通信行業“澤字節” 時代投資報告系列二：企業級SSD深度三大替代構筑行業高增長國產替代空間廣闊-20220324（66頁）.pdf

1、華西通信團隊華西通信團隊企業級SSD：三大替代構筑行業高增長，國產替代空間廣闊20222022年年3 3月月2424日日請仔細閱讀在本報告尾部的重要法律聲明請仔細閱讀在本報告尾部的重要法律聲明分析師：宋輝SAC NO：S1120519080003郵箱：分析師：柳玨廷SAC NO：S1120119060016郵箱：僅供機構投資者使用證券研究報告|行業深度研究報告“澤字節” 時代投資報告系列二2資料來源：華西證券研究所整理2SSD成本下降，HDD存量替代流量爆發增長推動存儲介質技術變革，SSD優勢顯著適應CPU算力增長，PCIe3.0-PCIe4.0企業級SSD存儲主控芯片國產化率極低，國產切入門

2、檻低企業級SSDNVMe/PCIe 對SATA SSD存量替代存儲顆粒海外寡頭壟斷，國產化替代起步技術迭代存量替代國產化替代存儲網絡高級控制器及芯片HBA、RAID等RZlWuYaZkZuUeX0VdU8O9R9PnPoOnPmOeRpPsRkPpNvN9PpPyRwMmPrRuOsPoM投資邏輯總結 中國企業級 SSD 呈現高價值、高增長態勢：在云計算、數字經濟等需求帶動下，中國企業級存儲市場規模穩健上升，存儲容量持續上升。根據艾瑞咨詢預測，2021、2022、2023中國企業級SSD市場規模同比增長26%、37%、28%，于2025年達到489億元人民幣。 中國企業級SSD市場增長來源于三

3、個層次：下游需求增加+技術迭代HDD以及老舊接口/協議的替代需求+國產化替代。 企業級SSD存儲需要高性能，定制化需求顯著提升，客戶特殊需求體現在固件和控制器上，具備企業級控制器和固件研發能力的公司預計將會取得快速發展。 自主可控的企業級SSD屬于技術與市場壁壘雙高的領域，獲得上游NAND Flash顆粒廠商支持，以及下游阿里、騰訊、三大運營商等重點客戶認可的公司具備優勢。 投資邏輯及相關公司： 國內企業級SSD市場目前仍屬于早期快速增長階段，諸多公司產品發展策略以固件、控制器等產品或者技術往下游模組延伸為主。國內SSD產業鏈廠商可以概括為“具備主控設計能力的模組生產公司”，相關具備PCIe

4、SSD核心能力的公司包括：憶恒創源（固件）、得瑞領新（固件+主控）、英韌科技（消費級主控切入企業級主控）、大普微、得一微、國科微(上市公司有研發投入)等。 分布式存儲取代傳統存儲，存儲網絡高級控制器國產化機遇期：中國大陸擁有眾多的光纖系統、交換系統和大數據產業基地，預計未來將會有非常廣闊的國產替代空間，相關公司包括華瀾微（HBA控制芯片、RAID控制芯片）、國芯科技（上市公司、RAID控制芯片）等。 整機方面，受益標的包括：信創領域核心技術能力強、全產業鏈布局的同有科技（上市公司），整機規模優勢顯著相關上市公司：紫光股份（新華三）、浪潮信息等。 風險提示：企業級SSD市場廣闊，新進入者較多，價

5、格競爭激烈導致毛利率下滑風險；上游存儲顆粒成本占比高，其價格波動導致產品毛利率不穩定；云計算大客戶驗證周期較長，中小客戶市場容量較為受限，新產品研發投入存在不確定性風險。31SSD固態硬盤關鍵技術原理4存儲系統基本概念5資料來源：華西證券研究所整理根據經典的馮諾依曼（Von Neumann）計算技術架構，每臺計算機都將具有中央處理器（CPU）、內存（DRAM）、I/O(輸入/輸出)，外部存儲等。由于硬盤讀寫速度無法匹配CPU處理速度，讀寫速度相對較快的內存（DRAM）應運而生，內存用于暫時存放CPU運算數據以及與硬盤等外部存儲器交換的數據。外部存儲器也是計算機系統的重要組成，在理想情況下存儲器

6、的速度應當非?？?，能跟上處理器的速度，容量大而且價格也非常便宜，但目前無法同時滿足這三個條件。硬盤硬盤( (外部外部存儲存儲) )網卡網卡顯卡顯卡內存內存I/OI/O橋芯片橋芯片CPUCPU系統總線系統總線內存總線內存總線IOIO總線總線圖圖1 1：馮：馮諾依曼計算機架構諾依曼計算機架構寄存器寄存器速度最快，容量小、成本高高速緩存高速緩存（cachecache）按內容存取內存（內存（DRAMDRAM）隨機存儲器、只讀存儲器外部存儲外部存儲硬盤、光盤、U盤等圖圖2 2：計算機主要存儲系統：計算機主要存儲系統速度快、容量小速度快、容量小速度慢、容量大速度慢、容量大存儲技術演進6 20092009年

