近年來，在信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化的科技浪潮中，全球芯片產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展，國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)也是一片欣欣向榮。但由于技術和產(chǎn)業(yè)化的積累有限，在高端芯片領域，國內(nèi)自研能力依然薄弱，而隨著全球宏觀政治經(jīng)濟環(huán)境變得日益復雜，對高端芯片尤其是企業(yè)級芯片的自研創(chuàng)新能力突破的需求開始與日俱增。
據(jù)國家統(tǒng)計局公布的2021年全國集成電路（芯片）的生產(chǎn)情況數(shù)據(jù)顯示，全年國內(nèi)共生產(chǎn)芯片3594.3億顆，同比增長33.3%。但同時據(jù)工信部發(fā)布的《2021年1~11月份電子資訊制造業(yè)運行情況》的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年我國進口芯片個數(shù)達6355億個，同比增長16.9%，而進口集成電路的金額約4400億美元（2.8萬億），同比增長25.6%左右。
來源：中國工信部發(fā)布的數(shù)據(jù)
這表明，雖然中國芯片行業(yè)發(fā)展迅速，但高端芯片存在巨大的缺口，特別是對高性能、高安全等級、高可靠性有嚴苛要求的企業(yè)級芯片。以企業(yè)級SSD為例，目前國內(nèi)仍然廣泛采用國外閃存原廠產(chǎn)品，而在非原廠SSD產(chǎn)品所采用的主控芯片方面，國外主控廠商也占據(jù)著明顯的市場與技術優(yōu)勢。
憶芯科技作為國內(nèi)較早致力于高性能SSD主控芯片研發(fā)的公司，始終堅持初心，不斷推出能與國際一線品牌競爭的SSD主控芯片與方案，實現(xiàn)高端國產(chǎn)化芯片及產(chǎn)品的不斷突破。
近期，憶芯流片了新一代高性能企業(yè)級PCIe4.0 SSD主控芯片STAR2000，該芯片基于12nm工藝，含50億晶體管，集成了64位多核CPU和高達8TOPS算力的NPU，并全面支持最新的NVMe2.0協(xié)議。STAR2000采用了更先進的架構設計，借此提供強大的穩(wěn)態(tài)隨機及順序讀寫性能，在服務質(zhì)量、延遲、安全、可靠性、容錯糾錯等企業(yè)級所關注的指標上將達到業(yè)內(nèi)領先的高規(guī)格水平，進一步縮短國內(nèi)高端企業(yè)級SSD主控領域上與國外的差距。
STAR2000企業(yè)級SSD主控芯片
如何設計一款優(yōu)秀的企業(yè)級SSD主控芯片
固態(tài)硬盤（SSD）主要包括主控芯片、閃存顆粒和緩存單元三大組件。主控芯片基于運行在其CPU上的固件程序，解析主機下發(fā)的讀寫等操作命令，執(zhí)行相應的對閃存顆粒的讀寫等任務。
閃存顆粒是SSD的實際數(shù)據(jù)存儲承載主體，隨著閃存技術的演進，從平面到3D結構、從SLC到TLC再到QLC，其容量越來越大，閃存的接口速度隨著ONFI協(xié)議的遞進越來越快，但從TLC到QLC的大容量多層3D閃存讀寫和擦除的延遲也越來越大，因此依然需要多通路并發(fā)來提升其后端帶寬，并在相應的主機接口采用更快的PCIe物理通路和先進的NVMe協(xié)議來提升前端帶寬并縮短延遲。
閃存的一個重要特性是不能寫覆蓋，需要引入擦除的動作，其讀寫以頁為單位，擦除以塊為單位，因此閃存訪問需要用閃存轉換層（FTL，F(xiàn)lash Translation Layer）的地址管理機制來管理，這也帶來了閃存寫放大問題，即由垃圾回收導致的實際寫入閃存數(shù)據(jù)量大于主機側寫入的有效數(shù)據(jù)量。盡管在企業(yè)級方向上新的NVMe協(xié)議正在逐步完善ZNS、KV等結構化存儲方式來減小寫入放大的影響，F(xiàn)TL管理依然是SSD主控及方案廠商需要仔細打磨的核心技術。
