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本土部分存储器及存储控制器厂商的发展策略

发布时间:2019-07-12 23:31 来源:未知 编辑:admin

  :在“2018中国半导体市场年会暨IC 中国峰会”上,三家已量产芯片的本土厂商介绍了相关市场技术趋势及公司产品策略。这三家企业分别是:北京兆易创新、上海华澜微电子、北京忆芯科技。

  北京兆易创新科技有限公司战略市场部总监苏志强先生介绍道,半导体存储器作为处理和存储数据的载体,也是持续增长的,由此在半导体产业中的比重也是持续增长的。例如2001年,存储器产值在半导体产业中的比重不到14%,2015年达到24%,2017年出现了大幅度增长,产值创纪录地达到了1260亿美元,占比达到30.7%。根据现在各大产业分析机构的预测,2018年包括DRAM和Flash(闪存)主导的存储器还会有持续的增长。

  如图1,半导体存储器分为两类:易失性,即掉电后数据丢失,另一类是非易失性,掉电后数据还存在。易失性主要是DRAM和SRAM;非易失性是Flash等,还有一些新型存储器,诸如MRAM、RRAM、PCM、FeRAM等。

  从产值看,存储器产业是高度集中的,例如DRAM约占52%,Flash将近35%,二者占整个产业的90%左右。

  特殊存储器就是把占据最大的产品去除掉,除去像PC、移动、服务器、硬盘存储器等非常单一且海量的应用市场,除此之外的存储器定义为特殊存储器。包括NOR Flash、SLC/SPI NAND、Specialty DRAM,以及新型特殊存储器RRAM、MRAM、FeRAM等,它们整体占存储器市场的比例约10%,2017年的产值在规模100~120亿美元。

  第一,特殊存储器最大的特征是分散,每一类技术和应用规模都不是很大,通常是在小于20亿美元或者达到40亿美元。

  第二,商业模式比较灵活。另外,对于这样分散的产品,对产品的周期性要求弱一点。

  因此,中国非常适合做特殊存储器,因为避开了国际存储巨头的正面冲突,对中国这样的后发地区和企业风险较小,市场和产品比较灵活,能够发挥中小企业的优势。另外,相对于其他半导体市场,特殊存储器的市场规模还是很可观、值得去做的,因为总规模在100~120亿美元。

  特殊存储器和主流存储器之间不是一成不变的,而是动态变化的。例如,DRAM和NAND伴随PC和智能手机的发展,成为主流的存储器。NOR Flash是从主流存储器转到特殊存储器,未来也许一些新型存储器诸如MRAM、RRAM也可能成为主流存储器。原来主流存储器技术包括2D NAND越来越小,有可能会变为特殊存储器。

  再例如,Intel和美光不久前发布了3D Xpoint,随着其技术成熟和性能优势,可能找到一些发挥特长的大众应用。因此3D Xpoint是有潜力扩大规模、上升成为主流存储器的。

  • 成长性较快。特殊存储器属于存储器大家族,伴随着整个存储器行业的增长会有一定的增长;另外,在处理技术发展的早期,规模可能比较小,但是随着技术的成熟和导入一些合适的应用场景,规模会增长。

  • 动态发展。主流和特殊存储器在不同的时期,以及在不同的技术和应用之间的结合上,会出现一些变化。

  • 市场较为分散。无论从应用和技术上,都有很多种类,整体占了行业产值的10%左右。

  • 有活力,不仅仅是一家或者非常集中的两三家去控制这个产业,而是由很多不同的公司,包括不同的技术公司和上下游公司,来共同参与和推动产业发展。

  在制造方面,代工厂/IDM(集成器件制造商)有福建晋华、中芯国际(SMIC)、武汉新芯(XMC)、上海华力微电子(HLMC)、华虹等都有对应产品制造的平台。因此,有很多厂商在扮演不同的角色,它们之间也形成一定的生态合作伙伴关系。

  特殊存储器是兆易创新(GD)公司最大的业务,主要依托于NOR Flash/SLC NAND的快速发展。据兆易介绍,到目前为止,兆易的串行NOR Flash已在全球排名第三,在串行NAND Flash市场排名第一。

  据2016年的市场机构数据显示,兆易在串型NOR Flash的市场份额达到12%,是中国大陆地区唯一进入前十的Flash存储器(注:包含所有Flash)厂商。兆易的Flash年出货量达到 16.6亿颗,每月有1亿多颗产品生产制造出来。

