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1、华西通信团队华西通信团队企业级SSD:三大替代构筑行业高增长,国产替代空间广阔20222022年年3 3月月2424日日请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明分析师:宋辉SAC NO:S03邮箱:分析师:柳珏廷SAC NO:S16邮箱:仅供机构投资者使用证券研究报告|行业深度研究报告“泽字节” 时代投资报告系列二2资料来源:华西证券研究所整理2SSD成本下降,HDD存量替代流量爆发增长推动存储介质技术变革,SSD优势显著适应CPU算力增长,PCIe3.0-PCIe4.0企业级SSD存储主控芯片国产化率极低,国产切入门
2、槛低企业级SSDNVMe/PCIe 对SATA SSD存量替代存储颗粒海外寡头垄断,国产化替代起步技术迭代存量替代国产化替代存储网络高级控制器及芯片HBA、RAID等RZlWuYaZkZuUeX0VdU8O9R9PnPoOnPmOeRpPsRkPpNvN9PpPyRwMmPrRuOsPoM投资逻辑总结 中国企业级 SSD 呈现高价值、高增长态势:在云计算、数字经济等需求带动下,中国企业级存储市场规模稳健上升,存储容量持续上升。根据艾瑞咨询预测,2021、2022、2023中国企业级SSD市场规模同比增长26%、37%、28%,于2025年达到489亿元人民币。 中国企业级SSD市场增长来源于三
3、个层次:下游需求增加+技术迭代HDD以及老旧接口/协议的替代需求+国产化替代。 企业级SSD存储需要高性能,定制化需求显著提升,客户特殊需求体现在固件和控制器上,具备企业级控制器和固件研发能力的公司预计将会取得快速发展。 自主可控的企业级SSD属于技术与市场壁垒双高的领域,获得上游NAND Flash颗粒厂商支持,以及下游阿里、腾讯、三大运营商等重点客户认可的公司具备优势。 投资逻辑及相关公司: 国内企业级SSD市场目前仍属于早期快速增长阶段,诸多公司产品发展策略以固件、控制器等产品或者技术往下游模组延伸为主。国内SSD产业链厂商可以概括为“具备主控设计能力的模组生产公司”,相关具备PCIe
4、SSD核心能力的公司包括:忆恒创源(固件)、得瑞领新(固件+主控)、英韧科技(消费级主控切入企业级主控)、大普微、得一微、国科微(上市公司有研发投入)等。 分布式存储取代传统存储,存储网络高级控制器国产化机遇期:中国大陆拥有众多的光纤系统、交换系统和大数据产业基地,预计未来将会有非常广阔的国产替代空间,相关公司包括华澜微(HBA控制芯片、RAID控制芯片)、国芯科技(上市公司、RAID控制芯片)等。 整机方面,受益标的包括:信创领域核心技术能力强、全产业链布局的同有科技(上市公司),整机规模优势显著相关上市公司:紫光股份(新华三)、浪潮信息等。 风险提示:企业级SSD市场广阔,新进入者较多,价
5、格竞争激烈导致毛利率下滑风险;上游存储颗粒成本占比高,其价格波动导致产品毛利率不稳定;云计算大客户验证周期较长,中小客户市场容量较为受限,新产品研发投入存在不确定性风险。31SSD固态硬盘关键技术原理4存储系统基本概念5资料来源:华西证券研究所整理根据经典的冯诺依曼(Von Neumann)计算技术架构,每台计算机都将具有中央处理器(CPU)、内存(DRAM)、I/O(输入/输出),外部存储等。由于硬盘读写速度无法匹配CPU处理速度,读写速度相对较快的内存(DRAM)应运而生,内存用于暂时存放CPU运算数据以及与硬盘等外部存储器交换的数据。外部存储器也是计算机系统的重要组成,在理想情况下存储器
6、的速度应当非常快,能跟上处理器的速度,容量大而且价格也非常便宜,但目前无法同时满足这三个条件。硬盘硬盘( (外部外部存储存储) )网卡网卡显卡显卡内存内存I/OI/O桥芯片桥芯片CPUCPU系统总线系统总线内存总线内存总线IOIO总线总线图图1 1:冯:冯诺依曼计算机架构诺依曼计算机架构寄存器寄存器速度最快,容量小、成本高高速缓存高速缓存(cachecache)按内容存取内存(内存(DRAMDRAM)随机存储器、只读存储器外部存储外部存储硬盘、光盘、U盘等图图2 2:计算机主要存储系统:计算机主要存储系统速度快、容量小速度快、容量小速度慢、容量大速度慢、容量大存储技术演进6 20092009年
