企業級SSD的核心技術與市場趨勢

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企業級SSD由固態電子儲存晶片陣列製成(詳細技術參考:SSD快閃記憶體技術基礎知識全解(終極版)),核心部件包括主控晶片、韌體和儲存介質(NAND Flash、DRAM),其中主控晶片和韌體直接決定企業級SSD的效能和可靠性等產品表現。 

企業級SSD的核心部件示意圖

主控晶片(控制大腦) 控制資料讀寫,直接決定SSD 的效能、可靠性韌體(作業系統) 確保SSD高效穩定執行 NAND Flash、DRAM(儲存介質) NAND Flash是主要儲存介質,用於儲存使用者資料;DRAM提供資料快取 
匯流排是計算機不同功能部件之間互動資料的通路,對於 SSD而言,匯流排就 是資料自 SSD 到 CPU 所走的路。匯流排承載能力具有一定上限,其位寬、傳輸 頻率和通道數共同決定了資料理論傳輸速度。SSD 的匯流排型別可分為 SATA 總 線、SAS匯流排、PCIe匯流排三類,對比如下:

SATA匯流排最初為個人電腦和消費級市場設計,更注重儲存容量而非傳輸速 度。SAS 匯流排相對於 SATA 匯流排提供更高的資料傳輸速率和容錯能力,主要面 向早期企業級場景應用。PCIe匯流排被實際應用後,PCIe SSD相較於其他型別產品提供了更高資料傳輸速度和更低延遲,在高效能、高可靠性要求的企業級應 用場景中表現突出,已成為目前最主流的企業級 SSD。PCIe 匯流排自 2003 年首 次推出以來持續迭代,傳輸速度顯著提升。目前企業級 PCIe SSD 市場產品以 PCIe 4.0 為主,PCIe 5.0產品已逐步推向市場。 

企業級SSD與消費級SSD的對比

 SSD根據應用場景不同,主要分為企業級SSD和消費級SSD。企業級SSD主要應用於AI、雲計算、大資料等資料中心應用場景,消費級SSD廣泛應用於電腦、手機、行動硬碟等消費電子場景。與消費級SSD相比,企業級SSD在產品效能、可靠性、耐用性等方面表現更為突出,主要指標對比情況如下:

全球及中國企業級SSD市場規模 

隨著半導體儲存週期性復甦,數字經濟規模持續擴大。根據 Forward Insights 統計,2022 年,全球企業級 SSD市場規模為 204.54億美元,並將隨著 儲存行業需求提振不斷增長,預計 2027 年市場規模將達到 514.18 億美元,年 複合增長率達到 20.25%,其中,PCIe 介面的企業級 SSD 佔主導且佔比持續上 升,其在終端資料中心等場景的應用覆蓋率不斷增加。

隨著AI應用推動儲存需求,疊加伺服器廠商需求升溫,企業級固態硬碟採 購需求明顯增長。根據 Forward Insights 資料,2022 年,中國企業級 SSD 市場 規模為 44.71 億美元,預計中國企業級固態硬碟市場規模將保持增長,2027 年 將達到135.09億美元,年複合增長率為24.75%。

行業現狀及未來發展

儲存場景要求不斷提升,企業級SSD對HDD加速替代 硬碟內部構造上,SSD與HDD存在顯著差異。與HDD相比,由於取消了機械部件,完全消除了旋轉和尋道的延遲,所以 SSD 在讀寫速度上遠優於 HDD,尤其在隨機讀寫速率上有數量級的提高。企業級 QLC SSD 因其大容量 和低能耗優勢,是目前企業級 HDD 的主流替代方案,其主要指標和企業級 HDD的對比情況如下:

HDD 目前在常規大規模冷資料或溫資料儲存場景下仍具有價效比,出貨量 仍佔大部分,但隨著企業級 SSD容量的增加和單位成本的下降,對 HDD替代 的主要障礙有望逐漸消除。當前 SSD 的最大容量已經超過 HDD,單位容量價 格逐步下降,SSD已開始對HDD進行加速替代,未來替代空間較大。

