国产主控迎来春天 下一代SSD硬盘就用“中国芯”

【PConline 杂谈】SSD硬盘逐渐取代HDD机械硬盘已经是大势所趋，2016年全球SSD硬盘出货1.5亿个，到2021年还将进一步增长到2.5亿个，市场价值高达300亿美元，这是存储市场的一片蓝海。可惜的是，目前这个市场主要被国外公司垄断，三星、东芝、美光、西数等公司是NAND闪存市场最大的赢家，唯一的好消息就是国内公司目前已经杀入存储市场，在NAND闪存、SSD主控等领域加速发展。

我们平时关注的存储公司主要是长江存储，因为他们正在建设国内最大的NAND生产基地。今天我们来关注一下国产主控芯片的情况，它也是存储市场中非常重要一部分，影响着SSD硬盘的性能、稳定性、可靠性。

SSD很常见，但你真的了解它的结构吗？

SSD主卡到底有多重要，那我们首先来看看一个SSD都是由那些元件构成的。SSD硬盘我们见过很多种了，根据接口、大小等不同有多种分类，目前最常见的是SATA接口的2.5寸规格以及PCI-E通道的M.2 2280硬盘，U.2接口、AIC插卡式SSD硬盘主要用于工作站、服务器等市场，消费级市场比较少见。

SSD结构示意图

不论哪种规格尺寸，SSD硬盘内部的结构都是差不多的，通常包括PCB（含供电电路）、NAND闪存、SSD主控、接口等，还有一个并非必要但依然很重要的缓存芯片。

最核心的部分其实就是NAND闪存和主控，从成本上来说NAND闪存大概能占SSD硬盘物料成本的70%或更多，目前128GB到1TB容量的SSD通常要使用2-8颗闪存芯片，主要来自三星、东芝、美光、西数（闪迪被西数收购）、英特尔、SK Hynix等公司，其中三星、西数、英特尔一般是自用较多，第三方品牌的SSD硬盘通常使用东芝、美光较多，SK Hynix除了自用之外在消费级SSD上很少见，OEM市场居多。

颗粒印字模糊的多为黑片

NAND闪存的学问就更多了，除了不同厂商不同技术不同类型之外，NAND闪存光是质量等级就有原厂、白片、黑片以及拆机片之分，不过有关闪存的内容不是今天的重点，以后有机会再说。

至于缓存芯片，它不是SSD硬盘中必须的，这主要取决于主控类型，但是有了缓存颗粒显然会更好，因为缓存通常是DDR3或者DDR4，容量256MB到4GB之间，频率在1600到3200MHz之间，性能远高于NAND闪存，配备缓存可以大大提升SSD硬盘的性能，尤其是写入性能。

其次就是主控了，一般来说主控芯片的成本占据SSD硬盘10-15%的比例，不是最贵的部件，但也是非常重要的。如果我们把SSD硬盘比作一个大货车，那么主控就相当于驾驶室，主控里的固件相当于驾驶员，它决定着货车怎么开。

PCB以及外壳等其他部件是SSD中最便宜的，加起来占的成本也就15%左右，可能还会更低，这部分没多少技术含量，成本取决于厂商的供应链控制、管理。

SSD主控变迁：美系、台系先后崛起，下一步看大陆

NAND闪存是SSD硬盘中最重要的部分，但是生产NAND门槛很高，全球也只有三星、SK Hynix、东芝/西数、美光/英特尔四大阵营，他们几家几乎垄断了NAND市场，而建设一座12英寸NAND工厂，投资动辄数十亿美元，所以之前没有什么公司有勇气挑战他们。

SSD主控芯片就不一样了，它的生产、制造可以交给台积电等代工厂解决，主控芯片设计也有成熟的ARM内核、DDR物理层等IP授权可用，研发难度大大降低，所以前几年涌现出了许多SSD主控公司。

第一波崛起的SSD主控公司自然来自美国居多，我们熟悉的SandFroce、Marvell都是美系主控的代表，前几年中这两家公司竞相推出主控新品，尤其是在20nm节点之前，老玩家大概还记得SF-2281这颗经典主控吧，还有他们独特的压缩算法，当年也是人尽皆知。

Marvell也就是我们常叫的马牌，大众认知上也是顶级的主控品牌，浦科特的大多数型号都使用Marvell的主控，所以耐久性也特别好，长时间使用也不掉速。

另一方面，随着SSD市场竞争的激烈，再加上SandForce多次被收购，这家美系主控公司开始衰落，新品跟不上市场了，最终被希捷收购，SF主控在市场上也少有人问津了，只剩下Marvell支撑。

▍　台系主控趁机发力：

SF衰落之后，崛起的是台湾SSD主控公司，其中JMicron起步较早，可惜并没有坚持下去，被后面的群联Phision、SMI慧荣击败了，其他公司如瑞昱、VIA威盛也尝试过SSD主控市场，但是影响力远不如群联、SMI这两家。

目前风头最劲的就是群联公司，除了主控技术优势之外，群联背后还有东芝入股，所以他们可以提供主控、闪存以及固件的一体方案，SSD厂商只要购买他们的方案就能快速生产出SSD硬盘，所以获得了厂商认可，而SMI虽然略输一筹，但是凭借更低的价格也获得了国内外SSD厂商的青睐。

