在产品验证阶段才会耗费一点时间。

因此,若顺利的话,最快于今年底就可看到96层的TLC亮相。至于96层的QLC,大概会慢96层TLC一到两季出现,而其应用领域可能会先以低阶SD或USB试水温,待可靠度及性能被多数消费者接受之后,才会开始导入至SSD。

另一方面,除了上述所提到的转变之外,还有另一项值得观察的趋势,便是SSD由SATA介面转换至PCIe的脚步逐渐加快。

许江汉指出,PCIe和SATA的价差愈来愈小,但效能和速度却快上许多,在电竞带动的趋势下,今年搭载PCIe的笔记型电脑数量将会增加,PCIe的市占率明显提升。

黄士德也认为,PCIe今年于PC或笔记型电脑的数量会上扬,但零售通路这块还不会有明显成长,可能还是低于两成。不过,待PCIe价格与SATA完全接近之后,消费者势将转为采用PCIe,因此预估2019~2020年,PCIe于零售通路的销售占比会快速攀高。

总而言之,随着64层与72层3D NAND Flash制程成熟,SSD今年将会是供货稳定,而在电竞、物联网、工业、汽车等应用需求持续高涨的情况下,SSD商机也一片大好。因此,SSD控制IC商与模组厂加速布局,抢食市场大饼。

 

群联采客制化 /M 型化策略插旗 SSD 版图

如同上述提到,SSD未来几年的其中一项发展趋势,是从SATA介面转换成PCIe,为SSD未来应用发展又带来新的出路;而为能及早插旗此一市场版图,SSD控制IC供应商也纷纷推出新产品,加快布局脚步。

许江汉指出,去年PCIe的市占率还不算太高,多以用户端(Client)的伺服器和高阶电竞机种为主。不过,如同前面提到,在电竞带动之下,今年PCIe在笔记型电脑中搭载率可能会明显增加,达到30%~40%左右。

许江汉进一步说明,事实上,PCIe与SATA介面的产品相比,已经没有什么价差,但速度和效能都比SATA更快、更好,用户自然会被吸引;在这种情况下,PCIe的市占率自然会逐渐攀升,而SATA则慢慢式微。不过,SATA也不会就此被淘汰,而是存在于特定应用领域,例如工控,或是低阶产品当中。

许江汉解释,工控应用重稳定,且资料传输需求也不像消费性应用这么庞大,因此未来几年工控SSD产品仍会以SATA介面为主。至于低阶的SSD产品也会继续使用SATA介面,因不是每个人都有大量传输资料的需求,对仅需小资料传输的消费者而言,SATA规格已可满足,也毋须花费高昂价格。

此外,即便目前用户端伺服器已逐渐朝PCIe转换,但也非一蹴可几,因一口气导入的布建成本太高,因此网路业者多半是采用逐步更新的方式。也就是说SATA要全部汰换为PCIe,中间仍有个不短的过渡期;因此,PCIe依旧有其市场商机。

为此,群联采用「M型化」的产品策略(以高端和廉价产品为主)进行市场布局,像是因应PCIe发展,群联于不久前才刚发布新一代高阶PCIe SSD控制芯片--PS5012 -E12。

该产品采用台积电28纳米制程,搭载3D NAND Flash,主要介面为Gen3×4 NVMe,传输速度将高达连续读取3200MB/s及连续写入3000MB/s,4KB随机读取(IOPs)速度达60万次,最大容量可高达8TB,以及支援Thunderbolt 3可携式外接固态硬碟。

许江汉说,除了甫发表不久的PS5012-E12,该公司也预计于2019年推出PCIe Gen4产品;而在低阶产品方面也有新的规画,如在5月量产的E13/S13控制IC,或是即将推出的E17(Gen3×2)等。

此外,不仅采取M型化产品策略,群联也用客制化服务抢攻SSD市场。许江汉指出,要和东芝、美光、三星等大厂比拼规模、产量是不太可能的;而客制化服务代表一种弹性策略,只要客户提出的想法能够运行,便可进一步讨论生意模式。因此,弹性的客制服务也是群联的市场竞争优势之一。像是日前该公司发布旗下多款PCIe规格的SSD控制芯片将支援英特尔(Intel)高速传输技术Thunderbolt 3,这便是客制化服务的一种。

总之,SSD市场竞争激烈,即便采用M型化的产品策略,也难免会碰到价格战;因此,运用自有的技术发展客制化服务,是不可或缺的营运方针,也是提升市场竞争优势的条件之一。

慧荣瞄准 Open Channel SSD 商机

同样为SSD控制IC供应商的慧荣科技,也相准SATA转PCIe商机,推出SM2262EN/SM2262和SM2263和SM2263XT解决方案。黄士德指出,上一代的SSD PCIe控制IC的规格大多是两通道(Gen3 by2),但使用两通道,其传输速度通常会被限制在1.6Gbps;为了因应更高的传输需求,新一代的解决方案多采用Gen3 by4的规格,速度为Gen3 by2的两倍,这也是今年该公司的产品规画方向。