PCIe介面替代SATA/SAS介面,同時自身迭代演進 

PCIe介面對SATA/SAS介面的替代發展 資料傳輸介面扮演著資料傳輸“公路”的重要角色。PCIe 介面作為一種高速序列點對點雙通道高頻寬傳輸介面,是資料傳輸的“高速公路”,正在加速 取代 SATA和 SAS介面等“低速公路”。SATA和 SAS介面早期主要為 HDD 設計,提供了較為廣泛的相容性,部分早期低成本 SSD 也適用。舉例來看, SATA介面SSD傳輸速度能達到500-550 MB/s,雖表現優於HDD,但隨著企業 級應用環境要求的不斷提升,其在資料傳輸速率和延遲方面已逐漸無法滿足現 代計算系統的需求。而 PCle 介面具有更高頻寬和更低延遲,特別適配高效能 SSD。當前主流的PCle 4.0 x4理論頻寬可以達到8GB/s,顯著優於SATA SSD。 雖然SATA和 SAS介面在某些應用場景下仍然有成本和相容方面的優勢, 但在高效能計算、大資料分析和 AI 等對速度和頻寬要求極高的領域,PCIe 介面優勢明顯。因此,PCIe 介面的發展和普及正在推動儲存和網路裝置的效能提升,同時也在逐步替代傳統的SATA和SAS介面。
隨著PCIe技術的不斷進步, 在AI、雲計算、大資料等資料中心應用場景,PCIe介面已成為主流的互連標準。根據Forward Insights 資料,全球企業級 SSD市場中,PCIe SSD佔企業級 SSD 規模比重已從2017年的27.27%提升至2023年的86.02%。 
PCIe介面自身不斷迭代演進,實現技術升級 PCIe 係為滿足高效能 SSD 需求的產物,隨著資訊科技不斷發展,除對 SATA/SAS 替代外,其代際的迭代發展亦是必然趨勢。隨著資料量的爆炸性增 長和對高速資料傳輸需求的不斷提升,每一代PCIe的更新都帶來了資料傳輸速率和頻寬的顯著提升,從PCIe 1.0的8Gb/s到PCIe 6.0的256Gb/s。

在此基礎上,PCIe 代際的迭代引入了更高效的編碼方式、訊號技術和前向糾錯機制,以適應 AI、雲計算、大資料等資料中心應用場景的需求,確保了資料傳輸的高頻寬、低延遲和高可靠性,推動了整個資料傳輸技術的進步。隨著 PCIe 標準的演進,企業級 PCIe SSD 也在不斷迭代,以滿足更高的效能需求和市場規模的增長。由於PCIe匯流排推出到實際產品應用需要較長時間,目前尚無 PCIe 6.0 產品批量出貨,PCIe企業級 SSD市場產品以 PCIe 4.0為主,PCIe 5.0 產品已開始推向市場,未來幾年將逐漸實現從PCIe 4.0到 PCIe 5.0的切換。公司的企業級 SSD產品代際覆蓋 PCIe 3.0到 5.0,目前正結合下游市場的發展趨勢,開始進行PCIe 6.0系列產品的研發工作。 
AI催生大容量QLC SSD需求,拉動企業級SSD增長AI 時代的大模型在訓練與推理過程中,資料傳輸、運算對儲存提出了更高要求。大容量QLC SSD作為一種前沿企業級SSD 產品,能夠有效節省空間和能耗,提升GPU執行效率,進而降低整體成本,成為可用於AI伺服器的高性價比選擇。
AI 伺服器相較通用伺服器單臺價值高數倍至十餘倍,單臺 AI 伺服器中的企業級SSD價值一般是通用伺服器的3倍以上。根據IDC預測,到2026年僅 全球 AI 伺服器市場規模將達到 347.1 億美元,2021 年-2026 年複合增長率達 17.3%。AI伺服器市場規模的穩定快速增長,將催生大容量QLC SSD的下游市場需求,進一步帶動企業級SSD的增長。 
鍵資訊基礎設施國產化替代,自主可控生態逐步完善 我國是全球第二大企業級SSD市場,但目前主要市場份額仍被國外廠商佔據。因此,國家對於打造國產企業級SSD自主可控產業生態的需求日益強烈,這不僅涉及到供應鏈的安全, 亦是推動國內半導體產業發展的關鍵因素。國產企業級SSD的發展,能夠減少對外部技術的依賴,增強國內產業的競爭力,同時也有助於提升國家資訊安全水平。
SCM產品 + CXL協議,打造超低延時“固態盤即持久記憶體” SCM 是一種新型非易失性儲存技術,融合了記憶體的低延遲、高頻寬特性和 快閃記憶體的大容量、持久化特性,使用的儲存顆粒特性位於傳統記憶體介質(如 DRAM)與快閃記憶體介質(如 TLC NAND Flash)之間,旨在彌合兩者之間的效能 與成本鴻溝。SCM 的介入改變了傳統儲存分層架構,增加了資料分層中的中間層,可以支援更智慧的資料分層排程,提升儲存系統整體效率和成本控制能力。 SCM在 AI儲存系統中預計逐漸也會發揮重要的作用,在AI訓練和推理任務中,大量資料需要被載入,SCM 可以作為熱資料和預處理結果的快取層,提升 AI 儲存系統的效率。

