1、引言

当前，在云计算、数字经济等需求带动下，信息呈爆炸式增长，导致数据量也成倍增长，硬盘容量持续飙升，单盘容量已可达到TB级别，半导体存储登上了历史的舞台。和传统磁盘存储介质相比，半导体存储介质具有天然的优势，无论在可靠性、性能、功耗等方面都远远超越传统机械磁盘。

固态硬盘（Solid State Drive，SSD），固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘。基于闪存的固态硬盘是固态硬盘的主要类别，构造上看，固态硬盘即在PCB板上集成主控芯片，缓存芯片（DRAM，部分硬盘无DRAM）和用于存储数据的闪存颗粒（NAND FLASH），工作方法为：主控芯片通过固件算法对闪存颗粒进行数据读写。SSD已经成为消费级和企业级市场存储硬盘的主流选择。

图1 固态硬盘结构示意图

2、SSD BOM构成

固态硬盘（SSD）主要包括主控芯片、闪存颗粒和缓存单元三大组件，核心软件为企业级SSD的固件。

图2 SSD三大核心技术关系简要示意图

图3 SSD存储器主要硬件BOM

3、SSD主控芯片

SSD控制器芯片是SSD存储器中执行固件代码的嵌入式处理器，控制闪存颗粒的存储单元及与主机的连接，起着指挥、运算和协作的作用。

主控芯片在SSD中的作用相当于电脑的CPU，其通过固件对固态硬盘进行管理，所以主控性能的优劣直接影响了固态硬盘整体的性能表现，其主要功能包括：

1）SSD主控调配数据在各个闪存芯片上的负荷，让所有的闪存颗粒都能够在一定负荷下正常工作，协调和维护不同区块颗粒的协作；

2）连接闪存芯片和外部(SATA、PCIe等）接口，负责数据中转；

3）负责固态硬盘内部各项指令，诸如ECC纠错、耗损平衡、坏块映射、读写缓存、垃圾回收以及加密等等。

SSD主控研发过程中还要针对不同的闪存颗粒进行针对性优化，SSD主控芯片研发需要其对不同颗粒要具备极好的适应能力。

图4 SSD控制器原理框图

SSD主控需要承担众多任务，必须要有可靠的CPU内核。一些定位高端的主控通常还需要多个CPU内核，分别用来执行不同的任务，并且在多个核心之间还需要有一套协同的机制。

现在很多SSD主控都使用Arm处理器架构，通常选择Cortex-R系列。除了Arm的R系列内核，也有选择其他处理器内核的，比如美国Synopsys公司的ARC处理器。还有部分SSD厂家采用RISC-v架构、MIPS架构等。

对于SSD来说，主控芯片的好坏直接决定了固态硬盘的实际体验和使用寿命，不同的架构、核心/晶体管数量的多少、频率的高低都关乎主控的性能。

图5 ARM Cortex R5及R8

图6 Synopsys ARC处理器的SSD和Flash主控解决方案

目前市场上流通的固态产品，使用的主控芯片可以分为两大类型：

一类是各存储原厂诸如三星、Intel、美光等巨头基于IDM生产模式生产，其中三星的主控自产自销，基本不单独出售主控，美光既用于自有产品也外卖给其他下游厂商。

另一类是Fabless厂商，核心玩家主要是Marvell、慧荣及群联电子。

Marvell性能较好，一直是主控市场上性能的佼佼者，其SSD控制器基于NAND Edge LDPC引擎，支持在企业和超大规模数据中心环境中使用高性能和大容量的SSD，并兼容TLC、QLC和SLC存储器，数据安全及数据纠错能力领先。

慧荣和群联是台系主控代表，慧荣主控以不错的性能和低廉的价格为主要特点，整体较为平衡。群联主控性价比好，中低端市场有优势。

图7 Marvell BraveraSC5 主控芯片结构

图8 Marvell BraveraSC5 实物结构

具体根据technavio预测，2020-2025年企业级SSD主控芯片市场规模将增长12.6亿美元，预计CAGR达到17.88%，2021年亚太地区提供主要增量，估算增长79%，主控芯片市场将继续保持高度集中的竞争格局。

纵观全球控制芯片市场，三星为主的原厂占据约45%的市场份额；慧荣科技、群联电子、Marvell等厂商，合计占据约40%+的市场份额。