3D閃存技術從SLC到TLC及QLC的演進中，壽命（一般用可擦寫次數(shù)衡量）和可靠性問題越來越嚴重，從早期SLC多達十萬次的可擦寫次數(shù)到如今QLC僅有幾百次，此外物理結構的變化使得存儲的數(shù)據(jù)更容易被正常的讀寫干擾并且耐久度更差，包括工作溫度的變化都會造成存儲單元電子分布的變化，因此主控芯片需要有強大的查錯和糾錯能力來解決可靠性和壽命問題，主控和固件需要實現(xiàn)VT值判決的最優(yōu)校準，自動適配retry的最優(yōu)序列，以及LDPC軟比特的LLR配置調(diào)優(yōu)，企業(yè)級應用中還會引入盤內(nèi)RAID保證最終可以通過冗余保護的手段來恢復正確數(shù)據(jù)。
企業(yè)級SSD產(chǎn)品有很高的性能要求，因此主控芯片設計需要精通提升帶寬和效率、降低延遲的方法，如快速命令解析與處理、CPU任務卸載、DMA傳輸、隊列處理、仲裁與傳輸均衡、時隙的流水化與并行處理等等；此外研發(fā)團隊還需要對低功耗設計從邏輯設計到物理實現(xiàn)上有全流程的豐富經(jīng)驗。企業(yè)級對穩(wěn)態(tài)性能的追逐還需要在軟件硬件協(xié)同工作上精雕細琢，結合對協(xié)議、芯片架構和固件架構的深刻理解和原型驗證的迭代，最終達成芯片在PPA（性能/功耗/面積）上的最優(yōu)結果。
企業(yè)級主控的另一個挑戰(zhàn)來自于企業(yè)級應用的特殊需求，如掉電保護、熱插拔技術、在線固件更新、雙端口雙活、快速Trim等等，需要在芯片設計階段便從系統(tǒng)層面給予充分考慮，并在芯片原型驗證中遍歷到具體應用場景。
SSD主控需要保證存放在閃存中的數(shù)據(jù)安全，因此需要具備安全解決方案能力，滿足用戶對數(shù)據(jù)加密驗簽、安全啟動等安全應用需求。除了在主控中提供XTS-AES/RSA/SHA加密解決方案，憶芯還提供國密SM2/SM3/SM4技術，憶芯國密方案已經(jīng)在上一代PCIe3.0主控芯片通過國測和國密兩項認證，具備自主可控的信息安全優(yōu)勢。
隨著可計算存儲和AI技術的發(fā)展，SSD主控也開始加入神經(jīng)網(wǎng)絡處理單元（NPU）的設計。此外，得益于高性能企業(yè)級SSD主控芯片在工藝制程上均進入了更先進的FinFET節(jié)點，集成的NPU也可以滿足越來越高的算力要求。NPU的加入使得SSD主控獲得了機器學習和深度學習能力，能夠執(zhí)行CPU不擅長的計算任務，從而運用于各種可計算型或智慧型SSD產(chǎn)品，并且降低閃存的訪問頻率。此外，使用NPU還可以幫助SSD提高可靠性和服務質(zhì)量、優(yōu)化功耗、實現(xiàn)智能自檢及早期故障排查等等。
配套的企業(yè)級產(chǎn)品方案，讓主控芯片物盡其美
有了SSD主控芯片，依然需要穩(wěn)健強大的固件系統(tǒng)的配合才能設計出一款出色的企業(yè)級SSD產(chǎn)品。STAR2000的芯片開發(fā)與固件開發(fā)在多種原型驗證系統(tǒng)上始終保持著同步，各類應用場景下的性能測試和壓力測試除了保障芯片的功能正確，也將大大加速芯片量產(chǎn)期間的SSD產(chǎn)品化。
STAR2000的SSD固件方案充分考慮了企業(yè)級所關心的穩(wěn)態(tài)性能、可靠性、掉電保護、遠程維護等功能指標，輔以近年來在PCIe3.0企業(yè)級SSD上積累的量產(chǎn)經(jīng)驗，憶芯基于STAR2000主控的PCIe4.0高性能企業(yè)級SSD的量產(chǎn)突破計日可待，屆時國內(nèi)的數(shù)據(jù)中心和企業(yè)級存儲市場也將又擁有更可靠的國產(chǎn)自主高性能企業(yè)級SSD產(chǎn)品的選擇。