7、年SSDSSD容量達容量達1 1TBTB，SSDSSD隨后井隨后井噴式發展噴式發展，技術不斷演進技術不斷演進，HDDHDD受受制物理瓶頸制物理瓶頸，20122012年以來技術基本年以來技術基本處于停滯階段處于停滯階段。發明閃存192819281956195619731973198019801989198920092009年以來年以來錄音磁帶問世第一塊硬盤RAMAC面世溫氏硬盤奠定機械硬盤發展方向IBM推出第一塊固態硬盤摩爾定律支配下，CPU處理速度越來越快，基于磁介質進行數據存儲的磁盤和處理器 CPU 之間一直存在著棘手的剪刀差性能鴻溝。進入21世紀，信息爆炸導致數據量成倍增長，硬盤容量也在飆

8、升，單盤容量已可達到TB級別，半導體存儲登上了歷史的舞臺。和傳統磁盤存儲介質相比，半導體存儲介質具有天然的優勢，無論在可靠性、性能、功耗等方面都遠遠超越傳統機械磁盤。圖圖4 4：外部存儲器技術發展歷史：外部存儲器技術發展歷史圖圖3 3：處理器與存儲器之間的鴻溝：處理器與存儲器之間的鴻溝當前主流外部存儲技術對比：HDD vs SSD7 機械硬盤（HDD）主要由：磁頭臂，磁頭, 主軸，磁盤，接口，磁盤控制器組成。工作時，磁盤上有磁性涂層。數據存儲在這些盤片上，并通過安裝在控制器上的磁頭進行讀取。磁頭沿著磁盤片的半徑方向進行運動，與盤片的高速轉動進行配合，然后磁頭就可以在盤片上的特定位置運行，最后達

9、到信息讀取的功能。固態硬盤（Solid State Drive，SSD），固態硬盤是用固態電子存儲芯片陣列制成的硬盤?；陂W存的固態硬盤是固態硬盤的主要類別，構造上看，固態硬盤即在PCB板上集成主控芯片，緩存芯片（DRAM，部分硬盤無DRAM）和用于存儲數據的閃存顆粒（NAND FLASH），工作方法為：主控芯片通過固件算法對閃存顆粒進行數據讀寫。SSD已經成為消費級和企業級市場存儲硬盤的主流選擇。圖圖5 5：機械硬盤結構示意圖：機械硬盤結構示意圖圖圖6 6：固態硬盤結構示意圖：固態硬盤結構示意圖當期主流外部存儲參數對比：HDD vs SSD8資料來源：華西證券研究所整理SSDSSDHDDHD

10、D比較比較介質閃存磁盤SSD無機械活動部件連續讀寫能力高低連續讀/寫速度，SSD高出HDD數倍隨機讀寫能力高低隨機讀/寫速度，SSD更顯優勢，高出HDD數十倍至數百倍數據訪問時間0.1ms5msSSD基本無訪問時間，啟動速度遠高于HDD耗能2-5w6-15wSSD無機械裝置，相同性能下功耗小噪音無大SSD沒有機械馬達和風扇，無碰撞、沖擊、震動，工作時噪音值為 0 分貝。擦寫次數有限無限SSD存儲介質閃存擦寫次數有限，機械硬盤理論上無限空間利用體積更小，空間利用率高體積較大，空間利用率低SSD通過閃存的不斷堆疊提高存儲密度。提高空間利用率價格較高較低目前SSD相對HDD的價格仍偏高，但單位存儲容

11、量的價格持續保持降低態勢 。物理可靠性強弱SSD依靠閃存讀寫，無機械裝置，防震抗摔能力更好，溫度忍耐范圍更大。延遲低延遲高延遲SSD比HDD的訪問延遲更短使用壽命20年以上3-5年合理使用條件下，SSD壽命高于HDD溫升低發熱量低、散熱塊發熱量高、散熱慢SSD主要是CPU及閃存發熱，而沒有機械摩擦生熱。數據恢復能力較差較好HDD的數據恢復能力較強，SSD則較為困難，但隨著固件發展逐步提升表表1 1：SSDSSD與與HDDHDD參數對比參數對比固態硬盤（SSD）：BOM構成SSD 的主要硬件組件包括 NAND Flash、主控芯片和 DRAM，核心軟件為企業級 SSD 的固件。 固件起軟件功能；

