企業(yè)級(jí)SSD的核心技術(shù)與市場(chǎng)趨勢(shì)
關(guān)鍵詞: 芯片
電子發(fā)燒友網(wǎng)綜合報(bào)道,企業(yè)級(jí)SSD由固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列制成,核心部件包括主控芯片、固件和存儲(chǔ)介質(zhì)(NAND Flash、DRAM),其中主控芯片和固件直接決定企業(yè)級(jí)SSD的性能和可靠性等產(chǎn)品表現(xiàn)。
企業(yè)級(jí)SSD的核心部件示意圖
主控芯片(控制大腦) 控制數(shù)據(jù)讀寫,直接決定SSD 的性能、可靠性固件(操作系統(tǒng)) 確保SSD高效穩(wěn)定運(yùn)行 NAND Flash、DRAM(存儲(chǔ)介質(zhì)) NAND Flash是主要存儲(chǔ)介質(zhì),用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù);DRAM提供數(shù)據(jù)緩存 。
企業(yè)級(jí)SSD總線
總線是計(jì)算機(jī)不同功能部件之間交互數(shù)據(jù)的通路,對(duì)于 SSD而言,總線就 是數(shù)據(jù)自 SSD 到 CPU 所走的路??偩€承載能力具有一定上限,其位寬、傳輸 頻率和通道數(shù)共同決定了數(shù)據(jù)理論傳輸速度。SSD 的總線類型可分為 SATA 總 線、SAS總線、PCIe總線三類,對(duì)比如下:
SATA總線最初為個(gè)人電腦和消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)設(shè)計(jì),更注重存儲(chǔ)容量而非傳輸速 度。SAS 總線相對(duì)于 SATA 總線提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和容錯(cuò)能力,主要面 向早期企業(yè)級(jí)場(chǎng)景應(yīng)用。PCIe總線被實(shí)際應(yīng)用后,PCIe SSD相較于其他類型產(chǎn)品提供了更高數(shù)據(jù)傳輸速度和更低延遲,在高性能、高可靠性要求的企業(yè)級(jí)應(yīng) 用場(chǎng)景中表現(xiàn)突出,已成為目前最主流的企業(yè)級(jí) SSD。PCIe 總線自 2003 年首 次推出以來(lái)持續(xù)迭代,傳輸速度顯著提升。目前企業(yè)級(jí) PCIe SSD 市場(chǎng)產(chǎn)品以 PCIe 4.0 為主,PCIe 5.0產(chǎn)品已逐步推向市場(chǎng)。
企業(yè)級(jí)SSD與消費(fèi)級(jí)SSD的對(duì)比
SSD根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同,主要分為企業(yè)級(jí)SSD和消費(fèi)級(jí)SSD。企業(yè)級(jí)SSD主要應(yīng)用于AI、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場(chǎng)景,消費(fèi)級(jí)SSD廣泛應(yīng)用于電腦、手機(jī)、移動(dòng)硬盤等消費(fèi)電子場(chǎng)景。與消費(fèi)級(jí)SSD相比,企業(yè)級(jí)SSD在產(chǎn)品性能、可靠性、耐用性等方面表現(xiàn)更為突出,主要指標(biāo)對(duì)比情況如下:
全球及中國(guó)企業(yè)級(jí)SSD市場(chǎng)規(guī)模
隨著半導(dǎo)體存儲(chǔ)周期性復(fù)蘇,數(shù)字經(jīng)濟(jì)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。根據(jù) Forward Insights 統(tǒng)計(jì),2022 年,全球企業(yè)級(jí) SSD市場(chǎng)規(guī)模為 204.54億美元,并將隨著 存儲(chǔ)行業(yè)需求提振不斷增長(zhǎng),預(yù)計(jì) 2027 年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 514.18 億美元,年 復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到 20.25%,其中,PCIe 接口的企業(yè)級(jí) SSD 占主導(dǎo)且占比持續(xù)上 升,其在終端數(shù)據(jù)中心等場(chǎng)景的應(yīng)用覆蓋率不斷增加。
隨著AI應(yīng)用推動(dòng)存儲(chǔ)需求,疊加服務(wù)器廠商需求升溫,企業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤采 購(gòu)需求明顯增長(zhǎng)。根據(jù) Forward Insights 數(shù)據(jù),2022 年,中國(guó)企業(yè)級(jí) SSD 市場(chǎng) 規(guī)模為 44.71 億美元,預(yù)計(jì)中國(guó)企業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤市場(chǎng)規(guī)模將保持增長(zhǎng),2027 年 將達(dá)到135.09億美元,年復(fù)合增長(zhǎng)率為24.75%。
行業(yè)現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展
