NAND主宰記憶體控制器未來發展

作者 : Gary Hilson,EE Times特約記者

就算新興記憶體或SCM能獲得市場青睞,目前記憶體控制器晶片市場還是高度仰賴快閃記憶體裝置的進展...

記憶體控制器的未來發展與所控制的記憶體緊密相關,且受到摩爾定律(Moore’s Law)的限制。因此儘管市面上的儲存級記憶體(SCMs)或許拜新架構之賜而獲得青睞,記憶體控制器市場在很大程度上還是由NAND快閃記憶體技術主導。

「眾所周知,快閃記憶體儲存密度每兩年就增加一倍,但很少有人注意到,其控制器晶片複雜程度也隨著越來越高;」市場研究機構Objective Analysis 首席分析師Jim Handy表示,這讓NAND從SLC演進至MLC、TLS,再到QLC,速度更快,使用體驗更好,功能也更多,「我常開玩笑說,記憶體控制器如此迅速地變得這麼厲害,很快我們大概就可以看到,一顆控制器晶片就算掛在沒功能的快閃記憶體晶片上,還是能妥善提取資料。」

Handy指出,就算新興記憶體或SCM能獲得市場青睞,目前記憶體控制器晶片市場還是高度仰賴快閃記憶體裝置的進展,甚至不是固態硬碟(SSD);「以單位出貨量的角度來看,目前量最大的是快閃記憶卡,像是microSD卡。」

相較於NAND,新興記憶體通常對控制器晶片的要求較少,例如糾錯碼(ECC)和耗損平均(wear leveling)功能;3D Xpoint記憶體(如Optane)就已內建了耗損平均功能。「比起快閃記憶體,管理新興記憶體相對容易很多;」Handy表示,新興記憶體控制器較容易製造,快閃記憶卡裝置內的控制器複雜程度也遠低於SSD控制器,較低的複雜度意味著較低成本。

「一顆低階SSD控制晶片成本約1美元,高階SSD控制器晶片的單價則在75或100美元;」Handy指出,控制器晶片的發展軌跡與計算機很類似,很久以前一台計算機要價數百美元,而隨著內部晶片越來越小、越來越便宜,一台基本的四功能計算機功能幾乎沒變,在差不多十年前就被當成免費贈品了。

Handy指出,如果沒有增加新功能,或者客戶對去年、甚至十年前的功能都很滿意,記憶體控制器晶片的狀況就會跟計算機一樣;「若不是變得更複雜、添加大量功能,控制器晶片就會變得更便宜。」對生產自家用記憶體控制器晶片的業者來說,開發成本持續降低是個優勢,但那些生產具備新功能──例如更複雜的ECC──控制器的廠商則是為了不讓自家晶片成為廉價產品。

非揮發性記憶體控制器介面標準組織NVM Express的技術工作小組主席Peter Onufryk認為,控制器晶片在SSD產品價值中佔據重要成份。眾家NAND供應商的產品各有千秋,但是控制晶片能讓NAND的可用性充分發揮。控制器晶片對SSD來說就像是汽車不可缺少的引擎,因為可以確保NAND正常執行既定的工作負載,無論對性能表現的期待是高或低。

而是否能滿足那些因此區別了控制器晶片的期待,就是在控制器晶片市場上取得成功的關鍵。Onufryk指出,目前那些由第三方供應商生產的控制器晶片主要有三大類客戶,一是有特殊目的之超大規模業者(hyperscaler,EETT編按:如Google、Facebook、Amazon…等雲端服務供應商),二是打造自有品牌產品線的SSD供應商,三是白牌SSD業者。

Onufryk表示,SSD增加的任何新功能最終都能以控制器晶片實現,無論是功耗或性能平衡、利用NVMe規格的新功能,或者什麼專屬功能;「因此每一家廠商都還在嘗試開發自己的東西。」這衍生了對控制器晶片五花八門的性能/功能需求,也帶來了挑戰,取決於需要的是固定功能控制器或是可程式化控制器。

「可程式化特性得付出功耗的代價,但在另一方面,固定功能控制器無法隨著新功能的添加而演進,而現在可能有比以往更多的人正在做不同的事情;」Onufryk指出,控制器晶片這門生意充滿挑戰,因為光是超大規模業者就有那麼多家,NAND/SSD製造商的產品藍圖也在不斷變化,他們會採用現成控制器晶片的地方可能會改變。

「這個市場是不穩定的,」也需要在韌體、儲存媒介以及ECC等方面的大量專家,因此他認為,無論是對想要進入記憶體控制器晶片市場的新創公司,或者試圖開發記憶體控制器晶片的老牌半導體業者來說,都很難想像他們將遭遇的挑戰有多艱鉅。

Marvell Bravera SC5系列控制器 (圖片來源:Marvell)

