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nand flash介质浅谈3D-NAND，QLC和SCM介质技术和新产品

发布时间 : 2024-11-23

作者 : 小编

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浅谈3D-NAND、QLC和SCM介质技术和新产品

Hardy 架构师技术联盟

NAND Flash技术的发展完全沿着技术演进、商业价值和需求匹配的车辙在不断行驶。诸如SRAM，DRAM，EEPROM等 产品和技术。在每个存储器单元存储一位的二进制数据的NAND Flash 技术被称为单级单元(SLC)。但是由于SLC在容量和价格等原因，促使MLC、eMLC及TLC这三种闪存颗粒 迅速发展起来，关于Flash颗粒介绍请参考文章“闪存技术最全面解析”。

NAND Flash在应用普及和全面替换HDD遇到最直接的一个问题还是价格，从SLC、MLC到TLC一直才寻求价格的平衡点，尽管TLC能够解决SSD容量瓶颈，却还是不能完全解决SSD价格的难题。大容量SSD仍旧昂贵，小容量SSD+大容量便宜HDD的混合存储解决方案也层出不穷，但在体验上终究没有单纯大容量SSD来得好。目前来看，TLC还是相对来说在性能和价格方面平衡不错的方案，再说随着容量的增加、技术的改善，TLC闪存的擦写次数逐渐等到优化，也并没有想象中那么容易失效。

结合实际应用发现，SSD在处理数据写入时，每次都写到新的物理地址，从而使得所有的闪存物理空间被均匀使用。假设一块600GB的SSD，其闪存介质写次数为1万次，那么该SSD可以写入的数据总量达到6PB(600GB*10000)；在实际企业级环境中的硬盘，整个生命周期的写入数据总量远小于200TB，这意味着这块600GB的SSD使用10年以上。

技术永远无法脱离实际应用，TLC颗粒在3D-NAND Flash的产品应用非常广泛，先后出现了32，64，72，96层的基于TLC的3D NAND Flash产品 ，起初这些TLC产品只要应用在消费级产品，但目前很多存储厂商已经把TLC颗粒引入企业级存储产品。下面我们看看主流3D-NAND Flash厂商(三星、东芝、WD和SK Hynix 四大厂商)的新产品和动态。

东芝(Toshiba)携手SanDisk 研发出全球首款采用堆栈 96 层制程技术的TLC 3D NAND Flash 产品，且已完成产品试作。该款堆栈 96 层的 3D NAND试制品单颗芯片容量为 256Gb(32GB)，预计于 2017 年下半年送样、2018 年开始进行量产，主要用来抢攻数据中心用 SSD和PC桌面SSD等市场。

三星在 3D NAND Flash一直处于领先地位，在去年就发布64 层 3D NAND 。但前不久SK Hynix 推出第四代 72 层的 3D NAND 进入量产，主要用于行动设备，并已交货给客户。韩国对3D NAND Flash技术和市场的控制力是不容忽视的。

Intel发布了新一代SATA SSD 545s产品 ，采用64层堆叠闪存的SSD取代去年的SSD 540s，当时Intel自己的3D堆叠闪存技术还不成熟，所以采用了SK海力士的16nm TLC和慧荣主控SM2258。SSD 545s采用的是Intel第二代3D TLC闪存颗粒(Intel的第一代3D闪存是32层堆叠)，64层堆叠设计，具有浮动栅极存储单元，单颗容量256Gb(32GB)。SSD 545s的主控采用了升级版慧荣主控SM2259，加入了对端到端数据保护和ECC的支持(主控SRAM和外部DRAM均有)，同时搭配Intel定制固件 。支持每天0.3次全盘写入，终生写入量288TB。

为了延长SSD磨损寿命，多数厂商提供容量超配 。例如一块100GB容量的SSD，其内部的闪存颗粒的物理容量是大于100GB，企业级SSD一般可以达到128G或者更多，超出的那部分就被称为冗余。或者采用较好的部件，如更好的颗粒、更好的控制芯片 ，提供强力的LDPC纠错算法等 ，但是SSD寿命并非单纯取决于闪存的类型，而是多个因素综合作用的结果。