7、年SSDSSD容量达容量达1 1TBTB,SSDSSD随后井随后井喷式发展喷式发展,技术不断演进技术不断演进,HDDHDD受受制物理瓶颈制物理瓶颈,20122012年以来技术基本年以来技术基本处于停滞阶段处于停滞阶段。发明闪存6399年以来年以来录音磁带问世第一块硬盘RAMAC面世温氏硬盘奠定机械硬盘发展方向IBM推出第一块固态硬盘摩尔定律支配下,CPU处理速度越来越快,基于磁介质进行数据存储的磁盘和处理器 CPU 之间一直存在着棘手的剪刀差性能鸿沟。进入21世纪,信息爆炸导致数据量成倍增长,硬盘容量也在飙
8、升,单盘容量已可达到TB级别,半导体存储登上了历史的舞台。和传统磁盘存储介质相比,半导体存储介质具有天然的优势,无论在可靠性、性能、功耗等方面都远远超越传统机械磁盘。图图4 4:外部存储器技术发展历史:外部存储器技术发展历史图图3 3:处理器与存储器之间的鸿沟:处理器与存储器之间的鸿沟当前主流外部存储技术对比:HDD vs SSD7 机械硬盘(HDD)主要由:磁头臂,磁头, 主轴,磁盘,接口,磁盘控制器组成。工作时,磁盘上有磁性涂层。数据存储在这些盘片上,并通过安装在控制器上的磁头进行读取。磁头沿着磁盘片的半径方向进行运动,与盘片的高速转动进行配合,然后磁头就可以在盘片上的特定位置运行,最后达
9、到信息读取的功能。固态硬盘(Solid State Drive,SSD),固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘。基于闪存的固态硬盘是固态硬盘的主要类别,构造上看,固态硬盘即在PCB板上集成主控芯片,缓存芯片(DRAM,部分硬盘无DRAM)和用于存储数据的闪存颗粒(NAND FLASH),工作方法为:主控芯片通过固件算法对闪存颗粒进行数据读写。SSD已经成为消费级和企业级市场存储硬盘的主流选择。图图5 5:机械硬盘结构示意图:机械硬盘结构示意图图图6 6:固态硬盘结构示意图:固态硬盘结构示意图当期主流外部存储参数对比:HDD vs SSD8资料来源:华西证券研究所整理SSDSSDHDDHD
10、D比较比较介质闪存磁盘SSD无机械活动部件连续读写能力高低连续读/写速度,SSD高出HDD数倍随机读写能力高低随机读/写速度,SSD更显优势,高出HDD数十倍至数百倍数据访问时间0.1ms5msSSD基本无访问时间,启动速度远高于HDD耗能2-5w6-15wSSD无机械装置,相同性能下功耗小噪音无大SSD没有机械马达和风扇,无碰撞、冲击、震动,工作时噪音值为 0 分贝。擦写次数有限无限SSD存储介质闪存擦写次数有限,机械硬盘理论上无限空间利用体积更小,空间利用率高体积较大,空间利用率低SSD通过闪存的不断堆叠提高存储密度。提高空间利用率价格较高较低目前SSD相对HDD的价格仍偏高,但单位存储容
11、量的价格持续保持降低态势 。物理可靠性强弱SSD依靠闪存读写,无机械装置,防震抗摔能力更好,温度忍耐范围更大。延迟低延迟高延迟SSD比HDD的访问延迟更短使用寿命20年以上3-5年合理使用条件下,SSD寿命高于HDD温升低发热量低、散热块发热量高、散热慢SSD主要是CPU及闪存发热,而没有机械摩擦生热。数据恢复能力较差较好HDD的数据恢复能力较强,SSD则较为困难,但随着固件发展逐步提升表表1 1:SSDSSD与与HDDHDD参数对比参数对比固态硬盘(SSD):BOM构成SSD 的主要硬件组件包括 NAND Flash、主控芯片和 DRAM,核心软件为企业级 SSD 的固件。 固件起软件功能;
12、主控芯片(SSD Controller)通过固件技术实现组件之间的共同运作及数据运维等功能;闪存芯片( Flash )则用于存取数据内容。9 图图7 7:SSDSSD三大核心技术关系简要示意图三大核心技术关系简要示意图主控芯片主控芯片固态硬盘的固态硬盘的CPUCPU类似于类似于固件技术固件技术操作系统操作系统类似于类似于数数据据闪存闪存序号序号名称名称主要功能简介主要功能简介1闪存颗粒( NAND Flash )数据存储的核心介质,是数据存储的载体。2主控芯片主要负责固态硬盘与服务器主机通信、控制闪存的数据传输并运行固件算法3DRAM 主要作为缓存用以降低固态硬盘的读写延迟,提升固态硬盘的读写