存儲(chǔ)場(chǎng)景要求不斷提升,企業(yè)級(jí)SSD對(duì)HDD加速替代 硬盤內(nèi)部構(gòu)造上,SSD與HDD存在顯著差異。與HDD相比,由于取消了機(jī)械部件,完全消除了旋轉(zhuǎn)和尋道的延遲,所以 SSD 在讀寫速度上遠(yuǎn)優(yōu)于 HDD,尤其在隨機(jī)讀寫速率上有數(shù)量級(jí)的提高。企業(yè)級(jí) QLC SSD 因其大容量 和低能耗優(yōu)勢(shì),是目前企業(yè)級(jí) HDD 的主流替代方案,其主要指標(biāo)和企業(yè)級(jí) HDD的對(duì)比情況如下:
HDD 目前在常規(guī)大規(guī)模冷數(shù)據(jù)或溫?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)場(chǎng)景下仍具有性價(jià)比,出貨量 仍占大部分,但隨著企業(yè)級(jí) SSD容量的增加和單位成本的下降,對(duì) HDD替代 的主要障礙有望逐漸消除。當(dāng)前 SSD 的最大容量已經(jīng)超過(guò) HDD,單位容量?jī)r(jià) 格逐步下降,SSD已開(kāi)始對(duì)HDD進(jìn)行加速替代,未來(lái)替代空間較大。
PCIe接口替代SATA/SAS接口,同時(shí)自身迭代演進(jìn)
PCIe接口對(duì)SATA/SAS接口的替代發(fā)展 數(shù)據(jù)傳輸接口扮演著數(shù)據(jù)傳輸“公路”的重要角色。PCIe 接口作為一種高速串行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙通道高帶寬傳輸接口,是數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹案咚俟贰?,正在加?取代 SATA和 SAS接口等“低速公路”。SATA和 SAS接口早期主要為 HDD 設(shè)計(jì),提供了較為廣泛的兼容性,部分早期低成本 SSD 也適用。舉例來(lái)看, SATA接口SSD傳輸速度能達(dá)到500-550 MB/s,雖表現(xiàn)優(yōu)于HDD,但隨著企業(yè) 級(jí)應(yīng)用環(huán)境要求的不斷提升,其在數(shù)據(jù)傳輸速率和延遲方面已逐漸無(wú)法滿足現(xiàn) 代計(jì)算系統(tǒng)的需求。而 PCle 接口具有更高帶寬和更低延遲,特別適配高性能 SSD。當(dāng)前主流的PCle 4.0 x4理論帶寬可以達(dá)到8GB/s,顯著優(yōu)于SATA SSD。 雖然SATA和 SAS接口在某些應(yīng)用場(chǎng)景下仍然有成本和兼容方面的優(yōu)勢(shì), 但在高性能計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析和 AI 等對(duì)速度和帶寬要求極高的領(lǐng)域,PCIe 接口優(yōu)勢(shì)明顯。因此,PCIe 接口的發(fā)展和普及正在推動(dòng)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能提升,同時(shí)也在逐步替代傳統(tǒng)的SATA和SAS接口。
隨著PCIe技術(shù)的不斷進(jìn)步, 在AI、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場(chǎng)景,PCIe接口已成為主流的互連標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)Forward Insights 數(shù)據(jù),全球企業(yè)級(jí) SSD市場(chǎng)中,PCIe SSD占企業(yè)級(jí) SSD 規(guī)模比重已從2017年的27.27%提升至2023年的86.02%。
PCIe接口自身不斷迭代演進(jìn),實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級(jí) PCIe 系為滿足高性能 SSD 需求的產(chǎn)物,隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展,除對(duì) SATA/SAS 替代外,其代際的迭代發(fā)展亦是必然趨勢(shì)。隨著數(shù)據(jù)量的爆炸性增 長(zhǎng)和對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸需求的不斷提升,每一代PCIe的更新都帶來(lái)了數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬的顯著提升,從PCIe 1.0的8Gb/s到PCIe 6.0的256Gb/s。