闪存介质中，保存数据的基本单元被称为Cell。每个Cell通过注入、释放电子来记录不同的数据。电子在Cell中进出，会对Cell产生磨损；随着磨损程度的增加 ，Cell中的电子出现逃逸的概率会不断增加，进而导致Cell所保存的数据出现跳变。例如某个Cell最开始保存的二进制数据是10，一段时间后再读取该Cell，二进制数据可能就变成了11。因为闪存中保存的数据有一定的概率出现跳变，因此需要配合ECC算法(Error Correcting Code)来使用，SSD内部需要有ECC引擎进行数据检错和纠错 。

写入SSD颗粒数据时，ECC引擎基于原始数据计算出冗余数据，并将原始数据和冗余数据同时保存 。从SSD读取数据时，原始数据和冗余数据一并被读出，并通过ECC引擎检查错误并纠正错误，最终得到正确的原始数据。

闪存所保存的数据出现跳变的数量，随着擦写次数的增加而增加 。当擦写次数达到一定的阈值后，闪存中保存的数据出现跳变的数量会增大到ECC引擎无法纠正的程度，进而导致数据无法被读出。这个阈值就是闪存的最大擦写次数 。

在SSD领域，当前标准的ECC算法是BCH算法(以三位作者的名字首字母命名)，可以满足绝大多数SSD的纠错需求。大多数产品中，闪存介质所宣称的最大擦写次数，就是基于BCH算法来给出 的，但是BCH算法的纠错数据位比较有限，所以目前纠错能力更强的算法也被应用，如LDPC(Low Density Parity Check Code) 是一个纠错能力很强的算法，可以纠正更多的数据跳变。

SLC、MLC及TLC这三种闪存芯片，大家都很清楚，但接下来QLC闪存芯片要开启它的逆袭之路，而东芝和西数已经率先做出表率 ，目前主要针对智能型手机(如iPhone等)、平板计算机和记忆卡市场。

东芝今后也计划推出采用堆栈 96 层制程技术的 512Gb(64GB)3D NAND 产品以及采用全球首见的QLC(Quad-Level Cell)技术的 3D NAND 产品 。该款QLC试作品为采用堆栈 64 层制程技术，实现业界最大容量的 768Gb(96GB)产品，已经提供给 SSD 厂、控制器厂进行研发使用。

西数全球首发了96层堆栈的3D NAND闪存，其使用的是新一代BiCS 4技术(预计下半年出样，2018年开始量产)，除了TLC类型外，其还会支持QLC ，这个意义是重大的。西数已经用实际行动表明会支持QLC，而接下来三星、Intel、SK Hynix等厂商也势必会跟进(目前还没有正式公布QLC的进展)，为何厂商会跟进可靠性、寿命比TLC还差的QLC 。

目前来看，QLC闪存单位存储密度是TLC的2倍，单颗芯片可达到256GB甚至512GB。但是QLC闪存的电压更难控制，写入速度更低，可靠、稳定性及寿命比TLC更差。个人觉得主要的原因是成本和闪存对寿命SSD的不断优化，随着SSD控制对QLC技术优化，也有理由相信QLC跟TLC走同样的路，也有可能被用在企业产品 。

从长远来看，能不能将SSD的价格拉下来，我个人对QLC是寄予厚望的，但具体时间目前却无法预知，从TLC到QLC的技术过度 需要时间，需要双倍的精度才能确保足够高的稳定性、寿命和性能。如果参考TLC的历程，价格优势更难在短期内体现出来，QLC大批量上市并且明显带动降价节奏的时间也是我所期待的。

对于存储介质的未来除了NAND Flash外，还要有很多技术值得期待。 SCM( Storage -Class-Memory)产品已经出现在大众视野 ，如美光、英特尔自2016年开始量产的3D-Xpoint ，威腾、东芝合作开发的3D-ReRAM 。SCM的读写速度是3D-NAND的千倍，但在产品测试结果显示只有几十倍，这也说明SCM在读写性能上还有较大的提升空间值得期待。然而3D-NAND+类DRAM混合型的4D-NAND集前端高速度DRAM和后端低价大容量的3D-NAND于一身，也将会在容量和性能中找到一个很好的折中点。

