PCIe 5.0進入快車道 加速NAND的迭代升級

隨著200+層3D NAND的問世，PCIe 5.0 SSD的普及進入快車道，并將為高速數據讀寫釋放出更大能力。

作者：豐寧

7月26日，美國存儲芯片巨頭美光發表公告稱，原定于今年年底開始量產的全球首款232層3D NAND芯片已經提前量產，預示著3D NAND芯片進入200+層時代。

8月3日，SK海力士宣布基于其4D NAND閃存技術，已成功研發業界首款最高層數238層NAND閃存，顯著改善生產效率、數據傳輸速度、功耗等特性，并于明年量產。

當日，長江存儲也正式發布了基于晶棧（Xtacking）3.0技術的第四代TLC三維閃存X3-9070，雖然具體堆疊層數并未公開，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質量可靠性。

200+層NAND芯片是存儲芯片創新性的分水嶺，給SSD也提供了更為強大的存儲動力。

SSD是以閃存為存儲介質的半導體存儲器。近幾年搭上PCIe NVMe的東風，SSD的速度突飛猛進，如今已發展到PCIe5.0 SSD，與此同時也對NAND提出了更高的要求。

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PCIe?5.0?SSD對NAND的閃存需求

PCle SSD指的是PCle接口固態硬盤，較新的 PCIe 標準使電腦能夠最大限度地發揮最新的 GPU 和固態硬盤的潛能。當前主流應用的PCIe技術是PCIe 4.0，而PCIe5.0具有更為卓越的內存、存儲容量和分段功能且速度也是 PCIe 4.0 的兩倍。因此PCIe5.0的SSD不僅需要強力的主控，閃存接口的速度也要相當快。

在進一步提升性能方面，美光與SK海力士的200+層NAND本次展現的優勢也是可圈可點。

美光首次使用了6平面設計來增強并發讀寫能力。新閃存還首次使用了ONFi 5.0標準中新引入的NV-LPDDR4接口，支持高達2400MT/s的閃存接口帶寬，從而為PCIe 5.0 SSD提供動力。美光232層3D TLC NAND的量產，為新一代PCIe 5.0旗艦級SSD鋪平了道路，并將為4通道平價PCIe 4.0 SSD實現7000MB/s全速讀寫提供助力。

根據SK海力士的238層NAND閃存已公布數據其傳輸速度為2.4Gbps，相比前一代產品提高了50%，芯片讀取數據時的能消也減少21%，為PCIe 5.0 SSD大幅節省能源開支。另外SK海力士計劃先為cSSD（client SSD，主要應用范圍為PC用存儲設備）供應238層NAND閃存，隨后將其導入范圍逐漸延伸至智能手機和高容量的服務器SSD等。

目前PCIe 4.0 SSD上主要應用1200MT/s的閃存，并在8通道主控的幫助下實現了7GB/s的讀取速度；經測試1600MT/s的NAND能夠讓PCIe 4.0 SSD的讀取速度最終達到7.4GB/s的理論上限。因此美光發布的2400MT/s接口速率的新一代3D NAND供PCIe 5.0使用已完全足夠，另外功耗方面SK海力士也將PCIe 5.0 SSD推上新高度。

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NAND閃存層數迭代

五巨頭爭霸

進入2022年，隨著支持PCIe 5.0的平臺如英特爾第四代至強可擴展處理器推出，我們發現，其實NVMe SSD早就在為PCIe 5.0的到來布局了。相關存儲芯片大廠如三星、SK海力士、美光科技、鎧俠與西部數據等一直在加速NAND的迭代升級。

五巨頭NAND發展進程

2020年之前三星一直占據3D NAND的層數迭代優勢，其176層3D NAND已于今年第一季度量產。今年2月初，三星又發出公告稱，將在2022年底或2023年上半年推出200層以上的3D NAND芯片，并在2023年上半年開始量產。預計三星第一款200層以上3D NAND芯片將達到224層。

企業鎧俠與西部數據也共同表示，將在2022年底量產162層3D NAND，并于2024年之前推出200層以上的3D NAND芯片。

SK海力士和美光雖然入局相對較晚，卻在技術迭代速度上更勝一籌。在2020年底美光與SK海力士相繼搶先于三星突破176層NAND技術，如今又在200層以上NAND占領先機，足以展現兩家廠商在閃存技術的強硬實力。

值得一提的是SK海力士在近日舉行的第二季度業績發布會上還曾透露正計劃在年內完成238層NAND試產，并在2023年上半年實現量產。

如今五大存儲巨頭都在向NAND層數發力，隨著層數越多，單位空間存儲密度就越大，總存儲容量越容易提升，因此可以說堆疊層數是 NAND容量增長的最重要參數嗎？

層數越高容量越大？

NAND閃存堆疊技術在原理上基本類似，即通過堆疊的方式，實現在更小的空間和面積完成更大的存儲容量。但是不同的廠商采用工藝不同，比如三星的COP架構、SK海力士的PUC架構、美光的CuA架構等等，導致層數標準也有輕微差異。

在低層級的時候，3D堆疊確實能夠顯著提升閃存的性能，但是隨著層數的增加，工藝加工難度相應變大，此外散熱和單元的均勻性也會出現問題，就需要在技術、成本和性能之間尋找一個平衡。

半導體行業專家池憲念也指出除了用堆疊層數來評價閃存產品以外，還需要對接口速度、可靠性、隨機讀取性能、低能耗、增加每單元位數等方面的指標進行對比。

因此，過度關注層數可能是一種誤導，層數至上并非完全可取。

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NAND發展助推企業級PCle 5.0 SSD

根據TrendForce數據顯示，企業級SSD方面，來自超大規模數據中心的采購訂單依然強勁，帶動SSD采購量持續增長。預計2022年第三季度全球企業級 SSD 采購量環比增長10%。