13、性能。4固件 SSD 类比为计算机,固件则是包含核心操作系统和应用软件的集合体。固件通过驱动主控芯片调度各个硬件模块,实现闪存和主控芯片之间的兼容,完成数据从主机端到闪存端的写入和读取,实现标准计算机可以使用的块存储设备功能。图图8 8:SSDSSD存储器主要硬件存储器主要硬件BOMBOM表表2 2:SSDSSD组成部分主要功能组成部分主要功能固态硬盘(SSD):闪存颗粒(1)10 目前主流的固态硬盘存储介质仍为闪存目前主流的固态硬盘存储介质仍为闪存(NandNand FlashFlash),是一种传统的是一种传统的非易失性存储介质非易失性存储介质,其浮栅其浮栅(FloatingFloatin
14、g GateGate)晶体管的设计让电荷能存晶体管的设计让电荷能存储在浮栅里储在浮栅里,因此掉电之后因此掉电之后,数据不会丢失数据不会丢失。 闪存单元根据浮栅内存储的电子数量所表现的电压值表现不同的数据值,从而起到存储数据的作用。对闪存单元的操作可简化为写入、读取和擦除。写入、读取的操作最小结构为页(Page),擦除的操作最小结构为块(Block)。 存储介质的发展趋势将持续向更高的读写速度,更大存储容量,低功耗,更高存储密度等演进。图图1010:存储技术分类:存储技术分类非易失型(Nonvolatile)一次编程ROM(只读存储器)PROM(可编程存储器)可擦除EPROMEEPROMFlas
15、h(闪存)NANDNAND FlashFlashNOR Flash可随机存取/新型存储PCM(相变存储器)RRAM(阻变存储器)MRAM(磁性存储器)FRAM(铁电存储器)图图9 9:Nand FlashNand Flash原理原理固态硬盘(SSD):闪存颗粒(2) NANDNAND FlashFlash从从 bitbit 形形 态态 来来 看看, 可可 以以 分分 为为 单级闪存单元单级闪存单元(SLCSLC)、二级闪存单元二级闪存单元(MLCMLC)、三级闪存单元三级闪存单元(TLCTLC)、四级闪存单元四级闪存单元(QLCQLC),对应性能寿命及可靠性依次下降对应性能寿命及可靠性依次下降
16、,但存储密度和单位成本也依次下降但存储密度和单位成本也依次下降。 SLCSLC:即:即1 1bit/Cellbit/Cell,仅有0、1两种电压变化,结构简单,电压控制也快速,这种结构带来更快的写入速度,其P/E寿命可达10万次,但电压变化少意味着存储容量低,因此单位成本也最高; MLCMLC:即:即2 2bit/Cellbit/Cell,电压变化有四种00,01,10,11,写入性能、可靠性能相较SLC降低,其P/E寿命根据不同制程在3000-10000次不等; TLCTLC,即即3 3bit/Cellbit/Cell,电压从000到111有8种变化,容量比MLC再次增加1/3,成本更低,结
17、构复杂,读写速度进一步下降,P/E寿命降低至5000以下。QLCQLC:即:即4 4bit/Cellbit/Cell,电压有16种变化,容量再提高33%,写入速度上,P/E写入时间更长,速度更慢。 PLCPLC:即:即5 5bit/Cellbit/Cell,相对的电平数量从16个增加到32个,额外25%的容量加成,目前结构最复杂,因此错误率自然更高,需要性能更强的ECC,需要更强大的磨损平衡算法,需要强大的主控芯片CPU,技术上即使达到,近几年内要大规模占据主流市场也并不现实。11 图图1111: bitbit形态分布图形态分布图固态硬盘(SSD):主控芯片(1) SSD控制器芯片是SSD存储
18、器中执行固件代码的嵌入式处理器,控制闪存颗粒的存储单元及与主机的连接,起着指挥、运算和协作的作用。 主控芯片在主控芯片在SSDSSD中的作用相当于电脑的中的作用相当于电脑的CPUCPU,其通过固件对固态硬盘进行管理,所以主控性能的优劣直接影响了固态硬盘整体的性能表现,其主要功能包括: 1)SSD主控调配数据在各个闪存芯片上的负荷,让所有的闪存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; 2)连接闪存芯片和外部(SATA、PCIe等)接口,负责数据中转 ; 3)负责固态硬盘内部各项指令,诸如ECC纠错、耗损平衡、坏块映射、读写缓存、垃圾回收以及加密等等。 SSDSSD主控研发过
