通信行业“泽字节” 时代投资报告系列二：企业级SSD深度，三大替代构筑行业高增长，国产替代空间广阔

华西通信团队企业级SSD：三大替代构筑行业高增长，国产替代空间广阔2022年3月24日请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明分析师：宋辉SAC NO：S1120519080003邮箱：songhui@hx168.com.cn分析师：柳珏廷SAC NO：S1120119060016邮箱：liujt@hx168.com.cn仅供机构投资者使用证券研究报告|行业深度研究报告“泽字节”时代投资报告系列二 nMqNrRyQnOnQwPnNsNmPpMaQbP9PnPqQnPoMlOqQmPiNpNyQ7NmNqNMYrMoNNZnOxO投资逻辑总结中国企业级SSD呈现高价值、高增长态势：在云计算、数字经济等需求带动下，中国企业级存储市场规模稳健上升，存储容量持续上升。根据艾瑞咨询预测，2021、2022、2023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。中国企业级SSD市场增长来源于三个层次：下游需求增加+技术迭代HDD以及老旧接口/协议的替代需求+国产化替代。企业级SSD存储需要高性能，定制化需求显著提升，客户特殊需求体现在固件和控制器上，具备企业级控制器和固件研发能力的公司预计将会取得快速发展。自主可控的企业级SSD属于技术与市场壁垒双高的领域，获得上游NAND Flash颗粒厂商支持，以及下游阿里、腾讯、三大运营商等重点客户认可的公司具备优势。投资逻辑及相关公司：–国内企业级SSD市场目前仍属于早期快速增长阶段，诸多公司产品发展策略以固件、控制器等产品或者技术往下游模组延伸为主。国内SSD产业链厂商可以概括为“具备主控设计能力的模组生产公司”，相关具备PCIe SSD核心能力的公司包括：忆恒创源（固件）、得瑞领新（固件+主控）、英韧科技（消费级主控切入企业级主控）、大普微、得一微、国科微(上市公司有研发投入)等。–分布式存储取代传统存储，存储网络高级控制器国产化机遇期：中国大陆拥有众多的光纤系统、交换系统和大数据产业基地，预计未来将会有非常广阔的国产替代空间，相关公司包括华澜微（HBA控制芯片、RAID控制芯片）、国芯科技（上市公司、RAID控制芯片）等。–整机方面，受益标的包括：信创领域核心技术能力强、全产业链布局的同有科技（上市公司），整机规模优势显著相关上市公司：紫光股份（新华三）、浪潮信息等。风险提示：企业级SSD市场广阔，新进入者较多，价格竞争激烈导致毛利率下滑风险；上游存储颗粒成本占比高，其价格波动导致产品毛利率不稳定；云计算大客户验证周期较长，中小客户市场容量较为受限，新产品研发投入存在不确定性风险。3 1SSD固态硬盘关键技术原理4 存储系统基本概念5资料来源：华西证券研究所整理根据经典的冯·诺依曼（Von Neumann）计算技术架构，每台计算机都将具有中央处理器（CPU）、内存（DRAM）、I/O(输入/输出)，外部存储等。由于硬盘读写速度无法匹配CPU处理速度，读写速度相对较快的内存（DRAM）应运而生，内存用于暂时存放CPU运算数据以及与硬盘等外部存储器交换的数据。外部存储器也是计算机系统的重要组成，在理想情况下存储器的速度应当非常快，能跟上处理器的速度，容量大而且价格也非常便宜，但目前无法同时满足这三个条件。硬盘(外部存储)网卡显卡内存I/O桥芯片CPU系统总线内存总线IO总线图1：冯·诺依曼计算机架构寄存器速度最快，容量小、成本高高速缓存（cache）按内容存取内存（DRAM）随机存储器、只读存储器外部存储硬盘、光盘、U盘等图2：计算机主要存储系统速度快、容量小速度慢、容量大 存储技术演进6 2009年SSD容量达1TB，SSD随后井喷式发展，技术不断演进，HDD受制物理瓶颈，2012年以来技术基本处于停滞阶段。发明闪存192819561973198019892009年以来录音磁带问世第一块硬盘RAMAC面世温氏硬盘奠定机械硬盘发展方向IBM推出第一块固态硬盘摩尔定律支配下，CPU处理速度越来越快，基于磁介质进行数据存储的磁盘和处理器CPU之间一直存在着棘手的剪刀差性能鸿沟。进入21世纪，信息爆炸导致数据量成倍增长，硬盘容量也在飙升，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。图4：外部存储器技术发展历史图3：处理器与存储器之间的鸿沟 当前主流外部存储技术对比：HDD vs SSD7 机械硬盘（HDD）主要由：磁头臂，磁头,主轴，磁盘，接口，磁盘控制器组成。工作时，磁盘上有磁性涂层。数据存储在这些盘片上，并通过安装在控制器上的磁头进行读取。磁头沿着磁盘片的半径方向进行运动，与盘片的高速转动进行配合，然后磁头就可以在盘片上的特定位置运行，最后达到信息读取的功能。