固态存储控制器芯片行业前景

固态存储控制器芯片行业前景

数据存储行业需求市场现状几十年来，传统的存储设备更新换代，身形由当年的巨大越变越小，容量却从当年的微小越变越大。同时，存储速度大幅也得到提升，不可同日而语。从最原始的打孔设备到磁带设备，再到软盘、光盘、硬盘、磁盘阵列和固态硬盘，存储成本已经大大降低，传输速度和效能大大提高，大数据信息时代已经来临。如今，机械硬盘（磁盘）、固态硬盘存储容量已达到TB的级别，主流的存储器芯片DRAM、SDRAM、FLASH等存储设备的寿命越来越长，体积越小、速度越快而功耗越小。就目前PC内存市场来说，更高密度、更大带宽、更低功耗、更短延迟时间、更低成本的主流DRAM仍是不二之选。而在通信领域、消费领域、计算机领域，FLASH已经崛起，成为目前最有潜力，发展最快的存储器芯片产品。存储器作为电子产品的数据存储支撑，在整个产业占有核心地位。20世纪50年代，存储器由于它体积庞大，还仅仅只能运用于大型计算机。而随着整个存储器行业面临的趋势呈现出交付的比特单位持续上升、存储器价格持续下跌以及新的应用不断要求更高的存储密度等特征，如今的存储器顺势发展，早已今非昔比，体积小、性能高、容量大，使存储器运用于各个领域，成为开启大数据时代的基石。存储器行业全球规模存储器作为现代信息技术发展的核心部件之一，应用极为广泛，现代电子产品基本上都要用到存储器，且需配置多种存储器，随着今年来全球电子信息技术及半导体产业的不断发展，全球存储器行业市场规模也随之不断扩张。据资料显示，2021年全球存储器行业市场规模为1353亿美元，同比增长13．3%。从行业市场结构来看，DRAM与DFlash是半导体存储芯片的主流市场。据资料显示，2021年全球存储芯片市场中，DRAM占比达56%，DFlash占比约41%，此外NORFlash占据约2%的市场份额。硬盘市场行业发展概况全球数据量的爆发性增长，导致数据存储需求持续增加，硬盘作为计算机系统的数据存储器，是计算机最主要的存储设备。根据Trendforce数据，2016年全球固态硬盘出货量为1．47亿个，至2021年全球固态硬盘出货量增长至3．73亿个，全球固态硬盘出货量保持高速增长，年均复合增长率高达20．41%。信息爆炸导致数据量成倍增长，硬盘容量虽已达太字节（TB）级别，但单块磁盘的存储容量与速度仍无法满足实际需求，因此磁盘阵列应运而生。磁盘阵列使用独立磁盘冗余阵列技术（RAID）把数据储存在多个硬盘中，输入输出操作以平衡的方式交叠进行，大幅提高了存储系统的数据吞吐量，改善了磁盘性能，增加了传输速率及容错能力。存储器行业发展趋势在中国互联网+、大力发展新一代信息技术和不断加强先进制造业发展的战略指引下，国内信息化、数字化、智能化进程加快，用户侧的视频、监控、数字电视、社交网络等应用和制造侧的工业智能化逐渐普及，刺激存储芯片的市场需求快速增长。此外，5G、物联网、数据中心等新一代信息技术在中国大规模开发及应用，也催生了我国对存储器的强劲需求。此外，随着我国逐渐成为全球最大的消费类电子市场，其庞大的消费群体及旺盛的消费需求，吸引全球集成电路产业向中国市场转移，提升并丰富了我国集成电路产业链。同时，产业政策的支持吸引一大批高端人才回国发展，人才聚集使得国内企业逐步积累了自主知识产权和核心技术，为存储器的提供了产业基础，推动自给率提升，为行业带来新的发展机遇。数据存储行业面临的机遇与挑战（一）数据存储行业面临的机遇十四五开局以来，多次对数字经济发展做出部署，数字经济上升至国家战略层面。在此推动下，数字经济在经济发展中的领跑地位持续彰显；数字产业化发展势头强劲，成为数字经济发展新动能；产业数字化应用加速落地，赋能传统产业焕发新活力；数字治理力度空前，数字生态日趋完善，数字经济步入高质量和健康发展的新阶段。十四五规划纲要将加快数字化发展建设数字中国单独成篇，并首次提出数字经济核心产业增加值占GDP比重这一新经济指标，明确我国数字经济核心产业增加值占GDP的比重由2020年的7．8%提升至10%。为深入贯彻部署，2021年12月，网络安全和信息化委员会印发《十四五国家信息化规划》，对十四五时期信息化发展作出部署安排。《十四五数字经济发展规划》明确了推动数字经济健康发展的指导思想、基本原则、发展目标、重点任务和保障措施等。各地方政府亦紧抓数字经济发展的机遇窗口期，完善顶层设计，制定和出台了十四五时期有关数字经济发展规划，明确目标、行动和措施等，营造良好的数字生态，进一步释放数字经济发展红利。随着规划的深入落地，政策将继续引导市场加快数字基础设施建设，在包括5G、工业互联网、大数据中心、人工智能等领域持续推动新基础设施投资计划，鼓励用户投资于数据中心和IT基础设施，作为IT建设的底层基础设施，存储产业将迎来重要发展机遇。随着AI，大数据，云计算，边缘计算等信息技术的发展及传统行业的数字化转型升级，以及AIoT带来的终端数量快速上升，全球数据总量呈现几何式增长。