迎接AI存储硬件升级的“泼天富贵”，协创数据2023净利润增长11946%

21世纪经济报道记者石恩泽深圳报道

“公司以AI需求为导向”协创数据在其2023年报中如此写道。而这个需求导向让协创数据2023年接住了AI时代正在开启的“泼天富贵”。

根据协创数据近日发布的2023年报，该公司不仅营收、净利润“双丰收”，净利润更是增长超一倍。2023年，公司实现营业收入46.58亿元，同比增长47.95%；实现归属于上市公司股东的净利润2.87亿元，同比增长119.46%。

具体从产品来看，协创数据公司的产品主要可分为两类：一类是跟AI数据存储挂钩的智能终端设备，例如智能手机和电脑，以及与AI算力基建有关的服务器；另一类则是可与“AI+”场景相挂钩的物联网智能终端及其背后的云视频生态。

而深耕数据存储载体的思路，已经为协创数据接住了AI时代的第一波富贵。2023年，公司在数据存储设备上的营收同比大增69.75%，达28.76亿元，已占公司整体营收的一半以上。协创数据在财报中也提到，在数据存储设备上的布局为公司带来了新的增长点。

值得一提的是，自2023年11月，协创数据拓展“服务器再制造”方面的布局后，便陆续有多家券商对公司进行了首次研报覆盖，并给出了买入评级。

“数据存储设备+服务器再制造”迎接AI数据浪潮

“数据、算法、算力”是拉动人工智能发展的三驾马车，而协创数据瞄准“数据”做出了重点布局。

随着AI的发展，全球各行业将会有越来越多的信息以数据形式处理、存储。IDC调查数据显示，全球数据的整体规模预计将从2022年的103.66ZB增长至2027年的284.3ZB，CAGR将达到22.36%。而中国数据规模也将从2022年的23.88ZB上升至2027年的76.6ZB，CAGR将达26.25%。而这类存储需求将广泛应用在手机、平板、PC、数据中心等消费电子和服务器上。

但数据的存储还需要硬件介质。协创数据生产的数据设备主要以机械硬盘盘芯、NAND Flash等为数据存储介质，基于USB/Type-C和网络传输技术，主要产品包括机械硬盘（HDD）、固态硬盘（SSD）、企业级SSD等。

尤其在SSD产品上，协创数据具备完整的产品线，公司推出的企业级SSD具备高速运算的性能、更好的可靠性、更大的单盘容量以及更高的使用寿命，可响应AI时代对高性能存储服务器提出的新需求。

协创数据在年报中分析指出，“企业级SSD方面，受来自中国云服务厂商、服务器品牌业者的订单支撑影响，2024年第一季度企业级SSD市场需求呈现淡季不淡，预估带动企业级SSD合约价季涨幅约18%~23%”。

叠加，全球半导体行业在经历了2年终端疲软的下行周期后，目前终端市场库存已逐渐降至健康水位，主要终端需求出现回暖迹象。随着手机端AI应用的逐步增加，智能手机的单机容量将迎来高增长。

不仅是手机，业界认为，2024年将成为AI PC爆发元年，AI电脑换机潮将提前到来。这在2024年CES展上已经有迹可循。联想、英特尔、英伟达等品牌纷纷推出AI PC及相关处理器。其中，微软宣布将基于GPT的AI聊天机器人助手Copilot键引入Windows11电脑。

根据Sigmaintell预测，2024年为AI PC出货量约为1300万台，笔记本市场渗透率约为7%；而在2027年，AI PC出货量将增长至1.5亿台，CAGR高达2260%，市场渗透率也将达到79%。协创数据也在年报中提到，后续随着AI PC量产后，2025年存储设备的成长幅度会更明显。

对于AI PC上的布局，协创数据有望受益于大客户联想集团在PC产品上的AI转型，迎来需求量和价值量的双重增长。早在2006年，协创数据便与联想集团建立合作，成为联想PC SSD供应商。太平洋证券在研报中分析指出，联想近五年对协创数据营业收入的贡献占比总体呈上升趋势，其中在2021年高达51.67%。按照公司2022年数据存储设备16.94亿元的营收计算，联想对该业务的营收贡献占比达到八成以上。

此外，AI对算力的需求，将加速云服务厂商更新其数据中心的服务器，进行算力设备升级。而这将给服务器产业带来“再制造”的新商机。服务器再制造是指废旧服务器经过专业化再制造，按其原用途继续使用，可以延长产品的生命周期，有利于节约资源和保护环境，并具有可观的经济效益。