固态硬盘（SolidStateDrive，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（NANDFLASH），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5：机械硬盘结构示意图图6：固态硬盘结构示意图 当期主流外部存储参数对比：HDD vs SSD8资料来源：华西证券研究所整理SSDHDD比较介质闪存磁盘SSD无机械活动部件连续读写能力高低连续读/写速度，SSD高出HDD数倍随机读写能力高低随机读/写速度，SSD更显优势，高出HDD数十倍至数百倍数据访问时间0.1ms>5msSSD基本无访问时间，启动速度远高于HDD耗能2-5w6-15wSSD无机械装置，相同性能下功耗小噪音无大SSD没有机械马达和风扇，无碰撞、冲击、震动，工作时噪音值为0 分贝。擦写次数有限无限SSD存储介质闪存擦写次数有限，机械硬盘理论上无限空间利用体积更小，空间利用率高体积较大，空间利用率低SSD通过闪存的不断堆叠提高存储密度。提高空间利用率价格较高较低目前SSD相对HDD的价格仍偏高，但单位存储容量的价格持续保持降低态势。物理可靠性强弱SSD依靠闪存读写，无机械装置，防震抗摔能力更好，温度忍耐范围更大。延迟低延迟高延迟SSD比HDD的访问延迟更短使用寿命20年以上3-5年合理使用条件下，SSD寿命高于HDD温升低发热量低、散热块发热量高、散热慢SSD主要是CPU及闪存发热，而没有机械摩擦生热。数据恢复能力较差较好HDD的数据恢复能力较强，SSD则较为困难，但随着固件发展逐步提升表1：SSD与HDD参数对比 固态硬盘（SSD）：BOM构成SSD的主要硬件组件包括NANDFlash、主控芯片和DRAM，核心软件为企业级SSD的固件。固件起软件功能；主控芯片(SSDController)通过固件技术实现组件之间的共同运作及数据运维等功能；闪存芯片（Flash）则用于存取数据内容。9 图7：SSD三大核心技术关系简要示意图主控芯片固态硬盘的CPU类似于固件技术操作系统类似于数据闪存序号名称主要功能简介1闪存颗粒（NAND Flash ）数据存储的核心介质，是数据存储的载体。2主控芯片主要负责固态硬盘与服务器主机通信、控制闪存的数据传输并运行固件算法3DRAM 主要作为缓存用以降低固态硬盘的读写延迟，提升固态硬盘的读写性能。4固件ŸSSD 类比为计算机，固件则是包含核心操作系统和应用软件的集合体。固件通过驱动主控芯片调度各个硬件模块，实现闪存和主控芯片之间的兼容，完成数据从主机端到闪存端的写入和读取，实现标准计算机可以使用的块存储设备功能。图8：SSD存储器主要硬件BOM表2：SSD组成部分主要功能 固态硬盘（SSD）：闪存颗粒(1)10 目前主流的固态硬盘存储介质仍为闪存（NandFlash），是一种传统的非易失性存储介质，其浮栅（FloatingGate）晶体管的设计让电荷能存储在浮栅里，因此掉电之后，数据不会丢失。闪存单元根据浮栅内存储的电子数量所表现的电压值表现不同的数据值，从而起到存储数据的作用。对闪存单元的操作可简化为写入、读取和擦除。写入、读取的操作最小结构为页（Page），擦除的操作最小结构为块（Block）。存储介质的发展趋势将持续向更高的读写速度，更大存储容量，低功耗，更高存储密度等演进。图10：存储技术分类非易失型（Nonvolatile)一次编程ROM（只读存储器）PROM（可编程存储器）可擦除EPROMEEPROMFlash（闪存）NANDFlashNORFlash可随机存取/新型存储PCM（相变存储器）RRAM（阻变存储器）MRAM（磁性存储器）FRAM（铁电存储器）图9：Nand Flash原理 固态硬盘（SSD）：闪存颗粒(2)NANDFlash从bit形态来看，可以分为单级闪存单元（SLC）、二级闪存单元（MLC）、三级闪存单元（TLC）、四级闪存单元（QLC），对应性能寿命及可靠性依次下降，但存储密度和单位成本也依次下降。SLC：即1bit/Cell，仅有0、1两种电压变化，结构简单，电压控制也快速，这种结构带来更快的写入速度，其P/E寿命可达10万次，但电压变化少意味着存储容量低，因此单位成本也最高；MLC：即2bit/Cell，电压变化有四种——00,01,10,11，写入性能、可靠性能相较SLC降低，其P/E寿命根据不同制程在3000-10000次不等；TLC，即3bit/Cell，电压从000到111有8种变化，容量比MLC再次增加1/3，成本更低，结构复杂，读写速度进一步下降，P/E寿命降低至5000以下。QLC：即4bit/Cell，电压有16种变化，容量再提高33%，写入速度上，P/E写入时间更长，速度更慢。PLC：即5bit/Cell，相对的电平数量从16个增加到32个，额外25%的容量加成，目前结构最复杂，因此错误率自然更高，需要性能更强的ECC，需要更强大的磨损平衡算法，需要强大的主控芯片CPU，技术上即使达到，近几年内要大规模占据主流市场也并不现实。11 图11：bit形态分布图 固态硬盘（SSD）：主控芯片(1)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。12资料来源：华西证券研究所整理SSDDRAM闪存颗粒闪存颗粒闪存颗粒SSD控制器CPU主机接口控制器缓存控制器闪存控制器BufferECC纠错图12：SSD控制器原理框图 固态硬盘（SSD）：主控芯片(2)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。13资料来源：CSDN, ARM developer，华西证券研究所图14：Syno