“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

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 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。 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。 存储系统基本概念 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。 存储技术演进 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。 当前主流外部存储技术对比：HDD vs SSD 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。 当期主流外部存储参数对比：HDD vs SSD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(SSD Controller)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。 固态硬盘（SSD）：闪存颗粒(1) 目前主流的固态硬盘存储介质仍为闪存（Nand Flash），是一种传统的非易失性存储介质，其浮栅（Floating Gate）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。 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。 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。 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。 固态硬盘（SSD）：固件（1） 固件（Firmware）是出厂预设在存储器中，运行在闪存控制器内部的程序代码，担任着存储器中协议处理，数据管理和硬件驱动等核心工作，相当于SSD存储器的操作系统。 SSD固件包括传输协议处理、逻辑管理算法、数据加密和保护、闪存驱动、介质保护、异常处理和设备健康管理等功能，对存储器设备的功能、性能、可靠性、寿命等关键指标具有重要影响。 随着闪存技术的不断发展，存储密度不断提高，导致单元电荷数的减少及绝缘层变薄，从而使得闪存的原始误码率不断提高，可擦写次数越来越少。用这样一种高误码率、短寿命的芯片来构建长使用寿命、高性能和高可靠的固态硬盘，对固态硬盘厂商的固件水平及设计能力提出了越来越高的要求。固件开发能力是闪存存储产品企业的核心竞争力之一。 固态硬盘（SSD）：固件（2） Nand Flash随着堆叠层数和bit形态不断发展，闪存限制也更加突出，这意味着必须有更强力的固件技术以克服擦写过程中磨损、坏块等问题的缺陷： –地址映射。主机通过逻辑块（LBA，Logic Block Address）访问固态硬盘，因此需要将地址映射表把主机的LBA地址转换为Nand Flash的物理地址，才能有效访问。地址映射的三种映射方式包括：页映射、块映射和混合映射等。有DRAM模块的SSD一般会在保存映射表时，在闪存和缓存中同步保存，以提高读取速度。 –磨损均衡。闪存P/E擦写次数的限制决定了使用寿命的限制。如果不根据NAND Flash不同块的使用情况作出动态调整，部分块就会过早地因频繁擦写而达到上限。固件的磨损均衡功能则是针对这类问题所设置的，均衡不同块之间的磨损程度，以最大限度延长固态硬盘的使用寿命。 固态硬盘（SSD）：固件（3） 垃圾回收：闪存颗粒无法以覆盖的方式将数据直接写入，因此需先将颗粒中原有数据做抹除后，再写入新数据。垃圾回收功能针对此问题，会提前在非写入或读取的状态下，先行对闪存内部的零散空间进行整理与优化，保留额外的空白块作为缓冲区，供主机新数据的写入，提高影响SSD使用效率。 具体可以分为三个步骤： –寻找源块，基本原则是，寻找有效数据比较少的块，这样搬移的数据量较小； –数据搬移，也就是将源块中的有效页搬移到一个空闲块上； –擦除源块，加入空闲列表 固态硬盘（SSD）：固件（4） 掉电保护：当固态硬盘断电时，存放在RAM中的映射信息会丢失，再次上电时，需要将映射信息恢复到最新状态，确保和上次掉电前是一致的，这样才能接受新的读写命令。SSD的电压检测器用于持续监控来自主机的电压电平。在突然断电的情况下，电压检测器会在电压下降时立即触发 掉电保护。掉电保护确保存储在NAND中的数据保持不变，内置电容器继续供电，以便数据可以从DRAM冲洗到NAND中。如果电压进一步下降，则NAND闪存进入写入保护模式，不再写入数据。 坏块管理：首次使用NAND闪存设备时，会创建一个坏块表，控制器中的内置管理程序会检查每个块。当发现原生出厂坏块时，程序将其标记并记录在坏块表中，以防止数据再次写入。对于使用过程中出现的后续坏块，每当控制器发现坏块时，它就会将该块添加到坏块表中，并将最初写入其上的数据传输到一个有效块，防止数据丢失。控制器会对其无法写入的块执行ECC（纠错码）算法。如果无法纠错，则将有效数据删除到预先保留的块中。数据删除后，将坏块标记并记录在坏块表中，以防止数据再次写入该块。 数据流量高速增长，CPU性能推动存储技术迭代更新 CPU主频的不断提升，从单核到双核，再到多核；CPU的处理速度越来越快，而存储硬盘的读写速度已经远远跟不上CPU的读写速度。 服务器CPU创新从5-7个季度转换到4-5个季度，技术迭代在加速。 流量增长速度远远超过服务器增长速度，也表明服务器的存储密度提升也在加速。 服务器CPU创新从5