在服务器再制造方面，协创数据企图将其打造成为公司第二成长曲线。根据公司2023年11月公告，公司拟增加协创数据深圳盐田分公司作为募集资金投资项目“协创数据智慧工厂建设项目”，向公司控股子公司Semsotai North Inc.等购买设备及材料用于服务器的研发、生产和销售，并提供服务器等相关技术、维修服务等。多家券商一致在研报中看好该项业务拓展，并分析认为，未来服务器产业链配合现有存储业务，有望成为公司业绩的新增长点。

自建云视频平台，打开硬件产品额外增值空间

对比一路高歌猛进的数据业务，物联网智能终端为公司2018年之前的基本盘。

根据协创数据近5年财报，数据存储设备营收占比是从2018年之后开始呈现逐年上升趋势，并在今年超过了整体营收的一半，达61.75%。而物联网智能终端业务与其走势相反，其在2018年之时占公司整体营收的66.67%，但在2023年已降至30.15%。

具体来看，协创数据的物联网智能终端产品包括智能摄像机、智能门铃、太阳能电池摄像机、宠物摄像机、小孩看护摄像机、智能音箱、智能手表、智能手环、扫地机、拖地机、智能云物联一体机、多参数健康检测仪，智能医疗穿戴产品、AI健康管家一体机、云游戏手柄、投影仪及车联网智能终端等。可以看出，在品类上，公司的布局泛而不精，且这些终端设备在出海品类中已非常同质化。

从其毛利率也可看出，在2018至2022年期间，物联网智能终端业务呈逐年下滑趋势。在2022年更是滑落至12.99%。但在2023年，公司大力发展智能制造，从而实现降本增效，将产品毛利率提升回19.26%。

但无论是在智能监控设备，还是智能穿戴终端，又或是智慧清洁产品，在硬件上“卖货”的想象空间始终有限。为此，协创数据通过增资参股西安思华，开始走上自建物联网云系统及云平台之路，推进“云边端”一体化产品布局，为智能终端产品在云端，打开新的增值空间。

值得一提的是，在协创数据面向海外的智能摄像类产品上，其在线上亚马逊平台和线下沃尔玛等商超中，皆取得了不错的成绩。因此，在云服务方面，协创数据首先布局的就是V-SaaS（视频监控即服务的一种云服务）。比方说，用户购买的视频监控设备联网接入公司的V-SaaS平台后，可以实时查看监控视频。

而后续基于V-SaaS还可以开展增值服务。协创数据在年报中举例，如流媒体服务（视频分发、直播等），云存储服务（报警录像、定时录像存储等），消息服务（报警推送、电话语音报警等），AI功能（人形侦测、人脸侦测/识别、声音侦测、人数统计、车牌/车辆识别、行为分析等），数据分析（客流量统计、数据挖掘、数据可视化、报表统计等），应用服务（与第三方设备对接联动、分享、智能家居联动、信息发布等）。根据Saasindustry网站数据，基于云的V-SaaS市场预计将从2020年的455亿美元飙升至2025年的746亿美元，复合年增长率(CAGR)10.4%。

值得注意的是，该云平台（“协创云”）结合AI算法，还可为传统监控视频注入新活力。协创数据在财报中还提到，“云+边+端”结合的视觉理解能力和ChatGPT联动等方面，有望为公司相关视觉产品带来新的竞争力。

目前，“协创云”在中国、美西、欧洲、亚太四大服务区域的十大节点进行全球布局，各区域设立独立的数据中心，可根据用户所处地理位置，智能选择最优路径；采用分布式架构部署，实现轻量级数据同步+本地服务。

在2023年报告期内，公司基于视频云服务的视频智能终端继续保持增长。在今年线下投资者调研过程中，协创数据方面表示，公司视频云平台目前已产生少量收入。其中智能摄像机云业务的在线用户数量已达到百万级别。

需要特别注意的是，随着海外客户的持续拓展，虽然公司数据存储设备和云平台将带来新的增长点，但如此全球化的布局，也将使公司在数据安全及用户信息保护方面承担因立法或监管政策变化所引发的数据合规法律风险。

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