PCIe 5.0 標準憑借優異的讀寫性能以及延遲特性，能滿足新型服務器更低延遲和更快傳輸能力的需求，因此谷歌、亞馬遜、Facebook、阿里云、百度、騰訊等主流云計算廠商都將企業級PCIe 5.0 SSD視為大數據運用場景下的最優選擇。

PCIe從4.0發展到5.0，企業級SSD的性能標準從7GB/s變成了14GB/s。數據的爆發式增加，企業級SSD的容量需求越來越大，大容量SSD里面的NAND數量也在成倍增加。NAND數量越多，對信號帶來的負載就越大；SSD的性能越高，對NAND實際達成的接口速率、信號完整性的要求也越高，因此NAND技術是企業級PCIe5.0 SSD發展的基石。

預計到2025年，國內企業級SSD市場規模將增至489億元，5年間復合增速約25%，而PCIe SSD市場份額比例將增至90%。隨著企業數字化轉型進一步推進，云計算、5G、大數據和人工智能應用不斷創新，數字產業規模還將進一步增長，企業級PCIe 5.0 SSD作為基礎IT硬件設施，市場增長空間廣闊。

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PCle 5.0 SSD如何降本？

TrendForce數據顯示，由于鎧俠和西部數據的產量逐月增長以及消費電子需求疲軟將導致2022年第三季度NAND 閃存市場價格將下跌0~5%，與此同時帶動客戶端 SSD 價格預計將下降約3-8%。

可見 NAND作為SSD成本最高的組分，也決定著SSD的價格上下浮動，隨之降低 NAND的價格也成了PCle 5.0 SSD的降本之源，為進一步推動PCle 5.0 SSD在消費級的發展各存儲大廠還需找到新的解決方法來滿足人們日益增長的存儲需求。

比如鎧俠的柳茂知表示：沒有必要以厚度增加為代價一味增加堆疊層數，并且鎧俠將不再熱衷3D NAND層數堆疊，今后會致力于尋找新思路提升平面存儲密度。

在新材料方面，NAND-Flash 層堆棧的 z-shrink 涉及擠壓用于創建字線層的材料，包括字線金屬，各廠商正在嘗試通過引入在小尺寸下可能具有較低電阻率的替代金屬材料比如Ru和Mo等。

在技術方面，以往SSD均采用SLC（單層式儲存）、MLC（雙層式儲存）、TLC芯片架構（三層式儲存），其中TLC比較普遍。但隨著科技迅猛發展和用戶需求的增長，正在轉向使用QLC（四層式儲存）架構。QLC存儲單元陣列的存儲密度可以是TLC的1.33倍，每存儲容量的制造成本將降低25％，這種方式也被視為實現3D NAND成本降低的一種辦法。

相信在接下來的幾年里，隨著各大上游廠商 NAND 技術的成熟和運用，PCle 5.0 SSD的容量會更大、價格會更低，并受到更為廣泛的應用。

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閃存已做好準備，PCIe 5.0何時商用？

相比于消費級SSD，數據吞吐量更高的數據中心和超級計算機是PCIe 5.0搶先占據的細分市場。不過PCIe 5.0 SSD釋放高速數據讀寫能力的同時，還需要支持PCIe 5.0的主控和處理器作為支撐。相關廠商在近兩年也做出了積極響應：

在主控方面，全球第一大SSD主控芯片公司群聯已于去年10月發布了旗下首款PCIe 5.0硬盤主控——PS5026-E26主控，目前已經完成流片，與之幾乎同步的華存電子也發布了國內首顆PCIe5.0 SSD存儲控制芯片并流片成功，將于2022年下半年量產。近期，慧榮宣布推出代號MonTian的PCIe 5.0企業級SSD平臺，其中包括了SM8366和SM8308兩款主控產品。

在處理器方面，從英特爾和AMD路線圖來看，AMD的Zen4處理器、Intel的Sapphire Rapids處理器都會支持PCIe 5.0，還有DDR5內存，都會在2022下旬開始陸續上市，或許正好可以與和PCIe 5.0 SSD進行搭檔。

未來PCIe 5.0生態的構造成熟肯定會帶動SSD滲透率的急速提升，隨著服務器對PCIe 5.0 SSD支持越來越成熟，企業級SSD將成為PCIe增長最快的領域之一，而PCIe 5.0的發布無疑將加速這個過程。

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國產展望

中國作為全球第一大NAND市場，占據37%的市場份額，在長江存儲存量產前，本土自給率幾乎為0，而如今長江儲存已能夠達到128層 3D NAND，近日也有消息稱長江存儲將跳過原定192層3D NAND，直接挑戰232層3D NAND，并有望于2022年底量產。長江存儲作為國內3D NAND的主要參與者，直接影響著國產PCIe 5.0 SSD的發展進程。

另外國內SSD產業鏈方面，SSD廠商可以概括為“具備主控設計能力的模組生產公司”，即主要切入點一般為主控芯片的軟硬件設計（包括主控芯片、固件） 及最終SSD模組的設計及生產。市場上知名的SSD主控芯片廠商主要有Marvell、慧榮科技、群聯等。近年來，中國大陸SSD主控芯片廠商也逐漸嶄露頭角。

總體看，中國SSD正在快速增長，相應的存儲數據量也從由1bit發展到3bit、4bit；閃存架構由2D發展到3D，且堆疊層數持續提升，目前接近200層；接口也向PCIe+NVMe轉換，協議也在不斷轉換。當下固件、主控廠商正逐步嘗試縱向延伸擴展業務補齊短板、與閃存廠商共同努力迎接PCIe 5.0 SSD 的到來。

編輯：黃飛

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