19、程中还要针对不同的闪存颗粒进行针对性优化,主控研发过程中还要针对不同的闪存颗粒进行针对性优化,SSDSSD主控芯片研发需要其对不同颗粒要具备极好的适应能力。主控芯片研发需要其对不同颗粒要具备极好的适应能力。12资料来源:华西证券研究所整理SSDSSDDRAMDRAM闪存颗粒闪存颗粒闪闪存颗粒存颗粒闪存颗粒闪存颗粒SSDSSD控制器控制器CPUCPU主机接口控制器主机接口控制器缓存控制器缓存控制器闪存控制器闪存控制器BufferBufferECCECC纠错纠错图图1212: SSDSSD控制器原理框图控制器原理框图固态硬盘(SSD):主控芯片(2) SSD主控需要承担众多任务,必须要有可靠的CP
20、U内核。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Arm处理器架构,通常选择Cortex-R系列。除了Arm的R系列内核,也有选择其他处理器内核的,比如美国Synopsys公司的ARC处理器。还有部分SSD厂家采用RISC-v架构、MIPS架构等。 对于对于SSDSSD来说,主控芯片的好坏直接决定了固态硬盘的实际体验和使用寿命,不同的架构、核心来说,主控芯片的好坏直接决定了固态硬盘的实际体验和使用寿命,不同的架构、核心/ /晶体管数量的多少、频率的高低晶体管数量的多少、频率的高低都都关乎主控关乎主控的
21、性能的性能 。13资料来源:CSDN, ARM developer,华西证券研究所图图1414:Synopsys ARCSynopsys ARC处理器的处理器的SSDSSD和和FlashFlash主控解决方案主控解决方案图图1313:ARM Cortex R5ARM Cortex R5及及R8R8固态硬盘(SSD):固件( 1) 固件固件(FirmwareFirmware)是出厂预设在存储器中是出厂预设在存储器中,运行在闪存控制器内部的程序代码运行在闪存控制器内部的程序代码,担任着存储器中协议处理担任着存储器中协议处理,数据管理和硬件驱动等核心工作数据管理和硬件驱动等核心工作,相当于相当于SS
22、DSSD存储器的操作系统存储器的操作系统。 SSD固件包括传输协议处理、逻辑管理算法、数据加密和保护、闪存驱动、介质保护、异常处理和设备健康管理等功能,对存储器设备的功能、性能、可靠性、寿命等关键指标具有重要影响。 随着闪存技术的不断发展随着闪存技术的不断发展,存储密度不断提高存储密度不断提高,导致单元电荷数的减少及绝缘层变薄导致单元电荷数的减少及绝缘层变薄,从而使得闪存的原始误码率不断提高从而使得闪存的原始误码率不断提高,可擦写次数越可擦写次数越来越少来越少。用这样一种高误码率用这样一种高误码率、短寿命的芯片来构建长使用寿命短寿命的芯片来构建长使用寿命、高性能和高可靠的固态硬盘高性能和高可靠
23、的固态硬盘,对固态硬盘厂商的固件水平及设计能力提出对固态硬盘厂商的固件水平及设计能力提出了越来越高的要求了越来越高的要求。固件开发能力是闪存存储产品企业的核心竞争力之一。14 图图1515:基于:基于NVMe/PCIeNVMe/PCIe的的SSDSSD固件功能固件功能固件技术地址映射掉电保护坏块管理垃圾回收磨损平衡图图1616:固件技术五大核心功能:固件技术五大核心功能固态硬盘(SSD):固件(2) Nand Flash随着堆叠层数和bit形态不断发展,闪存限制也更加突出,这意味着必须有更强力的固件技术以克服擦写过程中磨损、坏块等问题的缺陷: 地址映射。主机通过逻辑块(LBA,Logic Bl
24、ock Address)访问固态硬盘,因此需要将地址映射表把主机的 LBA 地址转换为 Nand Flash 的物理地址,才能有效访问。地址映射的三种映射方式包括:页映射、块映射和混合映射等。有DRAM模块的SSD一般会在保存映射表时,在闪存和缓存中同步保存,以提高读取速度。 磨损均衡。闪存P/E 擦写次数的限制决定了使用寿命的限制。如果不根据NAND Flash不同块的使用情况作出动态调整,部分块就会过早地因频繁擦写而达到上限。固件的磨损均衡功能则是针对这类问题所设置的,均衡不同块之间的磨损程度,以最大限度延长固态硬盘的使用寿命。15资料来源:码农家园,ATP electronic,华西证券
25、研究所图图1717:带:带DRAMDRAM(左)和不带(左)和不带DRAMDRAM(右)(右) 的映射管理的映射管理图图1818:磨损均衡效果示意图:磨损均衡效果示意图固态硬盘(SSD):固件(3) 垃圾回收:闪存颗粒无法以覆盖的方式将数据直接写入,因此需先将颗粒中原有数据做抹除后,再写入新数据。垃圾回收功能针对此问题,会提前在非写入或读取的状态下,先行对闪存内部的零散空间进行整理与优化,保留额外的空白块作为缓冲区,供主机新数据的写入,提高影响SSD使用效率。 具体可以分为三个步骤: 寻找源块,基本原则是,寻找有效数据比较少的块,这样搬移的数据量较小; 数据搬移,也就是将源块中的有效页搬移到一