据悉,SM2262EN和SM2262为8通道高效能PCIe Gen3×4 SSD控制芯片,可发挥PCIe 3.1和NVMe 1.3 SSD技术优势,提供超高效能以及更加可靠的SSD解决方案。

而SM2263和SM2263XT为4通道高效能PCIe Gen3×4 SSD控制芯片,适用于符合成本效益、精巧的外型尺寸和低功率用户端SSD,并提供完整的ASIC/韧体解决方案,可支援所有主流NAND供应商的3D NAND。

此外,黄士德指出,英特尔部分的储存平台预计将于2020年转换至PCIe Gen4。因此该公司也开始研发PCIe Gen4相关产品,预计于2019年推出,好赶上英特尔2020年的规画。

除了推出新品抢攻PCIe SSD控制IC市场之外,慧荣也积极布局Open Channel NVMe SSD。Open Channel NVMe SSD特点在于,其不在驱动器的韧体中实现快闪记忆体翻译层(FTL),而是将物理固态储存的管理任务转交到电脑的作业系统,上述提到的SM2262EN产品,便有这一功用。

黄士德说明,数据中心(Data Center)中有着许多不同特性的资料,若要针对大量且不同的资料进行处理,SSD的Flash控制器须进行优化;而使用Open Channel NVMe SSD技术,将FTL从SSD的韧体中抽离,转移至伺服器上的软件(作业系统),便可提升Flash控制器升级弹性和速度,不用再从韧体下手。

黄士德指出,硬体不论是升级或修改,都有其限制,须花上一定的时间;甚至有可能重新设计;而软件变更的速度较快,机动性高,不仅升级容易,也可发展更多客制化服务。简而言之,Open Channel技术将FTL移置电脑作业系统,让软件具备更多功能,减轻Flash控制器负担,以因

应大量、不同特性的数据资料处理。

黄士德解释,三星、东芝这类的上游供应商,目前还不太会跨入Open Channel SSD这块市场。原因在于Open Channel SSD弹性高,要服务各种不同的客户,而三星、东芝因为产品量大,都希望以统一规格卖出,因此目前还在观望中。也因此,Open Channel SSD对慧荣来说是个拓展SSD市场商机的好机会。因此该公司积极布局,而旗下企业级Open Channel NVMe SSD控制芯片也开始送样给第二家大型资料中心。

布局 SSD 市场宜鼎以软带硬

前面提到,不论是工控领域,或是消费性市场,对SSD的需求可说是有增无减。李孟厚指出,智慧物联为未来趋势,而要实现此一愿景,便须透过电脑运算。因此,现今工控电脑可说已走入各个产业,除了工业之外,包括医疗、交通、商业零售等,都已相继导入。

李孟厚说,工业电脑上皆须搭载储存装置,过去储存装置多为硬碟,但缺点是体积大,无法满足现今物联网设备小型化的设计需求。也因此,具备高储存量、体积小的SSD需求上扬,未来SSD势将走入到各种IoT装置之中,这也意味着SSD的商机潜力无穷。

然而,商机庞大也代表着市场竞争会更加激烈,尤其是SSD模组市场进入门槛不高,因此对于 模组厂商而言,更须找出产品差异化,以提升竞争优势。

因此,宜鼎采用「以软带硬」的策略,强化市场竞争优势。李孟厚表示,在硬体方面,该公司持续从电源管理、温度感应,或是需求大增的抗硫化技术等面向提升SSD模组性能。像是该公司日前便推出NVMe M.2 SSD产品,拥有PCIe Gen 3×2以及PCIe Gen 3×4两种规范,并支援独家资料安全韧体技术iData Guard与iCell,且具备多种尺寸(2242/ 2280)选择,加上低耗能、散热快等功能。

在软件面,李孟厚指出,工控市场有许多应用,例如医疗、工业、交通等。每个领域对储存装置的要求都不同;而东芝、美光等SSD芯片大厂,因出货量大,通常只提供一种韧体规格,无法针对不同领域的业者提供不同韧体,而这种方式无法百分百的贴近业者需求。

因此,宜鼎便致力于自行开发轫体,以便能依据不同市场提供不同韧体。这样做的好处在于,不仅可依据客户的需求进行客制化服务,当遇到问题时,也可立即进行修正。

此外,以软带硬的策略,还有一个愿景便是透过整合软硬体的优势,提供产品更强大的功能、效能与管理能力,让客户能够轻松使用、管理与维护。因此,宜鼎也研发「iCAP云端软件平台」。

李孟厚指出,物联网带动SSD需求,当物联网装置与自动化结合,大量资料的不停读取,加上有些物联网装置位于严苛环境,将会导致SSD整体耐用度下降。为确保SSD可顺利运作,避免意外故障影响到整个工厂的正常运作,便需要一套智慧管理系统,能够随时检视SSD储存装置的健康状态,同时预估装置的使用寿命。

因此,宜鼎推出iCAP云端软件平台,该产品可透过网路(Internet)或企业网路(Intranet)来快速部署,能搜集所有连接装置的各种数据,且这些数据可经由浏览器直接检视。使用者可以透过直觉的仪表板介面,轻松监控各种设备的状态。