12、主控芯片(SSD Controller)通過固件技術實現組件之間的共同運作及數據運維等功能；閃存芯片（ Flash ）則用于存取數據內容。9 圖圖7 7：SSDSSD三大核心技術關系簡要示意圖三大核心技術關系簡要示意圖主控芯片主控芯片固態硬盤的固態硬盤的CPUCPU類似于類似于固件技術固件技術操作系統操作系統類似于類似于數數據據閃存閃存序號序號名稱名稱主要功能簡介主要功能簡介1閃存顆粒（ NAND Flash ）數據存儲的核心介質，是數據存儲的載體。2主控芯片主要負責固態硬盤與服務器主機通信、控制閃存的數據傳輸并運行固件算法3DRAM 主要作為緩存用以降低固態硬盤的讀寫延遲，提升固態硬盤的讀寫

13、性能。4固件 SSD 類比為計算機，固件則是包含核心操作系統和應用軟件的集合體。固件通過驅動主控芯片調度各個硬件模塊，實現閃存和主控芯片之間的兼容，完成數據從主機端到閃存端的寫入和讀取，實現標準計算機可以使用的塊存儲設備功能。圖圖8 8：SSDSSD存儲器主要硬件存儲器主要硬件BOMBOM表表2 2：SSDSSD組成部分主要功能組成部分主要功能固態硬盤（SSD）：閃存顆粒(1)10 目前主流的固態硬盤存儲介質仍為閃存目前主流的固態硬盤存儲介質仍為閃存（NandNand FlashFlash），是一種傳統的是一種傳統的非易失性存儲介質非易失性存儲介質，其浮柵其浮柵（FloatingFloatin

14、g GateGate）晶體管的設計讓電荷能存晶體管的設計讓電荷能存儲在浮柵里儲在浮柵里，因此掉電之后因此掉電之后，數據不會丟失數據不會丟失。 閃存單元根據浮柵內存儲的電子數量所表現的電壓值表現不同的數據值，從而起到存儲數據的作用。對閃存單元的操作可簡化為寫入、讀取和擦除。寫入、讀取的操作最小結構為頁（Page），擦除的操作最小結構為塊（Block）。 存儲介質的發展趨勢將持續向更高的讀寫速度，更大存儲容量，低功耗，更高存儲密度等演進。圖圖1010：存儲技術分類：存儲技術分類非易失型（Nonvolatile)一次編程ROM（只讀存儲器）PROM（可編程存儲器）可擦除EPROMEEPROMFlas

15、h（閃存）NANDNAND FlashFlashNOR Flash可隨機存取/新型存儲PCM（相變存儲器）RRAM（阻變存儲器）MRAM（磁性存儲器）FRAM（鐵電存儲器）圖圖9 9：Nand FlashNand Flash原理原理固態硬盤（SSD）：閃存顆粒(2) NANDNAND FlashFlash從從 bitbit 形形 態態 來來 看看， 可可 以以 分分 為為 單級閃存單元單級閃存單元（SLCSLC）、二級閃存單元二級閃存單元（MLCMLC）、三級閃存單元三級閃存單元（TLCTLC）、四級閃存單元四級閃存單元（QLCQLC），對應性能壽命及可靠性依次下降對應性能壽命及可靠性依次下降

16、，但存儲密度和單位成本也依次下降但存儲密度和單位成本也依次下降。 SLCSLC：即：即1 1bit/Cellbit/Cell，僅有0、1兩種電壓變化，結構簡單，電壓控制也快速，這種結構帶來更快的寫入速度，其P/E壽命可達10萬次，但電壓變化少意味著存儲容量低，因此單位成本也最高； MLCMLC：即：即2 2bit/Cellbit/Cell，電壓變化有四種00,01,10,11，寫入性能、可靠性能相較SLC降低，其P/E壽命根據不同制程在3000-10000次不等； TLCTLC，即即3 3bit/Cellbit/Cell，電壓從000到111有8種變化，容量比MLC再次增加1/3，成本更低，結

17、構復雜，讀寫速度進一步下降，P/E壽命降低至5000以下。QLCQLC：即：即4 4bit/Cellbit/Cell，電壓有16種變化，容量再提高33%，寫入速度上，P/E寫入時間更長，速度更慢。 PLCPLC：即：即5 5bit/Cellbit/Cell，相對的電平數量從16個增加到32個，額外25%的容量加成，目前結構最復雜，因此錯誤率自然更高，需要性能更強的ECC，需要更強大的磨損平衡算法，需要強大的主控芯片CPU，技術上即使達到，近幾年內要大規模占據主流市場也并不現實。11 圖圖1111： bitbit形態分布圖形態分布圖固態硬盤（SSD）：主控芯片(1) SSD控制器芯片是SSD存儲