26、个空闲块上; 擦除源块,加入空闲列表。16 图图1919:垃圾回收流程:垃圾回收流程固态硬盘(SSD):固件(4) 掉电保护:当固态硬盘断电时,存放在RAM中的映射信息会丢失,再次上电时,需要将映射信息恢复到最新状态,确保和上次掉电前是一致的,这样才能接受新的读写命令。SSD的电压检测器用于持续监控来自主机的电压电平。在突然断电的情况下,电压检测器会在电压下降时立即触发掉电保护。掉电保护确保存储在 NAND 中的数据保持不变,内置电容器继续供电,以便数据可以从DRAM冲洗到NAND中。如果电压进一步下降,则NAND闪存进入写入保护模式,不再写入数据。 坏块管理:首次使用 NAND 闪存设备时,
27、会创建一个坏块表,控制器中的内置管理程序会检查每个块。当发现原生出厂坏块时,程序将其标记并记录在坏块表中,以防止数据再次写入。对于使用过程中出现的后续坏块,每当控制器发现坏块时,它就会将该块添加到坏块表中,并将最初写入其上的数据传输到一个有效块,防止数据丢失。控制器会对其无法写入的块执行 ECC(纠错码)算法。如果无法纠错,则将有效数据删除到预先保留的块中。数据删除后,将坏块标记并记录在坏块表中,以防止数据再次写入该块。17 图图2121:坏块管理:坏块管理图图2020:IPSIPS掉电保护效果图掉电保护效果图182企业级SSD发展驱动要素数据流量+协议+存储介质+SATA接口替代+PCIe接
28、口演进,推动企业级SSD不断升级数据流量高速增长,CPU性能推动存储技术迭代更新 CPU主频的不断提升,从单核到双核,再到多核;CPU的处理速度越来越快,而存储硬盘的读写速度已经远远跟不上CPU的读写速度。 服务器CPU创新从5-7个季度转换到4-5个季度,技术迭代在加速。 流量增长速度远远超过服务器增长速度,也表明服务器的存储密度提升也在加速。19 SHAPPHIRERAPIDS20000020202020222服务器服务器CPUCPU创新从创新从5 5- -7 7个季度转换到个季度
29、转换到4 4- -5 5个季度,技术迭代在加速。个季度,技术迭代在加速。11.5119.0128.5640.7756.877.4900708090201720182019*2020*2021*2022*Traffic in exabytes per month图图22 Global mobile data traffic 201722 Global mobile data traffic 2017- -20222022图图2323:全球服务器出货量预测(百万台):全球服务器出货量预测(百万台)10.811.311.912.413.4201820192
30、020*2021*2022*存储接口协议演进,技术迭代升级20资料来源: unicaca,华西证券研究所HDD和早期SSD绝大多数都是使用SATA接口,SATA接口是由Intel联合多家公司研发的系统接口标准。由于整个计算机系统性能瓶颈在硬盘端,而不是在协议和接口端,AHCI协议和SATA接口足够满足早前存储系统性能需求。随着SSD技术的飞速发展,SSD盘的性能飙升,底层闪存带宽越来越宽,介质访问延时越来越低,系统性能瓶颈转移到接口和协议。2009年,Intel、美光、戴尔、三星、Marvell等巨头制定了专门为SSD服务的NVMe协议,NVMe协议理论读写速度远超SATA等协议。随着服务器处
31、理数据持续高速增长,未来存储接口的演进将会持续,带动存储技术发展。20042004200820082001620172017NVMNVMe e 1.21.2NVMNVMe e 1.01.0SATA 3.0SATA 3.0SATA 1.0SATA 1.0NVMNVMe e 1.31.320020SAS 1.0SAS 1.0SATA 2.0SATA 2.0SAS 2.0SAS 2.0SAS 3.0SAS 3.0SAS 4.0SAS 4.0NVMNVMe e 1.41.40500025003000HDDSATANVMe图图24 24