此外,iCAP的智慧分析功能,可精准预测储存装置的使用寿命,让营运商或IT设备管理人员,能够随时掌握设备状态,并即时进行维护,以达到工厂零停机的目标。

抢攻六大垂直应用宇瞻强化 SSD 耐用性

在智慧物联的趋势带动之下,SSD需求急速攀升,宇瞻科技也瞄准工业物联网(IIoT)、交通运输、医疗照护、国防应用,以及博弈电竞与生活娱乐六大领域,提供更高可靠度、高效能的数位储存产品与客制化软韧硬体整合服务,满足市场需求。

宇瞻科技研发处技术总监李俊昌(图4)指出,不论是工控市场,或是将来的智慧物联,对SSD的要求都是更高效能、更可靠及更耐用,以满足各种应用。因此,抗硫化及超容量快取(Over-Provisioning, OP)两项技术的重要性也与日俱增。

图4 宇瞻科技研发处技术总监李俊昌指出,未来各种领域对于SSD的耐用度要求更高,因此抗硫化和超容量快取技术重要性日增。

据悉,当SSD组装完成后,制造商可在进行韧体程式设计时,额外保留一部分硬碟储存容量做为超容量快取。为了避免固态硬碟被填满无效的分页档,SSD控制器垃圾资料回收功能会将超容量快取当做临时的工作空间,以管理排定的有效分页档合并工作,并回收填满无效(或已删除)分页档的区块。

如果透过超容量快取储存容量而随时都有空白区块可用,有助于持续在NAND快闪记忆体上有效地进行平均抹写,因为SSD控制器可聪明地将写入作业均匀地重新分散于所有NAND快闪记忆体芯片之间,而不影响固态硬碟在尖峰流量负载期间的整体效能。此外,还可藉由回收任何无效分页档和未使用的储存容量,将ATA Data Set Management TRIM指令新增至SSD的可用空间。

换句话说,超容量快取可提升效能及增加SSD的耐用性,有助于硬碟延长寿命,因为SSD控制器具有更多Flash NAND储存空间,可缓解NAND Flash寿命期间的损耗情形。

李俊昌指出,使用超容量快取技术,通常会使得SSD的储存空间下修7%左右,如从32GB变30GB,或是128GB降至120GB,于是有些工控业者会认为容量缩小,而对采用超容量快取技术的SSD兴趣缺缺。

但事实上,即便使用32GB的SSD,多数人实际用量大约在10~20GB,不会将32GB的内容全部写满;因此采用超容量快取技术,反而能提升SSD周转效能,延长耐用度与寿命。简而言之,具备大容量,不代表SSD拥有更长寿命,而是端看是否能使SSD的使用空间最大化,这可能

是未来终端业者在挑选SSD时须考量的地方。

另一方面,智慧物联的趋势也带动边缘运算需求大增。李俊昌指出,边缘运算应用同样也会带动SSD需求上扬,且由于边缘运算装置多位于条件严苛且复杂的应用环境,因此具备抗硫化效果的工业用记忆体模组需求也随之成长。

为满足市场需求,宇瞻科技从改变电极层材料着手,使产品具备更高的抗硫化效果。宇瞻科技DRAM产品管理部产品副理张志亮表示,过往的抗硫化技术,大多在电阻电极层上使用耐硫材料,增加一层耐硫层包覆,避免电极层与硫化气体直接接触,加强电阻对硫化气体的防护能力。不过,此种作法常因为制程关系,耐硫层常会出现偏移而影响抗硫化效果。

因此,宇瞻科技便决定改变电极层材料,将以往常使用的银,替换成由「金」、「银」、「钯」结合而成的特殊合金材料,借此达到最高的抗硫化效果。

据悉,一般记忆体模组于高温、高浓度含硫的环境当中,不到200小时就会开始出现硫化腐蚀情形,造成故障问题。而采用特殊合金材质的抗硫化记忆体,其元件均通过抗硫化ASTM B809-95的测试规范,于摄氏105度的高温、高浓度含硫环境下,仍可稳定正常运作超过1,000小时,提升抗硫化耐用度高达5倍以上。

张志亮说,金和钯这两种材料都具备很高的抗腐蚀性,采用这两种材料与银结合所产生的特殊合金,对于高温、严苛环境有很高的抵抗性,能确保产品可靠度与耐用度,满足系统长时间稳定运作之需求,进而有效提升系统整体使用寿命。

此外,为提升SSD效能与可靠度,宇瞻也从软件面着手,推出SSDWidget、CoreAnalyzer,让客户可掌握SSD运作情况。SSDWidget为全面性的磁碟监控和维护程式,包括SMART、硬碟抹除和行动监控功能;而CoreAnalyzer是资料行为分析工具,透过搜集和分析客户主机系统的资料,呈现SSD的使用者行为,同时根据分析结果将韧体最佳化,提高SSD的效能和使用寿命。

缺货情势已过 SSD 渗透率将再扩大

总结上述所说,整体而言,在渡过2017年供不应求的情况之后,2018年SSD市场将呈稳定态势,而随着3D NAND记忆体良率与产能提升,加上控制IC业者、模组商持续精进旗下产品与技术,SSD产品效能势将再写新页,而市场渗透率亦将更形扩大。

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