SSD主控芯片江湖知多少?

固态硬碟(SSD)主要包括主控晶片、快闪记忆体颗粒和缓存单元三大组件,在这三大件中,采购成本最高的是快闪记忆体颗粒,大约占据了70%的份额;由于不同厂商对不同产品的定位问题和有些产品存在内外置缓存的区分,缓存单元一般无法统一论述;但最有技术含量和核心技术的则是主控晶片了。

目前固态硬碟的主控主要分为两大阵营:原厂和主控厂商。今天主要的快闪记忆体制造厂有三星、东芝、美光、海力士,以及不久前与美光分家的英特尔,它们也同时生产原厂固态硬碟。

不过现在除了三星之外,很多原厂固态硬碟也不再使用完全自主研发的主控晶片了,比如英特尔545s和660p/760p、美光的BX500、MX500,使用的都是慧荣的主控。再比如说东芝的TR200,名义上它使用的是东芝自家的TC58NC1010GSB,其实仔细一看,还是群联PS3111的底子。海力士对外宣称其固态硬碟的主控是自主研发的,目前披露的相关信息比较少。

也就是说,各大快闪记忆体原厂都在一定程度上将主控设计和固件研发的工作委派给专门的主控供应商,由它们在原厂的技术支持下,完成相关的主控和固件设计。最终,原厂固态硬碟产品会通过定制固件的方式,将原厂固态硬碟跟公版产品区分开来。

除了三星的固态硬碟主控是自产自销外,市场上处于第一梯队的固态硬 主控厂商主要有Marvell、慧荣(Silicon Motion)、群联(Phison),以及处于第二梯队的智微(Jmicron)、瑞昱(Realtek)和云莲(Maxiotek);不过,目前国内有不少厂商参与到了SSD主控领域当中,并开始崭露头角,比如忆芯、杭州华澜微电子、联芸科技等等。

SSD主控晶片都采用什么处理器架构?

一听到主控晶片,我们很自然会联想到个人PC里的CPU,即中央处理器。其实SSD中的主控晶片承担的也是类似的工作,它起着指挥、运算和协作的作用。

首先,SSD主控要合理调配数据在各个快闪记忆体晶片上的负荷,让所有的快闪记忆体颗粒都能够在一定负荷下正常工作,协调和维护不同区块颗粒的协作;

其次,它承担了整个数据中转,连接快闪记忆体晶片和外部SATA接口;

还有,它要负责固态硬碟内部各项指令的完成,诸如trim、CG回收、磨损均衡等。

可以说,一款主控晶片的好坏直接决定了固态硬碟的实际体验和使用寿命。图2就是一个PCIe接口的典型SSD主控晶片系统架构。

图1:联芸科技MAP100X SSD主控晶片系统架构。(图片来源:联芸科技官网)

由于SSD主控需要承担众多任务,那它必须要有一个靠得住的CPU内核来帮忙。一些定位高端的主控通常还需要多个CPU内核,分别用来执行不同的任务,并且在多个核心之间还需要有一套协同的机制。现在很多SSD主控都使用了Arm的处理器架构,通常选择Cortex-R系列。比如Marvell、联芸科技、华为等等。

与我们平时在手机上见到的A系列不同,R系列主要用于实时数据处理,在响应速度上更有优势,汽车自动驾驶系统中使用的往往就是R系列,当然我们的SSD主控也用到了它。

再来说主控的左右逢源能力。主控一方面是固态硬碟的大脑,另一方面也处在大脑主机与快闪记忆体颗粒之间,起到一个搭桥的作用,一方面要跟主机沟通协作,接受和处理主机发来的命令,另一方面也要跟呆头呆脑缺乏智能的快闪记忆体颗粒打交道,搞好底层数据存取的具体实现。对于主机端的沟通,主要难点在于节能特性的把握上,SATA链路节能可以降低功耗,提升笔记本电脑电池续航时间,同时也符合绿色环保的理念。但是SATA链路进出节能状态的过程中需要主机和固态硬碟双方的协同,稍有不注意就会导致卡顿,甚至掉盘的恶劣情况出现。现在很多非原厂的主控为了减少麻烦,图省事直接禁用了节能特性,也是一种不太自信的表现。