32、HDDHDD、SATASATA、NVMe NVMe 协议支持理论最大数据读写速度协议支持理论最大数据读写速度读速度写速度图图25 25 存储接口协议持续演进中。存储接口协议持续演进中。存储介质演进,SSD性能提升(1) 自数据产生以来,存储介质也历经了5代变化:磁带、软盘、光盘、HDD及SSD。在HDD向SSD演进之前,存储介质的改进均是为了容量的提升。 而在HDD向SSD演进过程中,受NAND技术及闪存颗粒所限,读写速度、抗震性及无噪音成为目的,容量并非此次介质改进的关键。时至今日,SSD在容量上相比HDD仍具有劣势。 NAND Flash是一种常见的非易失性存储介质,也就是我们常说的SSD
33、盘。它的基本存储单元被称为Cell,由一种类NMOS的双层浮空栅(Floating Gate) MOS管组成,浮动栅内存放电子,通过对浮空栅内充放电改变其电子多少,来表示二进制数据。21 SCMSCM存储级内存存储级内存NAND FlashNAND FlashNVMe/SAS/SATANVMe/SAS/SATASAS/SATA HDDSAS/SATA HDD15K/10K/7.2K15K/10K/7.2K磁带、光盘等磁带、光盘等离线存储介质,适用于长期归档离线存储介质,适用于长期归档典型容量:300GB/6TB/12TB现阶段主流存储介质,时延高现阶段主流存储介质,时延高典型容量:2.4TB/
34、8TB/16TB逐渐取代逐渐取代HDDHDD成为主流,易磨损成为主流,易磨损典型容量:1.92TB/3.84TB/7.68TB新型存储介质,掉电不丢失数新型存储介质,掉电不丢失数据据典型容量:750GB/1.5TB主要指标主要指标SCMSCMSSDSSD磁盘磁盘光盘光盘性能最高;时延微秒级;IOPS数十万高;时延小于1ms;IOPS数万中;时延3-10ms;IOPS 100-200低;时延秒级;IOPS忽略不计可靠性高高;故障率低,故障不容易恢复数据高;故障率高,故障数据容易恢复高安全性中中中高;离线数据不容易修改持久性中;不容易磨损;存储5-10年低;容易磨损;存储5年中;存储5-10年高;
35、存储20-30年容量低;单盘1.5TB中;单盘15.36TB中;单盘16TB低;单盘300GB成本最高;单TB上万元高;单TB上千元中;单TB数百元中;单TB数百元使用场景在线业务;热点数据加速在线业务;高性能场景在线业务;普通场景离线业务;备份、归档普及程度低高高低表表3 3:主要存储介质性能对比:主要存储介质性能对比图图2626:主要存储介质演进:主要存储介质演进存储介质演进, SSD性能提升(2)22 单位存储容量不断提升:单位存储容量不断提升:SSD分为SLC、MLC、TLC等类型,SLC代表每个Cell存储1比特数据,MLC每个Cell存储2比特,TLC每个Cell存储3比特。存储的
36、数据越多,单盘容量越大、单TB的成本越低,但同时对数据读写的精度要求也越高,性能和寿命也越低。目前主流SSD盘采用的是TLC技术,未来QLC、PLC技术将进一步普及,其每个Cell可以存储4比特、5比特数据,SSD盘的单TB成本将进一步得到降低。堆叠技术提升存储容量:堆叠技术提升存储容量:除了每个Cell存储的数据量越来越多,NAND Flash SSD也采用了堆叠技术来提高容量密度,从24层到32层、48层再到百层以上,层数越多,单位面积SSD盘可容纳的数据量就越多。目前主流SSD厂商的堆叠层数可以达到96层或128层,176层、192层已获技术突破。目前目前SSDSSD盘的单盘容量支持盘的
37、单盘容量支持480GB/960GB/1.92TB/3.84TB/7.68TB/15.36TB480GB/960GB/1.92TB/3.84TB/7.68TB/15.36TB等,未来还会出现单盘等,未来还会出现单盘30TB30TB甚至更大容量。甚至更大容量。图图2727:单位存储容量不断提升:单位存储容量不断提升图图2828:堆叠技术提升存储容量:堆叠技术提升存储容量PCIe替代SATA接口: PCIe、SATA性能对比 目前目前SSDSSD产品主要使用的接口模块大多适用产品主要使用的接口模块大多适用SATASATA及及PCIePCIe,部分使用部分使用SASSAS接口接口。其中PCIe具备更好
