NAND主宰闪存控制器未来发展

记忆体控制器的未来发展与所控制的记忆体紧密相关，且受到摩尔定律(Moore’s Law)的限制。因此尽管市面上的储存级记忆体(SCMs)或许拜新架构之赐而获得青睐，记忆体控制器市场在很大程度上还是由NAND快闪记忆体技术主导。
“众所周知，快闪记忆体储存密度每两年就增加一倍，但很少有人注意到，其控制器晶片复杂程度也随着越来越高；”市场研究机构Objective Analysis 首席分析师Jim Handy表示，这让NAND从SLC演进至MLC、TLS，再到QLC，速度更快，使用体验更好，功能也更多，“我常开玩笑说，记忆体控制器如此迅速地变得这么厉害，很快我们大概就可以看到，一颗控制器晶片就算挂在没功能的快闪记忆体晶片上，还是能妥善提取资料。”
Handy指出，就算新兴记忆体或SCM能获得市场青睐，目前记忆体控制器晶片市场还是高度仰赖快闪记忆体装置的进展，甚至不是固态硬碟(SSD)；“以单位出货量的角度来看，目前量最大的是快闪记忆卡，像是microSD卡。”
相较于NAND，新兴记忆体通常对控制器晶片的要求较少，例如纠错码(ECC)和耗损平均(wear leveling)功能；3D Xpoint记忆体(如Optane)就已内建了耗损平均功能。“比起快闪记忆体，管理新兴记忆体相对容易很多；”Handy表示，新兴记忆体控制器较容易制造，快闪记忆卡装置内的控制器复杂程度也远低于SSD控制器，较低的复杂度意味着较低成本。
“一颗低阶SSD控制晶片成本约1美元，高阶SSD控制器晶片的单价则在75或100美元；”Handy指出，控制器晶片的发展轨迹与计算机很类似，很久以前一台计算机要价数百美元，而随着内部晶片越来越小、越来越便宜，一台基本的四功能计算机功能几乎没变，在差不多十年前就被当成免费赠品了。
Handy指出，如果没有增加新功能，或者客户对去年、甚至十年前的功能都很满意，记忆体控制器晶片的状况就会跟计算机一样；“若不是变得更复杂、添加大量功能，控制器晶片就会变得更便宜。”对生产自家用记忆体控制器晶片的业者来说，开发成本持续降低是个优势，但那些生产具备新功能──例如更复杂的ECC──控制器的厂商则是为了不让自家晶片成为廉价产品。
非挥发性记忆体控制器介面标准组织NVM Express的技术工作小组主席Peter Onufryk认为，控制器晶片在SSD产品价值中占据重要成份。众家NAND供应商的产品各有千秋，但是控制晶片能让NAND的可用性充分发挥。控制器晶片对SSD来说就像是汽车不可缺少的引擎，因为可以确保NAND正常执行既定的工作负载，无论对性能表现的期待是高或低。
而是否能满足那些因此区别了控制器晶片的期待，就是在控制器晶片市场上取得成功的关键。Onufryk指出，目前那些由第三方供应商生产的控制器晶片主要有三大类客户，一是有特殊目的之超大规模业者(hyperscaler，EETT编按：如Google、Facebook、Amazon…等云端服务供应商)，二是打造自有品牌产品线的SSD供应商，三是白牌SSD业者。
Onufryk表示，SSD增加的任何新功能最终都能以控制器晶片实现，无论是功耗或性能平衡、利用NVMe规格的新功能，或者什么专属功能；“因此每一家厂商都还在尝试开发自己的东西。”这衍生了对控制器晶片五花八门的性能/功能需求，也带来了挑战，取决于需要的是固定功能控制器或是可程式化控制器。
“可程式化特性得付出功耗的代价，但在另一方面，固定功能控制器无法随着新功能的添加而演进，而现在可能有比以往更多的人正在做不同的事情；”Onufryk指出，控制器晶片这门生意充满挑战，因为光是超大规模业者就有那么多家，NAND/SSD制造商的产品蓝图也在不断变化，他们会采用现成控制器晶片的地方可能会改变。
“这个市场是不稳定的，”也需要在韧体、储存媒介以及ECC等方面的大量专家，因此他认为，无论是对想要进入记忆体控制器晶片市场的新创公司，或者试图开发记忆体控制器晶片的老牌半导体业者来说，都很难想像他们将遭遇的挑战有多艰钜。
Marvell就是一家专注于功能开发的商用记忆体控制器晶片供应商，其记忆体控制器晶片客户包括Kioxia America、SK Hynix等；该公司最新的Bravera SC5系列控制器晶片号称能因应云端资料中心SSD不断增加的工作负载，支援符合美国联邦资讯处理标准(FIPS)的信任根、256位元AES加密以及多金钥撤销(multi-key revocation)等功能，也支援PCIe 5.0和NVMe 1.4b。