18、器中執行固件代碼的嵌入式處理器，控制閃存顆粒的存儲單元及與主機的連接，起著指揮、運算和協作的作用。 主控芯片在主控芯片在SSDSSD中的作用相當于電腦的中的作用相當于電腦的CPUCPU，其通過固件對固態硬盤進行管理，所以主控性能的優劣直接影響了固態硬盤整體的性能表現，其主要功能包括： 1）SSD主控調配數據在各個閃存芯片上的負荷，讓所有的閃存顆粒都能夠在一定負荷下正常工作，協調和維護不同區塊顆粒的協作； 2）連接閃存芯片和外部(SATA、PCIe等）接口，負責數據中轉 ； 3）負責固態硬盤內部各項指令，諸如ECC糾錯、耗損平衡、壞塊映射、讀寫緩存、垃圾回收以及加密等等。 SSDSSD主控研發過

19、程中還要針對不同的閃存顆粒進行針對性優化，主控研發過程中還要針對不同的閃存顆粒進行針對性優化，SSDSSD主控芯片研發需要其對不同顆粒要具備極好的適應能力。主控芯片研發需要其對不同顆粒要具備極好的適應能力。12資料來源：華西證券研究所整理SSDSSDDRAMDRAM閃存顆粒閃存顆粒閃閃存顆粒存顆粒閃存顆粒閃存顆粒SSDSSD控制器控制器CPUCPU主機接口控制器主機接口控制器緩存控制器緩存控制器閃存控制器閃存控制器BufferBufferECCECC糾錯糾錯圖圖1212： SSDSSD控制器原理框圖控制器原理框圖固態硬盤（SSD）：主控芯片(2) SSD主控需要承擔眾多任務，必須要有可靠的CP

20、U內核。一些定位高端的主控通常還需要多個CPU內核，分別用來執行不同的任務，并且在多個核心之間還需要有一套協同的機制。 現在很多SSD主控都使用Arm處理器架構，通常選擇Cortex-R系列。除了Arm的R系列內核，也有選擇其他處理器內核的，比如美國Synopsys公司的ARC處理器。還有部分SSD廠家采用RISC-v架構、MIPS架構等。 對于對于SSDSSD來說，主控芯片的好壞直接決定了固態硬盤的實際體驗和使用壽命，不同的架構、核心來說，主控芯片的好壞直接決定了固態硬盤的實際體驗和使用壽命，不同的架構、核心/ /晶體管數量的多少、頻率的高低晶體管數量的多少、頻率的高低都都關乎主控關乎主控的

21、性能的性能 。13資料來源：CSDN, ARM developer，華西證券研究所圖圖1414：Synopsys ARCSynopsys ARC處理器的處理器的SSDSSD和和FlashFlash主控解決方案主控解決方案圖圖1313：ARM Cortex R5ARM Cortex R5及及R8R8固態硬盤（SSD）：固件（ 1） 固件固件（FirmwareFirmware）是出廠預設在存儲器中是出廠預設在存儲器中，運行在閃存控制器內部的程序代碼運行在閃存控制器內部的程序代碼，擔任著存儲器中協議處理擔任著存儲器中協議處理，數據管理和硬件驅動等核心工作數據管理和硬件驅動等核心工作，相當于相當于SS

22、DSSD存儲器的操作系統存儲器的操作系統。 SSD固件包括傳輸協議處理、邏輯管理算法、數據加密和保護、閃存驅動、介質保護、異常處理和設備健康管理等功能，對存儲器設備的功能、性能、可靠性、壽命等關鍵指標具有重要影響。 隨著閃存技術的不斷發展隨著閃存技術的不斷發展，存儲密度不斷提高存儲密度不斷提高，導致單元電荷數的減少及絕緣層變薄導致單元電荷數的減少及絕緣層變薄，從而使得閃存的原始誤碼率不斷提高從而使得閃存的原始誤碼率不斷提高，可擦寫次數越可擦寫次數越來越少來越少。用這樣一種高誤碼率用這樣一種高誤碼率、短壽命的芯片來構建長使用壽命短壽命的芯片來構建長使用壽命、高性能和高可靠的固態硬盤高性能和高可靠

23、的固態硬盤，對固態硬盤廠商的固件水平及設計能力提出對固態硬盤廠商的固件水平及設計能力提出了越來越高的要求了越來越高的要求。固件開發能力是閃存存儲產品企業的核心競爭力之一。14 圖圖1515：基于：基于NVMe/PCIeNVMe/PCIe的的SSDSSD固件功能固件功能固件技術地址映射掉電保護壞塊管理垃圾回收磨損平衡圖圖1616：固件技術五大核心功能：固件技術五大核心功能固態硬盤（SSD）：固件（2） Nand Flash隨著堆疊層數和bit形態不斷發展，閃存限制也更加突出，這意味著必須有更強力的固件技術以克服擦寫過程中磨損、壞塊等問題的缺陷： 地址映射。主機通過邏輯塊（LBA，Logic Bl