38、的带宽速度, SATA接口+AHCI协议被PCIe接口+NVMe 协议逐步取代是技术趋势。23 图图2929:SATASATA接口和接口和PCIePCIe接口带宽对比接口带宽对比AHCIAHCINVMeNVMe适用介质磁盘(机械硬盘)闪存命令队列数164,000单位队列可传输命令数3264,000占用CPU功耗高低延迟6ms2.8ms交互对象通过SATA controller直接与系统CPU相连IOPS最高100,000高于100万0002500SATA ISATA IISATA IIIPCIe 2.0PCIe 3.0PCIe
39、4.0SATA(单线,MB/s)PCIe(单线,MB/s)接口带宽表表4 4:AHCIAHCI协议与协议与NVMeNVMe协议对比协议对比PCIe替代SATA接口: PCIe、SATA性能对比 PCIe(PCIe(Peripheral Component Interconnect Express) )是继是继ISAISA和和PCIPCI总线之后的第三代总线之后的第三代I/OI/O总线总线,是一种设备高速连接标准是一种设备高速连接标准,具备数据传输具备数据传输速率高速率高,抗干扰能力强抗干扰能力强,传输距离远传输距离远,功耗低等优点功耗低等优点。 相较于二代总线标准PCI,PCIe最大的特点是不
40、使用并行数据传输和总线不使用并行数据传输和总线的连接方式转为串行数据传输串行数据传输,点对点的连接方式和差分点对点的连接方式和差分电平信号传输电平信号传输,串行差分有效提高了抗干扰能力提高传输速率,吞吐率远高于PCI。24图图3030:PCIePCIe与与PCIPCI I/OI/O有效传输速率对比有效传输速率对比80040006000800040001600018000PCIPCI-XAGP 8XPCIe x16 Gen1PCIe x16 Gen2I/O传输速率(MB/s)PCIePCIe相较于相较于PCIPCI总线的特点总线的
41、特点结构分析结构分析传输效率提高1.PCIe总线使用两对数据线实现传输,TxRx。相比PCI的并行32/64位总线简化很多,设计成本会降低,速度提高。2. 两个设备之间点对点串行互联点对点串行互联,不同于PCI的共享一条总线资源,PCIe采用点对点技术,每个设备独享通道带宽,可以提高数据传输率。3.PCIe采用全双工传输全双工传输,PCI为半双工,PCIe效率更高抗干扰能力强1.PCIe使用差分电平信号传输,而差分电平信号传输,而PCIPCI并行传输在高频传输上干扰并行传输在高频传输上干扰严重。严重。2.PCIe支持热插拔热插拔,提供电路保护兼容性、通用性强1.PCIe支持对PCI架构兼容。2
42、.测试方式简单通用。3.PCIe可用插槽数不断扩展。表表5 5:PCIePCIe与与PCIPCI 总线特点对比总线特点对比PCIe接口自身演进, PCIe 4.0替代PCIe 3.0 PCIePCIe 4 4. .0 0接口接口SSDSSD已逐步成为企业级存储硬盘主流选择已逐步成为企业级存储硬盘主流选择,PCIePCIe 5 5. .0 0已有部分产品实现已有部分产品实现量产量产。 PCIe 4.0是目前大规模商用较为主流的版本,SSD性能大幅提升,但相较于PCIe 3.0SSD,价格仍高出很多,将率先在高端市场应用。当前PCIe SSD主要还是以PCIe 3.0 x4为主,最大理论速度可以达
43、到4GB/s,一般SSD最大实际测试速度基本可以达到3.5GB/s。PCIe 4.0相较于PCIe 3.0,最大带宽翻倍,PCIe 4.0 x4通道可带来8GB/s的超高理论带宽,SSD实测顺序读取性能也能达到7GB/s。PCIe 5.0在企业级和消费级都已有产品产出,头部主控厂商Marvell企业级SSD及原厂Intel第12代处理器均有搭载。25 2.5583040506070PCIe1.0PCIe2.0PCIe3.0PCIe4.0PCIe5.0PCIe6.0图图3131:理论单理论单lanelane最大带宽最大带宽(GT/s)(GT/s)PCIePCIe版本版本吞吐
44、量吞吐量X1X1X4X4X8X8X16X16PCIe1.0250MB/s1GB/s2GB/s4GB/sPCIe2.0500MB/s2GB/s4GB/s8GB/sPCIe3.0984.6MB/s3.938GB/s7.877GB/s15.754GB/sPCIe4.01.969GB/s7.877GB/s15.754GB/s31.508GB/sPCIe5.03.9 or 3.08GB/s15.8 or 12.3GB/s31.5 or 24.6GB/s63.0 or 49.2GB/s表表6 6:PCIePCIe不同版本吞吐量不同版本吞吐量PCIe 5.0、PCIe 6.0蓄势待发26 PCIePCIe5