主控与快闪记忆体的沟通同样很复杂。固态硬碟中的快闪记忆体通常被叫做RAW快闪记忆体,智能化程度很低,只能遵循特定的快闪记忆体接口,如Toggle或者ONFI进行访问。而不同的快闪记忆体晶片在工作特性上有些千丝万别的不同,这就需要主控去主动适应快闪记忆体的特点。

联芸科技的市场主管任吉表示,「现在的存储颗粒质量越来越差,相应地对SSD主控的要求也将越来越高。」

因为SSD主控不仅要完成温度管理、SMART健康度报告、坏块管理等等任务,还需要实现纠错,以及断电保护等功能。

我们平时经常看到固态硬碟标注”支持LDPC纠错”。LDPC纠错实际上包含了硬判决和软判决两部分,前者在主控硬体内有硬体加速实现,后者则需要结合主控的运算能力去加强纠错效果。

由于快闪记忆体颗粒并不是只到了寿命末期才会出错的,只是末期的出错率更高一些。所以说主控纠错引擎其实是始终在运作的,每一笔写入和读出的数据,都要经过主控纠错引擎的检验和处理。

断电保护则是每一个固态硬碟主控都必须考虑的。过去我们讲一颗固态硬碟带不带断电保护,指的是固态硬碟是否有独立的断电保护电路,包括储能电容、监测电路和固件中的保护动作执行逻辑。完整的断电保护应该包括运行时用户数据保护以及DRAM缓存当中元数据的保护。

除了Arm的R系列内核,也有选择其他处理器内核的,比如忆芯科技的SSD主控晶片STAR1000P选用的是来自美国Synopsys公司的ARC处理器。

根据Synopsys官网的介绍,Synopsys 的DesignWare ARC 处理器是32 位CPU,经SoC 设计人员的优化,可满足各种不同用途的需求,从各类细分市场深度嵌入式应用到高性能主机应用,不一而足。设计人员可利用可综合来定制各个ARC 核实例,使产品各不相同,以满足特定性能、功耗和面积的要求。DesignWare ARC 处理器还具有可延展性,可让设计人员添加自己的定制指令,从而大大提高性能。全球已有超过225 家客户使用Synopsys ARC 处理器,这些客户每年总共产出19 多亿块基于ARC 的晶片。

目前该架构应用的领域有车用与工业用途、物联网、移动市场、存储、以及数字家居。

图2:Synopsys ARC处理器的SSD和Flash主控解决方案。(图片来源:Synopsys官网)

虽然国科微此前的GK2301用的是Arm的公版CPU内核,但其GK2302则是于中科龙芯合作的,采用了中科龙芯的处理器IP内核,也就是说,国科微的技术路线从Arm转向了中科龙芯的改进型MIPS指令集。

中科龙芯提供给国科微的CPU核是GS132e,32位,单发射,4级流水线,晶片面积0.07平方毫米,主频480MHz。

SSD主控晶片玩家,亚洲势力在崛起

与机械硬碟的主控晶片集中在希捷、西数、东芝等少数几家厂商不同,自SSD诞生以来,不断有厂商进行主控晶片的研发和创新,台系、日韩、欧美等都有专注于主控晶片研发的厂商,并没有产生具有垄断性质的晶片厂商。

因此,在SSD主控晶片市场,一直呈现着多极化的分层,早年的智微Jmicron、Indilinx、东芝自产,到中期大红大紫,最终落入希捷之手的Sandforce,再到如今百花齐放的慧荣、群联、Marvell、三星……,主控晶片厂商在不断的竞争中将固态硬碟产品的总体性能提升向上提升了一大步,也推动了整个固态硬碟向消费市场的普及。

接下来,我们一起看看现在SSD主控晶片市场上的主要玩家们。

主流首选:Marvell

虽然在SSD领域,并没有出现一家主控晶片厂商独霸市场的垄断情况,但依旧存在着市场份额较大的主控厂商,那就是Marvell主控晶片。

Marvell 1995年在美国加州圣塔克拉拉成立,在IC上的布局包括大容量存储解决方案、网络和无线连接等,半导体解决方案主要应用于企业、云、汽车、工业和消费类市场。