24、ock Address）訪問固態硬盤，因此需要將地址映射表把主機的 LBA 地址轉換為 Nand Flash 的物理地址，才能有效訪問。地址映射的三種映射方式包括：頁映射、塊映射和混合映射等。有DRAM模塊的SSD一般會在保存映射表時，在閃存和緩存中同步保存，以提高讀取速度。 磨損均衡。閃存P/E 擦寫次數的限制決定了使用壽命的限制。如果不根據NAND Flash不同塊的使用情況作出動態調整，部分塊就會過早地因頻繁擦寫而達到上限。固件的磨損均衡功能則是針對這類問題所設置的，均衡不同塊之間的磨損程度，以最大限度延長固態硬盤的使用壽命。15資料來源：碼農家園，ATP electronic，華西證券

25、研究所圖圖1717：帶：帶DRAMDRAM（左）和不帶（左）和不帶DRAMDRAM（右）（右） 的映射管理的映射管理圖圖1818：磨損均衡效果示意圖：磨損均衡效果示意圖固態硬盤（SSD）：固件（3） 垃圾回收：閃存顆粒無法以覆蓋的方式將數據直接寫入，因此需先將顆粒中原有數據做抹除后，再寫入新數據。垃圾回收功能針對此問題，會提前在非寫入或讀取的狀態下，先行對閃存內部的零散空間進行整理與優化，保留額外的空白塊作為緩沖區，供主機新數據的寫入，提高影響SSD使用效率。 具體可以分為三個步驟： 尋找源塊，基本原則是，尋找有效數據比較少的塊，這樣搬移的數據量較??； 數據搬移，也就是將源塊中的有效頁搬移到一

26、個空閑塊上； 擦除源塊，加入空閑列表。16 圖圖1919：垃圾回收流程：垃圾回收流程固態硬盤（SSD）：固件（4） 掉電保護：當固態硬盤斷電時，存放在RAM中的映射信息會丟失，再次上電時，需要將映射信息恢復到最新狀態，確保和上次掉電前是一致的，這樣才能接受新的讀寫命令。SSD的電壓檢測器用于持續監控來自主機的電壓電平。在突然斷電的情況下，電壓檢測器會在電壓下降時立即觸發掉電保護。掉電保護確保存儲在 NAND 中的數據保持不變，內置電容器繼續供電，以便數據可以從DRAM沖洗到NAND中。如果電壓進一步下降，則NAND閃存進入寫入保護模式，不再寫入數據。 壞塊管理：首次使用 NAND 閃存設備時，

27、會創建一個壞塊表，控制器中的內置管理程序會檢查每個塊。當發現原生出廠壞塊時，程序將其標記并記錄在壞塊表中，以防止數據再次寫入。對于使用過程中出現的后續壞塊，每當控制器發現壞塊時，它就會將該塊添加到壞塊表中，并將最初寫入其上的數據傳輸到一個有效塊，防止數據丟失?？刂破鲿ζ錈o法寫入的塊執行 ECC（糾錯碼）算法。如果無法糾錯，則將有效數據刪除到預先保留的塊中。數據刪除后，將壞塊標記并記錄在壞塊表中，以防止數據再次寫入該塊。17 圖圖2121：壞塊管理：壞塊管理圖圖2020：IPSIPS掉電保護效果圖掉電保護效果圖182企業級SSD發展驅動要素數據流量+協議+存儲介質+SATA接口替代+PCIe接

28、口演進，推動企業級SSD不斷升級數據流量高速增長，CPU性能推動存儲技術迭代更新 CPU主頻的不斷提升，從單核到雙核，再到多核；CPU的處理速度越來越快，而存儲硬盤的讀寫速度已經遠遠跟不上CPU的讀寫速度。 服務器CPU創新從5-7個季度轉換到4-5個季度，技術迭代在加速。 流量增長速度遠遠超過服務器增長速度，也表明服務器的存儲密度提升也在加速。19 SHAPPHIRERAPIDS201420142015201520162016201720172018201820192019202020202021202120222022服務器服務器CPUCPU創新從創新從5 5- -7 7個季度轉換到個季度

29、轉換到4 4- -5 5個季度，技術迭代在加速。個季度，技術迭代在加速。11.5119.0128.5640.7756.877.490102030405060708090201720182019*2020*2021*2022*Traffic in exabytes per month圖圖22 Global mobile data traffic 201722 Global mobile data traffic 2017- -20222022圖圖2323：全球服務器出貨量預測（百萬臺）：全球服務器出貨量預測（百萬臺）10.811.311.912.413.102468101214201820192