45、 5. .0 0将成主力产品将成主力产品,6 6. .0 0标准已出标准已出,量产在途量产在途。PCI-SIG此前给出PCIe的带宽增长趋势。2020-2021期间,PCIe4.0-5.0作为PCIe3.0的更新版本陆续出现并量产,但其仍采用基于NRZ(Non-Return-to-Zero)的128b/130b编码。PCIe 6.0预期2022年能陆续公用,完成验证测试。 PCIe6.0不再采用NRZ编码,PAM4脉冲调幅信令,1b/1b编码,单个信号就有能四种编码(00/01/10/11)状态,比之前翻番,允许承载最高30GHz频率,将 PCIe 链路的速度提高一倍,PCIe6.0 实现了带
46、宽速率的全面加倍,对于已经缝合给定宽度的链路的设备,额外的带宽意味着总线限制的显著增加;同时,对于尚未使链路饱和的设备,PCIe 6.0 提供了减少链路宽度、保持相同带宽同时降低硬件成本的机会。 从今年大规模商用的角度看,PCIe 5.0 和 NVMe 2.0 是下一代企业级 SSD 的发力方向,2022-2023年有望成为主流。表表7 7:PCIePCIe编码方式对比编码方式对比PCIePCIe版本(提出时间)版本(提出时间)编码方式编码方式信号指令信号指令PCIe1.0(2003)8b/10bNRZPCIe2.0(2007)8b/10bNRZPCIe3.0(2010)128b/130bNR
47、ZPCIe4.0(2017)128b/130bNRZPCIe5.0(2019)128b/130bNRZPCIe6.0(2021)1b/1bPAM48(x16)PCIe1.016(x16)PCIe2.032(x16)PCIe3.064(x16)PCIe4.0128(x16)PCIe5.0256(x16)PCIe 6.028256020406080002602802000028图图32 32 PCIePCIe带宽演进带宽演进带宽(GB/s)I/O带宽每三年实现翻倍迭代
48、NVMe与PCIe成为企业级SSD黄金搭档 NVMeNVMe(nonnon- -volatilevolatile memorymemory expressexpress)是非易失性存储接口协议是非易失性存储接口协议,为应用层服务为应用层服务,通过利用通过利用PCIePCIe总线实现数据交互的功能总线实现数据交互的功能,实现对物理层的实现对物理层的抽象功能抽象功能。 PCIePCIe接口和闪存接口的高速发展要求相应的高速命令传输协议接口和闪存接口的高速发展要求相应的高速命令传输协议,NVMeNVMe应运而生应运而生,NVMeNVMe与与PCIePCIe搭配显著提升了固态硬盘性能搭配显著提升了固态
49、硬盘性能。 通过PCIe接口将I/O命令和响应映射到主机的共享内存,支持多核处理器并行I/O,以促进高吞吐量,缓解CPU的压力。利用并行数据路径,在加速方面提供更好的性能。与PCIe接口的结合,使得数据通过NVMe协议直接与CPU相连,从而达到低延时性;最大队列深度由SATA的32上升到64000,固态硬盘IOPS显著提升;功耗管理功能降低了能耗,并使得SSD拥有更好的兼容性。27资料来源:NVM Express Inc.,华西证券研究所图图3434:NVMeNVMe协议协议 RoadmapRoadmap图图3333:NVMeNVMe协议规范路线图协议规范路线图各类管理应各类管理应用用主机处理
50、器主机处理器基板管理控基板管理控制器制器应用层NVMeNVMe管理管理端端协议层管理组件传输协管理组件传输协议(议(MCTPMCTP)传输)传输PCIePCIe接口指令接口指令传输层PCIePCIe端口及端口及SSDSSD中中NVMeNVMe处理处理器器物理层283存储网络化网络存储技术资料来源:华西证券研究所整理网络存储技术(Network Storage Technologies)大致分为三种:直连式存储(DAS:Direct Attached Storage)、网络存储设备(NAS:Network Attached Storage)和存储网络(SAN:Storage Area Netwo