Marvell在SSD主控领域独占鳌头,除与部分NAND原厂形成紧密合作关系外,还与各SSD终端产品厂商达成广泛合作。

与其有合作的SSD终端厂商有英特尔、美光、浦科特等。

一站式服务:慧荣主控

慧荣,全称为慧荣科技,1995年成立于美国加州矽谷,2002年与台湾的慧亚科技合并后更名为慧荣科技(Silicon Motion, Inc.),总部设于台湾。

Silicon Motion于2005年6月在美国NASDAQ上市,成为台湾第一家赴美挂牌的IC设计公司。目前总部设立于台湾,并在中国台湾、中国大陆(深圳、上海、北京)、香港、韩国、日本、美国均设有研发及运营团队,公司于2005年在美国Nasdaq上市,成为亚洲第一家赴美挂牌的IC设计公司。

它除了提供快闪记忆体主控晶片,还有SSD、eMMC等嵌入式储存产品,应用领域包括智能型手机、平板计算机、个人计算机和工业等。

慧荣科技的控制晶片品牌是「SMI」,企业级SSD品牌为「Shannon Systems」,移动通讯产品则是「FCI」品牌。

PCIe 4.0 SSD正在袭来,但很多时候,我们可能并不需要太过强大的U盘,小巧便携也是一种刚需。

在台北电脑展上,慧荣展示了首款单晶片设计的可携式USB SSD主控,型号「SM3282」,整合了一颗USB 3.0主控、一颗SSD主控(双通道八晶片)、 3.3V/2.5V/1.8V/1.2V电压调节器等,采用了68针QFN封装。

以往打造可携式SSD的时候,厂商需要使用一颗SSD主控晶片和一颗USB-PCIe桥接晶片,不但增加了成本和价格,也占用了很多内部空间,现在有了慧荣的方案,只需一颗晶片即可搞定,可以轻松将USB SSD做成一个大号U盘的样子。

性能方面,持续读写速度都能超过400MB/s,也就是一块较弱SATA SSD的水平。

它支持各家厂商的各种快闪记忆体颗粒,3D TLC、3D QLC都没问题,最多96层堆叠,现场也展示了搭配Intel、美光、三星、SK海力士、东芝、西数的快闪记忆体解决方案。

据称,该晶片将在今年晚些时候出货。

 

图3:慧荣在台北电脑展上展示的SM3282存储解决方案。

性价比的选择:群联电子

群联电子,2000年成立于台湾新竹,是全球第一家推出单核心U盘主控晶片的台湾IC设计厂商,同时群联作为NAND快闪记忆体解决方案的供货商,也可以提供品牌厂商,系统与OEM服务。

群联电子长期专注于快闪记忆体存储主控晶片研发,涵盖了USB、SD存储卡、eMMC、UFS、PATA、SATA、PCI-E规格的SSD主控晶片,并为存储系统和OEM/ODM等品牌客户提供存储解决方案,终端应用遍及消费性市场、工业制造及企业数据中心、嵌入式存储等。

由于高度重视存储加密技术,群联电子在国际技术标准上取得了ONFI创始会员资格,同时也是SD协会、UFS协会的董事。

虽然目前主流的接口是PCIe3.0,但在台北电脑展上,AMD带来了支持PCIe 4.0的第三代锐龙处理器、X570主板,随后发布了同样支持PCIe 4.0的新一代RX 5700显卡。而在生态方面,群联首发PCIe 4.0 SSD主控制器PS5016-E16(以及衍生的低端版本PS5019-E19),技嘉、影驰、海盗船、博帝、必恩威等至少七家厂商同时拿出了PCIe 4.0 SSD,技嘉的甚至已经正式发布。

虽然慧荣也展示了PCIe 4.0主控,并由威刚展示相应的SSD,但进度相对慢很多,不知道何时才能上市。

作为主控大厂,群联首发PCIe 4.0并不意外,但意外的是,E16这款主控从无到有的整个研发过程,用了仅仅9个月,创下行业纪录。

要知道,一般的SSD主控研发往往需要耗时24个月左右。

此番群联与AMD合作,仅用9个月就完成PCIe 4.0主控研发,并随着新平台同步登场,而且带来了极为显著的性能提升,无疑是一个相当成功的案例,也有利于推动整个行业的进步。