30、020*2021*2022*存儲接口協議演進，技術迭代升級20資料來源： unicaca，華西證券研究所HDD和早期SSD絕大多數都是使用SATA接口，SATA接口是由Intel聯合多家公司研發的系統接口標準。由于整個計算機系統性能瓶頸在硬盤端，而不是在協議和接口端，AHCI協議和SATA接口足夠滿足早前存儲系統性能需求。隨著SSD技術的飛速發展，SSD盤的性能飆升，底層閃存帶寬越來越寬，介質訪問延時越來越低，系統性能瓶頸轉移到接口和協議。2009年，Intel、美光、戴爾、三星、Marvell等巨頭制定了專門為SSD服務的NVMe協議，NVMe協議理論讀寫速度遠超SATA等協議。隨著服務器處

31、理數據持續高速增長，未來存儲接口的演進將會持續，帶動存儲技術發展。2004200420082008201220122016201620172017NVMNVMe e 1.21.2NVMNVMe e 1.01.0SATA 3.0SATA 3.0SATA 1.0SATA 1.0NVMNVMe e 1.31.32018201820202020SAS 1.0SAS 1.0SATA 2.0SATA 2.0SAS 2.0SAS 2.0SAS 3.0SAS 3.0SAS 4.0SAS 4.0NVMNVMe e 1.41.4050010001500200025003000HDDSATANVMe圖圖24 24

32、HDDHDD、SATASATA、NVMe NVMe 協議支持理論最大數據讀寫速度協議支持理論最大數據讀寫速度讀速度寫速度圖圖25 25 存儲接口協議持續演進中。存儲接口協議持續演進中。存儲介質演進，SSD性能提升（1） 自數據產生以來，存儲介質也歷經了5代變化：磁帶、軟盤、光盤、HDD及SSD。在HDD向SSD演進之前，存儲介質的改進均是為了容量的提升。 而在HDD向SSD演進過程中，受NAND技術及閃存顆粒所限，讀寫速度、抗震性及無噪音成為目的，容量并非此次介質改進的關鍵。時至今日，SSD在容量上相比HDD仍具有劣勢。 NAND Flash是一種常見的非易失性存儲介質，也就是我們常說的SSD

33、盤。它的基本存儲單元被稱為Cell，由一種類NMOS的雙層浮空柵(Floating Gate) MOS管組成，浮動柵內存放電子，通過對浮空柵內充放電改變其電子多少，來表示二進制數據。21 SCMSCM存儲級內存存儲級內存NAND FlashNAND FlashNVMe/SAS/SATANVMe/SAS/SATASAS/SATA HDDSAS/SATA HDD15K/10K/7.2K15K/10K/7.2K磁帶、光盤等磁帶、光盤等離線存儲介質，適用于長期歸檔離線存儲介質，適用于長期歸檔典型容量：300GB/6TB/12TB現階段主流存儲介質，時延高現階段主流存儲介質，時延高典型容量：2.4TB/

34、8TB/16TB逐漸取代逐漸取代HDDHDD成為主流，易磨損成為主流，易磨損典型容量：1.92TB/3.84TB/7.68TB新型存儲介質，掉電不丟失數新型存儲介質，掉電不丟失數據據典型容量：750GB/1.5TB主要指標主要指標SCMSCMSSDSSD磁盤磁盤光盤光盤性能最高；時延微秒級；IOPS數十萬高；時延小于1ms；IOPS數萬中；時延3-10ms；IOPS 100-200低；時延秒級；IOPS忽略不計可靠性高高；故障率低，故障不容易恢復數據高；故障率高，故障數據容易恢復高安全性中中中高；離線數據不容易修改持久性中；不容易磨損；存儲5-10年低；容易磨損；存儲5年中；存儲5-10年高；

35、存儲20-30年容量低；單盤1.5TB中；單盤15.36TB中；單盤16TB低；單盤300GB成本最高；單TB上萬元高；單TB上千元中；單TB數百元中；單TB數百元使用場景在線業務；熱點數據加速在線業務；高性能場景在線業務；普通場景離線業務；備份、歸檔普及程度低高高低表表3 3：主要存儲介質性能對比：主要存儲介質性能對比圖圖2626：主要存儲介質演進：主要存儲介質演進存儲介質演進， SSD性能提升（2）22 單位存儲容量不斷提升：單位存儲容量不斷提升：SSD分為SLC、MLC、TLC等類型，SLC代表每個Cell存儲1比特數據，MLC每個Cell存儲2比特，TLC每個Cell存儲3比特。存儲的