台系主控目前是SSD市场上的主流，甚至连英特尔的SSD硬盘都有采用，不过从2015年以来，国内厂商也陆续加大存储市场的投资，不少厂商就选择了SSD主控作为突破口，再加上国内半导体基金对存储芯片的扶植，国产主控今年开始崭露头角，假以时日势必要在国内市场大展身手。

国产主控市场：随国产NAND起舞，大基金助力

在NAND闪存、DRAM内存市场上，中国厂商所需的芯片几乎100%依赖进口，所以国家半导体发展规划中就选择了存储芯片为突破口，特别是紫光主导的长江存储在武汉建设国内最大的存储芯片基地，一期投资240亿美元，主要生产3D NAND闪存，月产能高达30万片晶圆/月。

逐步解决NAND闪存供应问题之后，国内厂商也纷纷投资SSD主控芯片领域，形成国产NAND闪存+国产主控的真正自主产权，所以这几年涌现出了多家SSD主控厂商，比较知名的就有江波龙、国科微、忆芯、华澜微电子，还有偏重军工、企业级市场的中勃、一方信息等公司，另外还有台系厂商在大陆设立的子公司，比如群联就在合肥成立了兆芯科技，杭州联芸科技也有台资参与。

总的来说，国内公开报道能找到的进军SSD主控市场的公司就不少于10家，数量上已经超越美国、台湾地区的公司。不过国内公司在主控领域依然是新兴力量，很多公司都是最近三五年才成立的，比如忆芯科技、联芸科技，即便有老牌半导体公司背景，SSD主控业务也是近年来才涉及的，所以绝大多数国产主控公司面临的问题主要是缺乏资金。

在这样的背景下，中国的半导体大基金发挥了重要作用，通过参股、投资等方式为多家企业提供资金支持，毕竟研发一款芯片耗资都是数千万甚至上亿元。据公开报道，2015年6月28日，国科微电子宣布，其与国家集成电路产业投资基金股份有限公司在长沙签署合作协议。根据协议，大基金向国科微电子注资4亿元人民币，占股21.05%，成为第二大股东。

国产主控现状：技术、工艺追上来了，国密认证是亮点

那么国产主控现在已经发展到了什么程度？以往评价国产芯片时人们总会说中国公司缺少技术、人才及资金，三个问题也是困扰国产主控的关键，不过这几年来情况已经大有改善，大基金的扶植使得这些公司不再缺少研发资金，国产主控的性能已经追上来了。

联芸科技的SSD主卡实测表现

成立于2014年的联芸科技在2017年的FMS存储会议上展示了SATA 6Gbps的MAS0902主控，它不需要缓存颗粒，搭配不同的闪存颗粒都可以达到560MB/s读取、520MB/s写入的性能，随机4K性能也在40或者48MB/s，整体性能已经不输Marvell、群联等公司的SATA主控。

在高端的PCI-E硬盘上，国内公司也实现了突破。2017年11月份，忆芯科技在北京举行发布会，推出了STAR1000 PCI-E主控芯片，支持 PCI-E 3.0 x4通道与NVMe 1.2协议，支持StarLDPC ECC引擎，支持ASE256以及TCG OPAL加密，能够适配目前已有的MLC/TLC/3D MLC/3D TLC多种闪存类型。

性能方面，STAR1000支持ONFI 4.0与Toggle DDR 3.0闪存接口，支持LPDD3/LPDDR4-2400缓存，连续读写速度晁盖3GB/s，写入速度超过2GB/s，随机读取、写入则达到了350K、300K，在当前的PCI-E主控中也是顶级水平。

更重要的是，STAR1000主控使用的是台积电28nm HPC工艺，在制程工艺上遥遥领先国内主要的40-55nm水平，放在国外也是一流水准，群联、Marvell的高端SSD主控也是28nm工艺为主。

除了性能追上国际水平之外，国产主控还有一个特别的优势，那就是支持国内认证的安全加密，这不仅是自主可控的要求，还是军工、特种行业的必备要求之一。以国科微为例，他们推出的第二代主控GK2301系列芯片硬件集成国密SM2/3/4加解密算法，获得中国信息安全测评中心、国家密码管理局双重认证。

总结：国产主控迎来春天，与国产闪存磨合尚需时间

经过国产公司的不懈努力以及大基金的支持，国内公司如今在SSD主控市场已经闯出了一片天地，困扰发展的技术、人才、资金等问题逐步缓解，总体水平上已经追上来了，并且在自主可控等要求上做到了海外公司做不到的地步，前途还是很光明的。

不过现在还不到国产主控骄傲的时候，先进水平的主控已经研发出来了，但是目前我们能使用的还是东芝、美光等主控，长江存储的国产NAND闪存量产并大规模上市还需要一两年时间，国产主控还需要跟国产闪存有个很长时间的磨合期，毕竟对SSD来说，可靠性是需要长时间检验的，国内主控公司依然缺少这方面的积累，这个急不得，只能在产品上积累磨合。