中国SSD产业突围，技术“瓶颈”与挑战在哪里？

在全球范围,SSD的出货量一直有增无减。

研究机构Research and Markets预测,2020年全球SSD市场规模为348.6亿美元,到2026年,这一数字预计将增加到803.4亿美元。聚焦中国市场,根据艾瑞咨询预测,2021、2022、2023年中国企业级SSD市场规模同比增长26%、37%、28%,于2025年达到489亿元人民币。

SSD市场容量巨大,然而一个残酷的现实是SSD产业鲜见中国厂商的身影,主要被欧美、日韩占据,头部集中度高。

中国半导体存储产业虽然起步较晚,但如江波龙、嘉合劲威等最早一批投身SSD产业的企业发展距今也超过10年。10年,并不算短,可中国SSD厂商大部分可以说还是在产业边缘游走,距离行业领先尚有一定的距离。

中国SSD产业发展为何如此缓慢,是技术壁垒太高还是中国SSD厂商不够努力?本文重点从技术角度来做一些探讨。

SSD难不难做?肯定是难的。有多难,从技术和生态两个维度做一些分析。

首先看技术层面。

SSD的核心组成是主控、固件和闪存颗粒。另外,厂商在全流程的设计、测试、生产、定制等一体化能力也非常重要。

其中的逻辑就像造车,有了发动机、变速箱和底盘三大件,也不一定能造出一辆好车。因为不仅涉及到技术层面的调教、生产,同时也涉及到品牌的积淀、口碑的打造。

主控-SSD的核心控制中枢

主控即主控芯片,是主板或者硬盘的核心组成部分。主控开发的难点在哪?主控是SSD的核心控制中枢,好的控制器设计可以发挥出存储介质的全部潜力,因此最难之处不在于把芯片做出来,而是要不断追求其功能和性能的极致。

比如,是否通过更强的纠错能力去适配新一代SCM以及QLC介质,并能在满足客户规格的前提下,提供充分的差异性。比如,能否在架构中通过硬件加速逻辑来提升性能,同时在计算架构上更为灵巧,应对客户提出的更多计算特性植入。

正因为此,对于想在存储行业长期发展的厂商来说,自研控制器是彰显技术竞争力的核心要素。

除此之外,主控厂商还需要证明产品的商业化能力,才有可能得到Flash原厂的认可并实现大规模商用。而商业化能力又涉及到测试、生产和上下游协调、打通。换句话说,这不是一个单纯的技术问题。

目前行业内的SSD控制器分为三大类:针对企业级SSD的控制器,主要面向企业与云的应用;针对消费级SSD的控制器,面向PC以及平板电脑;针对嵌入式领域的控制器,面向eMMC 以及UFS等。

在企业级、消费级存储厂商中,能同时提供自研控制器技术,并批量使用的厂商很少。主要原因是原厂占有率过高,比如企业级市场的80%由原厂占有、消费级市场的70%由原厂占有。

不过,近些年也有一些主控新势力正在崛起。忆联自主研发的企业级SSD主控已突破百万级销售,消费级芯片则突破千万级销售,在数据中心、头部PC客户产品中均有广泛应用。再者就是江波龙等,也在市场有一些不错的表现。

这背后的努力是难以想象的。以忆联为例,实力远超名气,深耕存储10年以上,专注研发事业,经历了5代以上的研发叠代。同时,先后解决了高性能控制器架构、面向不同场景的定制灵活性问题,以及不同状态下极致功耗优化等攻克SSD的核心难题。

固件算法和颗粒

固件,控制器和存储颗粒组成了SSD的肉体,灵魂则在于固件。

控制器与存储颗粒如何完美兼容,实现与外部接口的高效传导,核心都在于固件。一般有控制器开发能力的厂商都会独立研发固件算法。主流控制器厂商也都是固件算法的提供商,比如合肥长鑫。

固件开发,不仅仅需要懂行业的专业人才,还需要对算法、未来趋势有所了解。

闪存颗粒(Flash Memory),一种非易失性存储介质,以固定大小的区块为单位。闪存颗粒难在哪?简单说,闪存颗粒的结构和工作原理都极其复杂,比控制器的研发难度更大。这导致主流品牌极少,常见如三星、铠侠,中国的长江存储正在奋力直追。

闪存颗粒是一般厂商无力涉及的领域,又是SSD的必需,唯一的解决办法就是和上游建立稳定的采购关系,确保采购的稳定和可持续。看似闪存颗粒是单纯的采购关系,实际又涉及到SSD厂商实力的问题。

目前,也只有极少数有实力的企业能和国际、国内Top NAND介质伙伴有稳定的战略级合作关系,比如华为、忆联等。

据了解,当前有一部分国产SSD厂商也会绕过原厂直接采购闪存颗粒,让制造商根据行业的需求定制一批颗粒。这需要一个长期的过程,既要与上游原厂保持固定的联系,了解趋势、做出主控;也要适当布局,拥有一定的自主可控能力。

封装测试

封测作为集成电路产品制造的后道工序,指将通过测试的晶圆按产品型号及功能需求加工得到独立集成电路的过程,可分为封装与测试两个环节,对企业的研发能力、资金实力与技术水平都有着高要求,难易程度不言而喻。