除了群联电子,点序科技也是台系不可忽视的一支中坚力量,其产品以快闪记忆体控制晶片为主,应用包含了SD/microSD、USB、eMMC、SSD控制晶片等,并依靠耗损平均(Wear-Leveling)算法、错误检查纠正(ECC)、坏区管理(Bad Block Management)等技术,让客户的产品获得稳定的效能提升。

台系主控目前是SSD市场上的主流,并在中国大陆协同伙伴赢得庞大的消费群体,市场份额不断上升。

大陆系主控品牌

华为:2018年12月,华为在中国智能计算业务战略发布会上推出智能SSD控制晶片,华为透露,早在2005年,公司就启动了SSD控制晶片的研发,而最新的Hi 1812E,则是基于全新架构的第7代SSD。它采用台积电16纳米工艺,将PCle NVMe与SAS融合,支持PCIe 3.0、SAS 3.0、PCI-E热插拔、智能加速、多流、原子写、QoS等等,并且寿命延长20%。

在存储技术方面,华为也推出ES3000系列SSD,ES3000 SSD是华为企业级高性能固态硬碟,采用华为自研Hi1812 SSD控制晶片和六代SSD产品演进的算法技术,配套NAND Flash介质,提供NVMe PCIe和SAS两种接口,具有性能高、响应快、可靠性高等特点,解决硬碟IO性能瓶颈,大幅提升资料库、云服务、虚拟化、分布式存储、大数据等业务应用性能,帮助客户降低系统TCO。

杭州华澜微电子(Sage Microelectronics Corp):该公司可提供存储卡、U盘、移动硬碟、固态硬碟、硬碟阵列以及大数据存储系统控制器晶片和解决方案,并实现了上述产品的晶片级信息安全防护。

公司于2015年并购了美国initio(晶量)公司的桥接晶片产品线,形成了initio Bridge晶片系列,产品已经广泛应用于工业控制、个人消费、航空航天、测量装备等领域。

目前华澜微电子可供SATA,SAS, PCIE等接口的SSD控制器晶片系列,不仅仅可以满足一般消费类应用,而且正在逐步发展的高端企业级应用。不仅仅如此,华澜微的晶片还能够提供国际通用加/解密算法(如AES)和国家商业密码算法电路(SM2/3/4)的硬体支持,是中国最早把商密算法集成到SSD控制器的公司。

深圳市得一微电子(YEESTOR Microelectronics Co.,Ltd):它专注于存储控制晶片领域,为客户提供优质的存储控制晶片以及专业化的技术支持和服务。

其产品主要是SSD、eMMC、USB、SD等主控晶片以及安全存储控制器,广泛应用于移动存储、可携式存储和安全存储领域。

2019年1月,得一微电子推出旗舰PCIe3x4 SSD主控YS9203,这颗PCIe Gen3x4 SSD主控晶片专门针对消费级旗舰以及轻企业级应用而打造,得益于硬体和固件上的优化,该主控将充分发挥NWMe1.3的性能。该主控提供PCIe 4个Lane和8个NAND Flash通道,支持3D MLC/TLC/QLC的NAND,使用LDPC以及Enhance RAID增强了数据可靠性和耐久性。它还支持1.2V和1.8V接口电压,国密SM2/SM3/SM4,TCG OPAL。消费级工作温度范围:0°C-70°C,工业级工作温度范围:-40°C-85°C。顺序读写速度高达3500MB/s, 3200MB/s, 随机读写速度都高达800K IOPS。