Marvell快闪记忆体事业部门行销副总裁Thad Omura表示，今日的记忆体控制器必须能因应装置外观的快速变化以及不同的NAND类型， 并满足严格的物理条件、散热和讯号完整性等要求。随着工作负载不断变化，Bravera SC5系列控制器可高度客制化，因应云端工作负载持续演变所需的多样化储存选项；这意味着在他们的客户中，像是Microsoft Azure、Facebook等超大规模云端服务供应商，就像是SSD制造商一样多。
“一切都是为了要满足他们在云端基础设施与超大规模方面的严苛需求；”Omura表示，快闪记忆体在储存与运算两个主要应用领域中以非常健康的步伐成长，Marvell的产品可支援这两种应用必备的所有通讯协议。超大规模业者的目标之一是降低磁碟的库存，因此他们基本上可以在不同的应用上使用相同的硬体；他表示，大多数为云端与资料中心推出的产品都是锁定储存或运算应用，“我们能让相同的硬体同时支援两种任务。”
另一个需求是提升ECC能力，因为新一代的NAND会随着制造商推动更高的密度而在某些方面可靠性较低；此外控制器晶片还必须因应对更佳功耗与散热特性的功能需求。而且Omura表示，现在超大规模业者之间正流行一些新兴的SSD外观规格，像是EDSFF E1.S，因此他们不再向Dell等业者采购伺服器成品，转向自己动手开发伺服器、甚至包括SSD。Marvell透过直接卖晶片给这些超大规模业者来提供支援，无论他们选的外观规格是哪一种，都可以协助简化所有零组件的相容性。
有一些NAND供应商可以自主开发控制器晶片，但有一些就没办法全部自己做、得寻找第三方合作伙伴；Omura表示，后者可能不具备开发完整解决方案的内部资源，就会需要像是Marvell这样的公司，来帮忙最佳化其产品蓝图。
Objective Analysis的Handy指出，开发控制器晶片还是有最低成本，而且当控制器变得越来越复杂，每一次都会花费更多。单一家公司无法负担自主开发旗下不同SSD产品所需控制器晶片的成本，所以会选择向销售控制器给两家客户的供应商采购一款控制器；“他们可以一起支付为那两家公司的SSD开发控制器的成本。”
Microchip是另一家为NAND制造商提供SSD控制器晶片的业者，那些NAND制造商可能也自己开发控制器晶片，但还是得透过采购市场上的控制器来完善其产品。Microchip资料中心业务部门总监Mark Orthodoxou表示，该公司也协助想要自己打造更多资料储存基础设施的超大规模业者，满足其客制化需求或降低成本。
“我们当然也有很多来自SSD供应商的业务，因为这些业者也转向自己打造SSD控制器，但那真的真的很难；”Orthodoxou表示，这导致有一些公司在过程中走了冤枉路。“在其他的案例中，他们则是没有能力支援服务整个市场必备的所有功能；”而Microchip专注于提供企业与NVMe规格SSD控制器，目前有PCIe 4.0产品以及支援未来新一代规格的产品蓝图，不过未包含新兴记忆体控制器。
Orthodoxou不认为会出现成功的SCM产品，指出像是英特尔(Intel)以Optane为基础的SSD就“摔得很惨；”他表示，在NVMe介面上使用SCM很没意义，“你将看到的是SCM将转向CXL介面应用并取得成功。”Microchip也关注硬碟机与SSD的进展，包括能有效提升磁碟表面密度与容量的SMR (shingled magnetic recording)技术，同时长期为投资SATA与SAS产品的客户建构生态系统。
Marvell的Omura则表示，该公司仍在继续关注SCM，但认为该市场要达到对一家控制器晶片业者来说够大的规模，还有很长一段路要走。美光(Micron)已经退出3D Xpoint记忆体市场，Intel是目前唯一积极推动SCM产品的公司，而SCM介面还需要更多的标准化；“这并不是说我们不会推出支援该类产品的控制器，我们还在密切关注中。”
在此同时，CXL产品也开始在市场上出现，Marvell是积极的参与者之一；对此Omura指出：“我们确实认为一开始CXL将锁定DRAM，然后最终将有能力整合SCM。”