行業競爭格局 

企業級 SSD行業具有研發難度高、技術迭代快、客戶培育週期長、資金投 入大等特點。國外龍頭企業起步較早,在生產技術、產品效能、品牌知名度等 方面具有較強競爭優勢,在市場中處於主導地位,全球範圍內呈現韓國(三星 和 SK 海力士)優勢顯著,美國、日本緊隨其後,中國奮起直追的局面。我國企業級 SSD行業起步相對較晚,市場份額小,整體生產技術與國際先進水平相比存在一定差距,本土企業有較大發展空間以及較長國產化替代過程。
全球企業級SSD市場目前集中度較高,5家龍頭企業三星、SK海力士、西 部資料、美光和鎧俠佔據了全球 90%以上的市場份額,這些公司在半導體儲存領域擁有深厚的技術積累、廣泛的產品佈局和強大的研發能力。AI、雲計算、大資料等新一代資訊科技領域的快速發展帶動了企業級 SSD的市場需求和技術進步,同時也為其他新興儲存廠商提供了提高市場份額的寶貴機會,推動了整個行業的技術創新和市場多元化。

中國企業級SSD市場處於快速增長階段,國內企業級SSD廠商透過技術創新和產品升級,正逐步提升在全球市場的競爭力,逐步提高市場份額。隨著中國對半導體產業的大力支援和自主可控產業生態的逐漸完善,國記憶體儲企業技術實力和產品競爭力逐年增強,較國外廠商的市場份額呈現增長趨勢的同時,市場競爭也日趨激烈。 

2023 年中國企業級固態硬碟市場份額(PCIe+SATA+SAS)

資料來源:《中國企業級固態硬碟市場份額,2023》,IDC。
全球企業級 SSD行業形成了多型別經營模式和產業鏈佈局共存的情形,具體如下:

具備主控晶片自研能力的企業級SSD企業 採取該經營模式的企業專注於主控晶片設計、韌體及模組開發等核心環節, 儲存介質來自於自產或外購,代表廠商為三星、Solidigm(SK 海力士旗下)、 西部資料、大普微和憶聯資訊等。該類廠商擁有自研主控晶片能力優勢,產品 型別多樣化,自研主控晶片有利於按照下游客戶特定需求提供更多差異化定製產品和產品售後技術支援。
專注企業級 SSD主控晶片研發的企業通常採取技術驅動的經營模式,依託自主研發的核心技術,提供高效能、高可靠性的主控晶片,代表廠商包括 Marvell 、Microchip 等。該類廠商聚焦於主控晶片的設計開發,透過與下游企業級SSD廠商合作,滿足終端領域的市場需求。
專注模組開發的企業 採取該經營模式的企業與主控晶片、儲存介質供應商合作,透過外購主控 晶片和儲存介質並搭載自研韌體,實現模組開發,可以向客戶提供定製化的儲存解決方案,代表廠商為憶恆創源等。

小結

關鍵資訊基礎設施的運營者將加速中國境內資料中心的建設和升級,帶動儲存行業,尤其是具有本土化優勢的企業級儲存廠商的快速發展。同時,AI、雲計算、大資料等新一代資訊科技的興起極大地拉動了對高效能儲存解決方案的需求下游應用行業蓬勃發展,將形成多方面儲存需求,助推企業級SSD行業快速發展。
來源:本文由電子發燒友綜合報道,轉載請註明以上來源。

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