联芸科技(Maxio):联芸科技隶属中国电科集团(CETC),继美国MARVELL、台湾SMI之后全球第三家也是国内唯一能够大规模量产SSD主控晶片厂商。

联芸科技可提供多款SSD 解决方案,其MAS0901 固态硬碟主控晶片的企业级固态硬碟解决方案,性能已达国际同类固态硬碟主控晶片及固态硬碟解决方案领先水平。MAS0901 固态硬碟主控晶片是针对企业级及数据中心级打造一款重量级SSD 主控晶片,该晶片支持SATA3.2 接口技术,支持Toggle2.0&ONFi4.0 & Async 快闪记忆体接口、支持DDR3 /DDR3L/DDR4 接口、原创Aglie ECC DSP 算法(LDPC)、支持RAID5 技术等;在安全方面:支持AES256、SHA256、RSA2048 国际密码算法以及国产商用密码算法SM2、SM3、SM4,确保数据安全及防止固件被恶意篡改。

图4:联芸科技在展会上展示的SSD主控晶片。

联芸科技的MAP1000系列PCIe SSD主控晶片,包含MAP10002(4快闪记忆体通道,无DRAM)、MAP1003(4快闪记忆体通道)和较为高端的MAP1001(8快闪记忆体通道),均采用28nm工艺制造。

其中,MAP1001支持PCIe 3.0 x4,可挂载3D MLC/TLC/QLC等多类型、多品牌快闪记忆体晶片。

图5:联芸科技的SSD主控晶片参数。

性能方面,MAP1001可达到最高3.5GB/s顺序读速、3GB/s顺序写速、800K IOPS随机读速和600K IOPS随机写速。

据悉,联芸科技的客户将从今年三季度开始测试MAP1001/1002,商用SSD成品最快今年底或明年面世。

忆芯科技:忆芯科技成立于2015年11月,是国内最早致力于高性能SSD主控晶片研发的初创企业。

在历经了FPGA技术验证、MB1000原型晶片,STAR1000量产晶片后,忆芯科技在今年初推出了最新一代高端消费级/入门企业级SSD主控晶片STAR1000P。

STAR1000P是忆芯科技的第二代NVMe SSD控制器,主机接口为PCIe Gen3x4,支持NVMe1.3协议,支持8个快闪记忆体通道,最大32TB Flash容量。STAR1000P实现了3.5GB/s和3.2GB/s的顺序读写以及600 K IOPS以上的随机读写性能,最低8us的写延迟。该晶片除支持国际AES加密标准以外,也全面支持中国商密(SM2/3/4)安全方案。STAR1000P采用忆芯科技第三代StarlDPC纠错码技术,可以轻松应对3DTLC/QLC挑战。DVFS技术,极致优化动态时钟门控等任功耗技术,保证了STAR1000P在全性能模式下的功耗仅为2W左右。同时STAR1000P增强了NVMe PI,EEEC,In-line ECC等纠错技术,以满足工业及企业级高可靠性要求。

其设计采用新思DesignWare ARC HS38处理器多核结构,利用ARC可扩展架构与自定义指令集,提高硬体调度效率。

不过,忆芯科技并没提到STAR1000P主控硬碟何时上市,不过表态已经在跟国内多家厂商联合开发基于STAR1000P主控的SSD硬碟,主要面向企业级、客户端市场。

国科微: 2018年12月,国科微发布固态存储产品–GOKE 2301系列SSD,使用的主控晶片是国科微自主研发的GK2301。该主控通过了国测和国密双认证,并拥有自主智慧财产权。GK2301支持SATA3.2标准,最大带宽560Bps,支持4通道快闪记忆体,最大支持4TB容量。晶片方面,其支持SLC/MLC/TLC/3D快闪记忆体颗粒,支持最大2GB,16位宽的DDR3/DDR3L的外置缓存。最重要的是支持国密SM2/3/4及SHA-256/AES-256加密,以及国科第二代LDPC w/Soft DSP纠错引擎。

国科微GK2302主控则使用的是中科龙芯的IP内核,这意味着它的技术路线从ARM变成了龙芯改进后的MIPS指令集。考虑到龙芯现在已经买断了指令集,并且可以自主改进,国科微GK2302主控可以号称血统最纯正的国产SSD主控了。

GK2302系列晶片采用高速SATA 6Gbps接口与主机通讯,单晶片容量最大支持4TB,读写速度达到500MB/s。

 

來源:https://twgreatdaily.com/JPYjJGwBmyVoG_1Z-6hi.html

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