在此基礎(chǔ)上,PCIe 代際的迭代引入了更高效的編碼方式、信號(hào)技術(shù)和前向糾錯(cuò)機(jī)制,以適應(yīng) AI、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)中心應(yīng)用場(chǎng)景的需求,確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邘挕⒌脱舆t和高可靠性,推動(dòng)了整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的進(jìn)步。隨著 PCIe 標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn),企業(yè)級(jí) PCIe SSD 也在不斷迭代,以滿足更高的性能需求和市場(chǎng)規(guī)模的增長(zhǎng)。由于PCIe總線推出到實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用需要較長(zhǎng)時(shí)間,目前尚無(wú) PCIe 6.0 產(chǎn)品批量出貨,PCIe企業(yè)級(jí) SSD市場(chǎng)產(chǎn)品以 PCIe 4.0為主,PCIe 5.0 產(chǎn)品已開(kāi)始推向市場(chǎng),未來(lái)幾年將逐漸實(shí)現(xiàn)從PCIe 4.0到 PCIe 5.0的切換。公司的企業(yè)級(jí) SSD產(chǎn)品代際覆蓋 PCIe 3.0到 5.0,目前正結(jié)合下游市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì),開(kāi)始進(jìn)行PCIe 6.0系列產(chǎn)品的研發(fā)工作。
AI催生大容量QLC SSD需求,拉動(dòng)企業(yè)級(jí)SSD增長(zhǎng)。AI 時(shí)代的大模型在訓(xùn)練與推理過(guò)程中,數(shù)據(jù)傳輸、運(yùn)算對(duì)存儲(chǔ)提出了更高要求。大容量QLC SSD作為一種前沿企業(yè)級(jí)SSD 產(chǎn)品,能夠有效節(jié)省空間和能耗,提升GPU運(yùn)行效率,進(jìn)而降低整體成本,成為可用于AI服務(wù)器的高性價(jià)比選擇。
AI 服務(wù)器相較通用服務(wù)器單臺(tái)價(jià)值高數(shù)倍至十余倍,單臺(tái) AI 服務(wù)器中的企業(yè)級(jí)SSD價(jià)值一般是通用服務(wù)器的3倍以上。根據(jù)IDC預(yù)測(cè),到2026年僅 全球 AI 服務(wù)器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 347.1 億美元,2021 年-2026 年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá) 17.3%。AI服務(wù)器市場(chǎng)規(guī)模的穩(wěn)定快速增長(zhǎng),將催生大容量QLC SSD的下游市場(chǎng)需求,進(jìn)一步帶動(dòng)企業(yè)級(jí)SSD的增長(zhǎng)。
關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施國(guó)產(chǎn)化替代,自主可控生態(tài)逐步完善。我國(guó)是全球第二大企業(yè)級(jí)SSD市場(chǎng),但目前主要市場(chǎng)份額仍被國(guó)外廠商占據(jù)。因此,國(guó)家對(duì)于打造國(guó)產(chǎn)企業(yè)級(jí)SSD自主可控產(chǎn)業(yè)生態(tài)的需求日益強(qiáng)烈,這不僅涉及到供應(yīng)鏈的安全, 亦是推動(dòng)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。國(guó)產(chǎn)企業(yè)級(jí)SSD的發(fā)展,能夠減少對(duì)外部技術(shù)的依賴,增強(qiáng)國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力,同時(shí)也有助于提升國(guó)家信息安全水平。
SCM產(chǎn)品 + CXL協(xié)議,打造超低延時(shí)“固態(tài)盤即持久內(nèi)存”。SCM 是一種新型非易失性存儲(chǔ)技術(shù),融合了內(nèi)存的低延遲、高帶寬特性和 閃存的大容量、持久化特性,使用的存儲(chǔ)顆粒特性位于傳統(tǒng)內(nèi)存介質(zhì)(如 DRAM)與閃存介質(zhì)(如 TLC NAND Flash)之間,旨在彌合兩者之間的性能 與成本鴻溝。SCM 的介入改變了傳統(tǒng)存儲(chǔ)分層架構(gòu),增加了數(shù)據(jù)分層中的中間層,可以支持更智能的數(shù)據(jù)分層調(diào)度,提升存儲(chǔ)系統(tǒng)整體效率和成本控制能力。 SCM在 AI存儲(chǔ)系統(tǒng)中預(yù)計(jì)逐漸也會(huì)發(fā)揮重要的作用,在AI訓(xùn)練和推理任務(wù)中,大量數(shù)據(jù)需要被加載,SCM 可以作為熱數(shù)據(jù)和預(yù)處理結(jié)果的緩存層,提升 AI 存儲(chǔ)系統(tǒng)的效率。
行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局
企業(yè)級(jí) SSD行業(yè)具有研發(fā)難度高、技術(shù)迭代快、客戶培育周期長(zhǎng)、資金投 入大等特點(diǎn)。國(guó)外龍頭企業(yè)起步較早,在生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品性能、品牌知名度等 方面具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),在市場(chǎng)中處于主導(dǎo)地位,全球范圍內(nèi)呈現(xiàn)韓國(guó)(三星 和 SK 海力士)優(yōu)勢(shì)顯著,美國(guó)、日本緊隨其后,中國(guó)奮起直追的局面。我國(guó)企業(yè)級(jí) SSD行業(yè)起步相對(duì)較晚,市場(chǎng)份額小,整體生產(chǎn)技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平相比存在一定差距,本土企業(yè)有較大發(fā)展空間以及較長(zhǎng)國(guó)產(chǎn)化替代過(guò)程。