36、數據越多，單盤容量越大、單TB的成本越低，但同時對數據讀寫的精度要求也越高，性能和壽命也越低。目前主流SSD盤采用的是TLC技術，未來QLC、PLC技術將進一步普及，其每個Cell可以存儲4比特、5比特數據，SSD盤的單TB成本將進一步得到降低。堆疊技術提升存儲容量：堆疊技術提升存儲容量：除了每個Cell存儲的數據量越來越多，NAND Flash SSD也采用了堆疊技術來提高容量密度，從24層到32層、48層再到百層以上，層數越多，單位面積SSD盤可容納的數據量就越多。目前主流SSD廠商的堆疊層數可以達到96層或128層，176層、192層已獲技術突破。目前目前SSDSSD盤的單盤容量支持盤的

37、單盤容量支持480GB/960GB/1.92TB/3.84TB/7.68TB/15.36TB480GB/960GB/1.92TB/3.84TB/7.68TB/15.36TB等，未來還會出現單盤等，未來還會出現單盤30TB30TB甚至更大容量。甚至更大容量。圖圖2727：單位存儲容量不斷提升：單位存儲容量不斷提升圖圖2828：堆疊技術提升存儲容量：堆疊技術提升存儲容量PCIe替代SATA接口： PCIe、SATA性能對比 目前目前SSDSSD產品主要使用的接口模塊大多適用產品主要使用的接口模塊大多適用SATASATA及及PCIePCIe，部分使用部分使用SASSAS接口接口。其中PCIe具備更好

38、的帶寬速度， SATA接口+AHCI協議被PCIe接口+NVMe 協議逐步取代是技術趨勢。23 圖圖2929：SATASATA接口和接口和PCIePCIe接口帶寬對比接口帶寬對比AHCIAHCINVMeNVMe適用介質磁盤（機械硬盤）閃存命令隊列數164,000單位隊列可傳輸命令數3264,000占用CPU功耗高低延遲6ms2.8ms交互對象通過SATA controller直接與系統CPU相連IOPS最高100,000高于100萬1503006005001000200005001000150020002500SATA ISATA IISATA IIIPCIe 2.0PCIe 3.0PCIe

39、4.0SATA（單線，MB/s）PCIe（單線，MB/s）接口帶寬表表4 4：AHCIAHCI協議與協議與NVMeNVMe協議對比協議對比PCIe替代SATA接口： PCIe、SATA性能對比 PCIe(PCIe(Peripheral Component Interconnect Express) )是繼是繼ISAISA和和PCIPCI總線之后的第三代總線之后的第三代I/OI/O總線總線，是一種設備高速連接標準是一種設備高速連接標準，具備數據傳輸具備數據傳輸速率高速率高，抗干擾能力強抗干擾能力強，傳輸距離遠傳輸距離遠，功耗低等優點功耗低等優點。 相較于二代總線標準PCI，PCIe最大的特點是不

40、使用并行數據傳輸和總線不使用并行數據傳輸和總線的連接方式轉為串行數據傳輸串行數據傳輸，點對點的連接方式和差分點對點的連接方式和差分電平信號傳輸電平信號傳輸，串行差分有效提高了抗干擾能力提高傳輸速率，吞吐率遠高于PCI。24圖圖3030：PCIePCIe與與PCIPCI I/OI/O有效傳輸速率對比有效傳輸速率對比13310662132819216384020004000600080001000012000140001600018000PCIPCI-XAGP 8XPCIe x16 Gen1PCIe x16 Gen2I/O傳輸速率(MB/s)PCIePCIe相較于相較于PCIPCI總線的特點總線的

41、特點結構分析結構分析傳輸效率提高1.PCIe總線使用兩對數據線實現傳輸，TxRx。相比PCI的并行32/64位總線簡化很多，設計成本會降低，速度提高。2. 兩個設備之間點對點串行互聯點對點串行互聯，不同于PCI的共享一條總線資源，PCIe采用點對點技術，每個設備獨享通道帶寬，可以提高數據傳輸率。3.PCIe采用全雙工傳輸全雙工傳輸，PCI為半雙工，PCIe效率更高抗干擾能力強1.PCIe使用差分電平信號傳輸，而差分電平信號傳輸，而PCIPCI并行傳輸在高頻傳輸上干擾并行傳輸在高頻傳輸上干擾嚴重。嚴重。2.PCIe支持熱插拔熱插拔，提供電路保護兼容性、通用性強1.PCIe支持對PCI架構兼容。2

42、.測試方式簡單通用。3.PCIe可用插槽數不斷擴展。表表5 5：PCIePCIe與與PCIPCI 總線特點對比總線特點對比PCIe接口自身演進， PCIe 4.0替代PCIe 3.0 PCIePCIe 4 4. .0 0接口接口SSDSSD已逐步成為企業級存儲硬盤主流選擇已逐步成為企業級存儲硬盤主流選擇，PCIePCIe 5 5. .0 0已有部分產品實現已有部分產品實現量產量產。 PCIe 4.0是目前大規模商用較為主流的版本，SSD性能大幅提升，但相較于PCIe 3.0SSD，價格仍高出很多，將率先在高端市場應用。當前PCIe SSD主要還是以PCIe 3.0 x4為主，最大理論速度可以達