  目前兆易已成为中国大陆地区最大的存储器芯片厂商,业务横跨中国台湾、日韩、欧美等多个国家和地区,应用于PC、移动、物联网、网络、消费类、工业、车载等领域。在代码存储器中,兆易有一些密切的合作伙伴,例如三星和Intel等。

  除了做存储器芯片本身外,兆易还在存储器产业链进行布局。1.参与起草了国家和国际上存储器的一些标准。例如主导制定了中国存储器接口标准SPI NAND。2.投资合作。兆易成立了投资资金,用投资的手段与上下游不同的业态去做一些合作。例如与闪存控制器厂商投资合作,与深圳立而鼎、深圳硅格合作;参股收购了武汉忆正,进军固态硬盘;在新型存储器上,投资了美国上市公司Everspin,以及国内的上海磁宇公司。作为fabless公司,兆易也与上下游进行密切的合作。例如2017年,兆易投资入股中芯国际,兆易的占比是1.2%,目前是第五大股东。另外,兆易与清华等国内科研院所合作。

  除了资本和技术密集外,知识产权是很重要的一部分。在产品和技术方面,从最早的跟随、模仿,到同步、领先,在不同阶段,兆易都非常重视知识产权,在专利、标准以及商标等各方面都有全方位的布局。

  首先,特殊存储器是一个快速增长并蕴含发展机会的市场,同时这个市场比较适合中国这种后发展的国家和地区的小企业去切入。其次,中国已经建立了初步的特殊存储器产业生态,兆易是中国主要的特殊存储器厂商之一。第三,以多种手段去建立和完善产业生态,有助于存储器市场的发展,也促进企业本身的成长。

  北京忆芯科技有限公司是从事高性能的固态硬盘(SSD)控制芯片研发的创业公司,公司设计验证总监孙唐先生介绍了忆芯在NAND主控芯片方面的研发历程。

  SSD产品包含了非常关键的芯片组件,其中一个就是兆易提到NAND芯片,另一个就是SSD主控芯片,二者结合成为SSD产品。

  SSD从端到云进入了消费级和企业级的市场,通过服务器厂商以及系统集成厂商,将其引入了数据中心,无论是互联网访问加速还是云计算节点数据的查询,为智能大数据应用提供了非常有力的支持。

  在计算存储产业链上,闪存芯片被国际大厂占据,诸如三星、美光、海力士、东芝等。SSD主控芯片方面,国内公司也非常有限。

  基于这样的市场背景,北京忆芯公司成立,决心做出能够与世界一流厂商一较高下的芯片。

  忆芯于2015年11月正式成立,2016年4月推出了第一颗芯片MB1000,它的成功流片令公司在2016年7月拿到了融资,并在当月与台湾光宝集团(Lite-On)的建兴电子签订了合作协议,进行量产STAR1000的研发合作。2017年1月,STAR1000成功流片,并且在2017年11月,建兴电子展示了基于STAR1000芯片开发的固态硬盘产品T10 PLUS,2018年3月,建兴T10 PLUS产品正式在京东发售。T10 PLUS固态硬盘的性能达到了业界领先的4K随机读IOPS 320K以及4K随机写IOPS 275K。

  什么是好的控制器?高效率、低能耗。众所周知,极致的高效和低能耗的优化,会导致整个芯片的应用非常固定,模式单一。

  什么是面向未来的控制器?它要支持新的特性,这个“新特性”是层出不穷的,即功能可扩展。但“可扩展”肯定有局限,它受到整个芯片的功耗、面积以及成本的影响,要考虑种种的因素。

  什么是好的未来控制器?应该能做到高效和低能耗的同时,还要保持它的功能延展性。这虽然讲起来很简单,但是在实践上,需要考虑的问题非常多。它到底要占多大的面积?跑多少功耗?实现多大的性能?适应什么样的场景需求?

  展望忆芯未来几年的产品规划,首席执行官沈飞先生曾表示,继2017年推出STAR1000后,将于2018年推出“天王星”系列芯片,支持高达32TB的存储容量及高达百万的并发访问,进入数据中心和监控领域;将于2019年推出“天狼星”系列芯片,通过导入操作系统,更强运算力和深度学习,进入智慧存储新兴市场;将于2020年推出“猎户座”系列芯片, 这是存储、计算及网络的全融合芯片,它将帮助存储从传统存储磁盘演进为存储服务器,服务于演进中的数据中心。通过这一系列产品,忆芯将最终实现自己的“中国芯、世界梦”。

  杭州华澜微电子股份有限公司副总经理周斌先生称,存储器发展了近百年,1920年出现磁存储,1956年出现HDD(机械硬盘),1966年有了DRAM。但近二三十年,固态硬盘(SSD)发展特别快,例如1990年代出现了SSD,到2006年PATA SSD出现,2009年PCIe SSD出现,2017年Intel和美光发布了3D Xpoint技术。这些SSD技术给存储应用带来了很多变化和更新。

  由于有这么多存储器形态,对存储控制器厂商带来了挑战。首先,因为当你定义存储控制器类型(style)时,可能面临这个存储控制器出来的时候,会不支持某一个新的存储器的情况。其次,三星、美光、海力士、东芝等NAND Flash(闪存)厂商自己也在做控制器,对于独立的第三方控制器的厂商来说,你要怎么样去发展你的技术,来满足客户的需要?