Marvell就是一家專注於功能開發的商用記憶體控制器晶片供應商,其記憶體控制器晶片客戶包括Kioxia America、SK Hynix等;該公司最新的Bravera SC5系列控制器晶片號稱能因應雲端資料中心SSD不斷增加的工作負載,支援符合美國聯邦資訊處理標準(FIPS)的信任根、256位元AES加密以及多金鑰撤銷(multi-key revocation)等功能,也支援PCIe 5.0和NVMe 1.4b。

Marvell快閃記憶體事業部門行銷副總裁Thad Omura表示,今日的記憶體控制器必須能因應裝置外觀的快速變化以及不同的NAND類型, 並滿足嚴格的物理條件、散熱和訊號完整性等要求。隨著工作負載不斷變化,Bravera SC5系列控制器可高度客製化,因應雲端工作負載持續演變所需的多樣化儲存選項;這意味著在他們的客戶中,像是Microsoft Azure、Facebook等超大規模雲端服務供應商,就像是SSD製造商一樣多。

「一切都是為了要滿足他們在雲端基礎設施與超大規模方面的嚴苛需求;」Omura表示,快閃記憶體在儲存與運算兩個主要應用領域中以非常健康的步伐成長,Marvell的產品可支援這兩種應用必備的所有通訊協議。超大規模業者的目標之一是降低磁碟的庫存,因此他們基本上可以在不同的應用上使用相同的硬體;他表示,大多數為雲端與資料中心推出的產品都是鎖定儲存或運算應用,「我們能讓相同的硬體同時支援兩種任務。」

另一個需求是提升ECC能力,因為新一代的NAND會隨著製造商推動更高的密度而在某些方面可靠性較低;此外控制器晶片還必須因應對更佳功耗與散熱特性的功能需求。而且Omura表示,現在超大規模業者之間正流行一些新興的SSD外觀規格,像是EDSFF E1.S,因此他們不再向Dell等業者採購伺服器成品,轉向自己動手開發伺服器、甚至包括SSD。Marvell透過直接賣晶片給這些超大規模業者來提供支援,無論他們選的外觀規格是哪一種,都可以協助簡化所有零組件的相容性。

有一些NAND供應商可以自主開發控制器晶片,但有一些就沒辦法全部自己做、得尋找第三方合作夥伴;Omura表示,後者可能不具備開發完整解決方案的內部資源,就會需要像是Marvell這樣的公司,來幫忙最佳化其產品藍圖。

Microchip Flashtec NVMe控制器 (圖片來源:Microchip)

Objective Analysis的Handy指出,開發控制器晶片還是有最低成本,而且當控制器變得越來越複雜,每一次都會花費更多。單一家公司無法負擔自主開發旗下不同SSD產品所需控制器晶片的成本,所以會選擇向銷售控制器給兩家客戶的供應商採購一款控制器;「他們可以一起支付為那兩家公司的SSD開發控制器的成本。」

Microchip是另一家為NAND製造商提供SSD控制器晶片的業者,那些NAND製造商可能也自己開發控制器晶片,但還是得透過採購市場上的控制器來完善其產品。Microchip資料中心業務部門總監Mark Orthodoxou表示,該公司也協助想要自己打造更多資料儲存基礎設施的超大規模業者,滿足其客製化需求或降低成本。

「我們當然也有很多來自SSD供應商的業務,因為這些業者也轉向自己打造SSD控制器,但那真的真的很難;」Orthodoxou表示,這導致有一些公司在過程中走了冤枉路。「在其他的案例中,他們則是沒有能力支援服務整個市場必備的所有功能;」而Microchip專注於提供企業與NVMe規格SSD控制器,目前有PCIe 4.0產品以及支援未來新一代規格的產品藍圖,不過未包含新興記憶體控制器。

Orthodoxou不認為會出現成功的SCM產品,指出像是英特爾(Intel)以Optane為基礎的SSD就「摔得很慘;」他表示,在NVMe介面上使用SCM很沒意義,「你將看到的是SCM將轉向CXL介面應用並取得成功。」Microchip也關注硬碟機與SSD的進展,包括能有效提升磁碟表面密度與容量的SMR (shingled magnetic recording)技術,同時長期為投資SATA與SAS產品的客戶建構生態系統。

Marvell的Omura則表示,該公司仍在繼續關注SCM,但認為該市場要達到對一家控制器晶片業者來說夠大的規模,還有很長一段路要走。美光(Micron)已經退出3D Xpoint記憶體市場,Intel是目前唯一積極推動SCM產品的公司,而SCM介面還需要更多的標準化;「這並不是說我們不會推出支援該類產品的控制器,我們還在密切關注中。」

在此同時,CXL產品也開始在市場上出現,Marvell是積極的參與者之一;對此Omura指出:「我們確實認為一開始CXL將鎖定DRAM,然後最終將有能力整合SCM。」

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年9月號

責編:Judith Cheng

(參考原文:NAND Directs the Future of Memory Controllers,by Gary Hilson)

 

 

 

 

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