43、到4GB/s，一般SSD最大實際測試速度基本可以達到3.5GB/s。PCIe 4.0相較于PCIe 3.0，最大帶寬翻倍，PCIe 4.0 x4通道可帶來8GB/s的超高理論帶寬，SSD實測順序讀取性能也能達到7GB/s。PCIe 5.0在企業級和消費級都已有產品產出，頭部主控廠商Marvell企業級SSD及原廠Intel第12代處理器均有搭載。25 2.558163264010203040506070PCIe1.0PCIe2.0PCIe3.0PCIe4.0PCIe5.0PCIe6.0圖圖3131：理論單理論單lanelane最大帶寬最大帶寬(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蓄勢待發26 PCIePCIe5

45、 5. .0 0將成主力產品將成主力產品，6 6. .0 0標準已出標準已出，量產在途量產在途。PCI-SIG此前給出PCIe的帶寬增長趨勢。2020-2021期間，PCIe4.0-5.0作為PCIe3.0的更新版本陸續出現并量產，但其仍采用基于NRZ（Non-Return-to-Zero）的128b/130b編碼。PCIe 6.0預期2022年能陸續公用，完成驗證測試。 PCIe6.0不再采用NRZ編碼，PAM4脈沖調幅信令，1b/1b編碼，單個信號就有能四種編碼（00/01/10/11）狀態，比之前翻番，允許承載最高30GHz頻率，將 PCIe 鏈路的速度提高一倍，PCIe6.0 實現了帶

46、寬速率的全面加倍，對于已經縫合給定寬度的鏈路的設備，額外的帶寬意味著總線限制的顯著增加；同時，對于尚未使鏈路飽和的設備，PCIe 6.0 提供了減少鏈路寬度、保持相同帶寬同時降低硬件成本的機會。 從今年大規模商用的角度看，PCIe 5.0 和 NVMe 2.0 是下一代企業級 SSD 的發力方向，2022-2023年有望成為主流。表表7 7：PCIePCIe編碼方式對比編碼方式對比PCIePCIe版本（提出時間）版本（提出時間）編碼方式編碼方式信號指令信號指令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 6.012481632641282560204060801001201401601802002202402602802001200420072010201320162019202220252028圖圖32 32 PCIePCIe帶寬演進帶寬演進帶寬（GB/s）I/O帶寬每三年實現翻倍迭代

48、NVMe與PCIe成為企業級SSD黃金搭檔 NVMeNVMe（nonnon- -volatilevolatile memorymemory expressexpress）是非易失性存儲接口協議是非易失性存儲接口協議，為應用層服務為應用層服務，通過利用通過利用PCIePCIe總線實現數據交互的功能總線實現數據交互的功能，實現對物理層的實現對物理層的抽象功能抽象功能。 PCIePCIe接口和閃存接口的高速發展要求相應的高速命令傳輸協議接口和閃存接口的高速發展要求相應的高速命令傳輸協議，NVMeNVMe應運而生應運而生，NVMeNVMe與與PCIePCIe搭配顯著提升了固態硬盤性能搭配顯著提升了固態

49、硬盤性能。 通過PCIe接口將I/O命令和響應映射到主機的共享內存，支持多核處理器并行I/O，以促進高吞吐量，緩解CPU的壓力。利用并行數據路徑，在加速方面提供更好的性能。與PCIe接口的結合，使得數據通過NVMe協議直接與CPU相連，從而達到低延時性；最大隊列深度由SATA的32上升到64000，固態硬盤IOPS顯著提升；功耗管理功能降低了能耗，并使得SSD擁有更好的兼容性。27資料來源：NVM Express Inc.，華西證券研究所圖圖3434：NVMeNVMe協議協議 RoadmapRoadmap圖圖3333：NVMeNVMe協議規范路線圖協議規范路線圖各類管理應各類管理應用用主機處理

50、器主機處理器基板管理控基板管理控制器制器應用層NVMeNVMe管理管理端端協議層管理組件傳輸協管理組件傳輸協議（議（MCTPMCTP）傳輸）傳輸PCIePCIe接口指令接口指令傳輸層PCIePCIe端口及端口及SSDSSD中中NVMeNVMe處理處理器器物理層283存儲網絡化網絡存儲技術資料來源：華西證券研究所整理網絡存儲技術（Network Storage Technologies）大致分為三種：直連式存儲（DAS：Direct Attached Storage）、網絡存儲設備（NAS：Network Attached Storage）和存儲網絡（SAN：Storage Area Netwo