  存储器的发展,其实也是对存储控制器有非常大的挑战和应用,更进一步的是存储接口的发展。例如PCIe。

  据有关资料,到目前为止,SATA的存储控制器还是占主要出货(图4),但是PCIe的增长目前是最快的,其增长的幅度已经达到20%~30%的应用,特别是在企业级的数据中心应用中,增长已经超过30%。

  服务器对存储控制器PCIe的需求也是越来越高(如图5)。据有关资料,尽管目前还是以SATA为主,但大约到 2019年,SATA SSD的占比仍超过60%,PCIe也接近30%,所以整体来看是非常快的增长趋势。

  服务器部分,各厂商3D NAND发展的趋势也是越来越快,2018年各家厂商都开始64层3D NAND的规模应用,到2018年年底,各家的96层3D NAND开始规模应用,而且Intel等厂商的3D XPoint的发展和应用也越来越快。

  据业内估计,整个3D NAND的发展,大约到2022年会到512层(如图6)。可见每年都会有非常快的发展态势,对存储控制器确实是非常大的挑战。

  3D NAND给整个产业带来一个很大的好处是成本的下降。如表2,据2016年底、2017年初的数据,3D NAND的成本0.12美元/GB,2D(Planner)成本仍维持在0.21美元/GB的水平。对比2017年整个NAND的增长和价格情况,就可以推算出三星等存储器厂商确实是利润高的状态。

  在企业产品方面,华澜微在做的产品有NVDIMM。NVDIMM是把DRAM和NAND集成在一个模块上,来实现客户同时对低成本和大容量的要求。

  MVDIMM-N的产品形态是带电池的应用,主要是为了在断电的状态下,让DRAM的数据写到NAND里。在电恢复的情况下,可以把NAND的数据读到DRAM,然后让它立刻恢复到断电前的状态工作。

  相比SSD与3D Xpoint,NVDIMM有更多的优势。如表3,在同样的写入数据量情况下,按照写入数据成本计算(注:因为DRAM写入次数会更多一些),固态硬盘的成本目前约在100美元/PB的水平,3D Xpoint约1.5美元/PB,在DRAM的情况下,这部分可以降到0.4美分/PB,所以华澜微认为NVDIMM会更好地满足未来客户的需要。

  SSD的第一典型应用是智能搜索,例如摄像头。客户要求的最根本的东西,例如车牌识别,摄像头要立刻能够呈现出来相关的信息,这意味着很多计算工作和存储工作要在本地完成。华澜微与公安部一起,起草了中国视频监控存储的硬盘标准,该标准里会增加更多的元素,例如AI的应用。

  华澜微这几年做了很多特殊产品的应用。例如满足高速相机的需求,该相机的数据带宽需求已经远远超出PCIe的接口带宽;另外它的应用需求是不同的,需要对小文件的连续读取和写入数据要求很高。

  这几年,硬盘方面出现了一些安全和后门问题。华澜微的创始人骆建军博士2011年回国开始创办华澜微,愿景是让中国人把数据存放在自己的硬盘上。华澜微共获得了超过1亿元人民币的投资。2016年出货量超过1200万颗,2017年出货量超过1600万颗。在全球的按键类加密存储应用方面,华澜微占了全球70%以上的市场份额。

  华澜微主要做的是在CPU到存储之间,做所有存储相关的存储芯片。华澜微的存储控制芯片里有一个显著的特点,就是在存储芯片里放入了很多应用的因素,即把更多国产化的因素放进去了,例如有商密算法。

  除了产品方面的突破,在产业生态方面,为了配合客户的应用需求,也与上下游合作伙伴做很多配合,例如在中国生态方面,与龙芯、飞腾、申威、兆芯等处理器合作,还支持国产的操作系统。

  [1]邢雁宁.中国半导体存储器市场前景.电子产品世界,2016(7):4-7

  本文来源于《电子产品世界》2018年第8期第14页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。

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