简单来说的话,SSD市场中,消费级SSD较为标准化,企业级SSD的需求则更为多样化。需求多,意味着测试要求也更多,比如能否提供与业界对标的封测能力;是否可以支持3D NAND的多种封测形式;是否能够支持高密度大容量封测;测试过后能否快速作出调整与反馈……每一项都十分考验厂商的硬实力。

拿大家最熟悉的3D堆叠层数为例,现在主流到了176层,长江存储在128层。并且大概每隔18个月,堆叠层数就会进步一次,这意味着主控、固件都需要重新设计与研发,并做封测。

还不仅如此,堆叠层数只是NAND演进的一个维度。以一幢大楼为例,横向密度(每层有几间房)、纵向层数(能盖多少层)、电路架构(进出是怎么样的路线)、内部结构(每间房可以住几个人)是NAND演进的四个维度。原厂NAND每一个细小的进步,下游厂商都得重新走完整个研发、测试流程。

无论硬件还是软件层面,SSD厂商都要不断适配原厂,持续和存储界的各种协会沟通,从而去获取用户的最新需求。即便如此,因原厂对下游某种程度的限制,部分场景产品依然无法实现。

目前来说,最好的解决办法就是购买原厂的wafer,自主封测。这不仅能提升介质的可操作性,还能增加客户的定制化服务,不过对自身的技术实力又是一个大的挑战。

现阶段,国内有自封能力的厂商极少,全球前十强封装排名,中国内地占比三家,分别是长电、通富、华天。忆联在自封方面的能力处于快速补强阶段,与前三家不同,忆联不是代工企业。当前,忆联在东莞和惠阳有两大生产基地,先进高速高密度晶圆封测年封测能力可达到19000PB。

封测后,需要大规模生产能力及定制化能力。无论是大规模生产还是定制化都涉及到大量的技术管理细节,比如,大规模生产涉及的质量管理、质量策划、质量标准控制能力,定制化涉及的柔性开发、敏捷捕捉新市场能力。

SSD的应用场景越来越广泛,对定制化能力的要求也越来越高。目前,在生产能力及定制化能力方面表现较为突出的有台湾的群联电子与创见、深圳的忆联、长沙的国科微等。

生态合作 也是技术的一部分

其次看生态层面。

SSD涉及上下游产业链众多,从协议标准到主控、闪存颗粒,再到销售渠道、解决方案提供商,有决定产品价格、品质、技术路线的,有决定销路和议价能力的。上下游如何能形成更紧密的合作关系?

另外,如何获取企业用户的信任?与消费级市场不同,企业用户关注的可不只有性能,还有功能、可靠性等。

所有涉及的技术问题,也不单纯是技术问题。拿协议标准来说,PCIe、M.2、SATA、SAS,每个标准都是一个小圈子,以客户为例,Server OEM、PC OEM、互联网、运营商,每个都是庞然大物,需要投入巨大的精力和相当多的财力去建设、完善。

SSD是个综合性要求非常高的行业,成熟厂商要在技术上领先,包括综合生产能力、核心技术人员能力,尤其要在主控、固件和解决方案的生产制造,产品的丰富度等方面有深厚积累。同时,还要不断强化生态合作能力,在价格、技术路线、销售渠道、解决方案定制方面有一定的话语权。除此之外,品牌、前景、口碑等方面也需要保持不错的形象。

生态立足于技术,是面向多种合作伙伴、为客户提供更多价值的一种有效方式。从商业角度来说,业内均以“开放 合作 共赢”为基础;而从技术角度看,则是更多技术细节的相互探讨、方案的验证、产品从实验室走向实际场景的(大规模)验证,以及客户对产品保持的耐心等等。

技术突破还需要努力

显而易见,SSD产业非常考验实力,技术门槛高、流程粘性强、对资金和资源的需求非常大。等一切俱备,还欠缺足够的时间。

中国SSD产业在失去先发优势去前提下,逐年累月,一直进步。从这个维度去评价中国SSD产业的厂商,必须得给他们点个赞,尤其是逐步登上主流SSD舞台的一些厂商,比如闪存颗粒领域的长江存储、主控封测及市场方面表现不俗的忆联等。

中国SSD产业技术在突破、产业链在不断整合,越来越多优秀的厂商正在从幕后走向台前,与国际厂商的差距不断缩小,甚至有部分领域已经追上或者实现了超越。

当然,我们也要看到,近几年有一些资本市场高举“自主可控”的旗帜,进入芯片(包括SSD)行业。从行业趋势来看,这是必然,但也要客观看这一现象。SSD技术和芯片技术类似,很多核心技术不是花钱“买人买设备买厂房”就能“买”来的,需要长时间耕耘,在对产业的深入了解基础上,一步一个脚印,逐步建立起自己的核心竞争力。

目前,中国SSD产业竞争还没有进入白热化阶段,毕竟技术壁垒太高,能存活多年的厂商一定是有些实力的。并且,这条赛道未来一定不是中国厂商内部的竞争。

对标国内外最高水准,中国厂商要做的不只是追赶,更需要比肩、超越。因为只有站在更高的水平线上,才有可能走到产业链的尖端,这是中国SSD厂商应该重视、必须重视的。