全球企業(yè)級(jí)SSD市場(chǎng)目前集中度較高,5家龍頭企業(yè)三星、SK海力士、西 部數(shù)據(jù)、美光和鎧俠占據(jù)了全球 90%以上的市場(chǎng)份額,這些公司在半導(dǎo)體存儲(chǔ)領(lǐng)域擁有深厚的技術(shù)積累、廣泛的產(chǎn)品布局和強(qiáng)大的研發(fā)能力。AI、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展帶動(dòng)了企業(yè)級(jí) SSD的市場(chǎng)需求和技術(shù)進(jìn)步,同時(shí)也為其他新興存儲(chǔ)廠商提供了提高市場(chǎng)份額的寶貴機(jī)會(huì),推動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)多元化。
中國(guó)企業(yè)級(jí)SSD市場(chǎng)處于快速增長(zhǎng)階段,國(guó)內(nèi)企業(yè)級(jí)SSD廠商通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級(jí),正逐步提升在全球市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力,逐步提高市場(chǎng)份額。隨著中國(guó)對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的大力支持和自主可控產(chǎn)業(yè)生態(tài)的逐漸完善,國(guó)內(nèi)存儲(chǔ)企業(yè)技術(shù)實(shí)力和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力逐年增強(qiáng),較國(guó)外廠商的市場(chǎng)份額呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)的同時(shí),市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈。
2023 年中國(guó)企業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤市場(chǎng)份額(PCIe+SATA+SAS)
數(shù)據(jù)來(lái)源:《中國(guó)企業(yè)級(jí)固態(tài)硬盤市場(chǎng)份額,2023》,IDC。
全球企業(yè)級(jí) SSD行業(yè)形成了多類型經(jīng)營(yíng)模式和產(chǎn)業(yè)鏈布局共存的情形,具體如下:
具備主控芯片自研能力的企業(yè)級(jí)SSD企業(yè) 采取該經(jīng)營(yíng)模式的企業(yè)專注于主控芯片設(shè)計(jì)、固件及模組開(kāi)發(fā)等核心環(huán)節(jié), 存儲(chǔ)介質(zhì)來(lái)自于自產(chǎn)或外購(gòu),代表廠商為三星、Solidigm(SK 海力士旗下)、 西部數(shù)據(jù)、大普微和憶聯(lián)信息等。該類廠商擁有自研主控芯片能力優(yōu)勢(shì),產(chǎn)品 類型多樣化,自研主控芯片有利于按照下游客戶特定需求提供更多差異化定制產(chǎn)品和產(chǎn)品售后技術(shù)支持。
專注企業(yè)級(jí) SSD主控芯片研發(fā)的企業(yè)通常采取技術(shù)驅(qū)動(dòng)的經(jīng)營(yíng)模式,依托自主研發(fā)的核心技術(shù),提供高性能、高可靠性的主控芯片,代表廠商包括 Marvell 、Microchip 等。該類廠商聚焦于主控芯片的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā),通過(guò)與下游企業(yè)級(jí)SSD廠商合作,滿足終端領(lǐng)域的市場(chǎng)需求。
專注模組開(kāi)發(fā)的企業(yè) 采取該經(jīng)營(yíng)模式的企業(yè)與主控芯片、存儲(chǔ)介質(zhì)供應(yīng)商合作,通過(guò)外購(gòu)主控 芯片和存儲(chǔ)介質(zhì)并搭載自研固件,實(shí)現(xiàn)模組開(kāi)發(fā),可以向客戶提供定制化的存儲(chǔ)解決方案,代表廠商為憶恒創(chuàng)源等。
小結(jié):
關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營(yíng)者將加速中國(guó)境內(nèi)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和升級(jí),帶動(dòng)存儲(chǔ)行業(yè),尤其是具有本土化優(yōu)勢(shì)的企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)廠商的快速發(fā)展。同時(shí),AI、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的興起極大地拉動(dòng)了對(duì)高性能存儲(chǔ)解決方案的需求。下游應(yīng)用行業(yè)蓬勃發(fā)展,將形成多方面存儲(chǔ)需求,助推企業(yè)級(jí)SSD行業(yè)快速發(fā)展。