根据IDC报告显示，全球数据圈（以数据圈代表每年被创建、采集或是复制的数据集合）将从2020年的64ZB增至2025年的180ZB，年复合增长率为23%，到2025年，中国数据总量将达到41ZB，约占全球总量的四分之一，成为全球最大的数据圈。作为数据的载体，存储器对于企业实现数据价值的重要性不言而喻，高速增长的数据量给存储行业带来广阔的增量需求。据Gartner数据，2020年全球存储器收入相比2019年增加135亿美元，占2020年整个半导体市场收入增长的44%，存储器约占整个半导体行业产值的27%。近年来国际竞争形势不断升级，解决数字经济关键技术领域问题、推进我国自主可控，已成为国家信息安全建设的重点任务。存储产业是数字经济的底层基础设施，其自主可控是实现国家信息安全的重要基石。经过多年的发展，我国在固态存储关键核心部件DFlash、存储控制器芯片、DRAM、CPU等领域逐步实现了产业化，为实现国产自主可控夯实了产业基础。自主可控技术的逐渐成熟，带动国产化先行领域政军行业的数字化体系率先实现自主可控替代。除政军系统外，金融、能源、电信等重点行业也开始推进各自自主可控进程。未来数年，我国进入自主可控产业发展的黄金期，产业链相关国产厂商将迎来重大发展机遇。（二）数据存储行业面临的挑战固态存储行业属于典型的技术和人才密集型行业，在新材料、集成电路设计、先进工艺应用、先进封装设计等方面对人才的创新能力和工程技术能力要求很高，人才培养周期长。相对于固态存储产业发展成熟的欧美、日韩和中国台湾等，大陆起步较晚，经验丰富的高端人才稀缺。而从海外引进高端人才又面临来自境外政府和企业的限制。在市场需求增长、国家政策支持等利好因素下，我国固态存储产业进入发展快车道，而高端技术人才的欠缺，已成为制约行业持续健康稳定发展的重要因素。从全球范围来看，目前固态存储关键核心部件DFlash、存储控制器芯片、DRAM的主要市场份额及核心生产技术仍集中在三星、西数、铠侠、美光、SK海力士、英特尔等国际存储知名企业手中，这些知名企业经历了数十年国际化竞争的洗礼，在专利布局、技术储备、人才储备、资源储备方面均建立了较强的竞争优势。国内相关行业起步晚，缺乏国家级共性关键技术创新平台，产业生态体系建设有待加强，仍处于成长阶段，虽然长江存储等DFlash原厂已经实现128层堆叠DFlash的量产，但整体与国际存储知名企业在技术和市场份额方面仍存在显著差距，尤其是在企业级等高端市场国内企业仍然缺位。作为IT基础架构的核心之一，存储与计算层、网络层、应用层之间的关系密不可分，存储系统必须与服务器、操作系统、数据库、网络和云平台等协调配合，才能发挥出系统的整体性能。尽管国产自主软硬件产品不断取得突破，但国产厂商之间发展参差不齐，产品间兼容适配、互联互通以及产业链不同层面间的融合度和协同性仍有待加强。数据存储行业未来发展趋势计算机高速接口用于实现计算机高速部件之间的物理连接、确保信息交换的数据格式一致性，是固态存储产品的基础核心技术。作为存储颗粒与主机进行数据传输的媒介，接口决定了两者之间的理论传输速度，并影响存储产品的物理形态和通信协议。数据量的爆发式增长，需要更大量的并发处理，更快速的数据访问，更智能的数据管理方式，推动业内不断研发更高性能接口的存储控制器芯片及存储模组产品。在消费级应用领域，以USB、SATA、PCIe为代表的各接口，在进行不断的代际演进，以更好的适应不同场景的应用需求。截至目前，便携式存储产品已进入USB3．2Gen2（10Gbps）时代；消费类SSD也正在加速从SATA向PCIe演进。根据中国闪存市场ChinaFlashMarket数据，在PCOEM市场，PCIe接口SSD的搭载量已达到80%。在行业应用市场，一方面SATA/SAS接口的固态硬盘产品因其可靠性、稳定性、兼容性及大容量等方面的优势，仍然保持了稳定的市场份额；另一方面，各大厂商也加紧推出基于PCIe接口的产品。2019年以来，针对数据中心和企业级领域，三星、美光、英特尔等巨头陆续推出多款NVMePCIeSSD新品，企业级SSD现有的主流产品集中于PCIe3．0，PCIe4．0的产品目前处于市场导入阶段。2022年，部分主控厂商如微芯（Microchip）、慧荣科技（SMI）开始推出支持PCIe5．0协议的产品，但尚未达到成熟稳定应用的条件。未来，伴随着更高性能接口协议的持续发布及更新，存储模组将向大容量、低功耗、高速读写、长保存周期的发展方向持续演进，以满足不断高速增长的数据存储需求。存储模组的主要原材料DFlash在发展过程中逐渐由平面结构升级为三维架构，通过工艺技术的提升，可以逐渐增加存储单元的层数，实现在单位面积下更高的存储容量。同时，存储控制器存储密度也跟随技术的发展不断前进，最新的QLC颗粒每个存储单元可以存储4bit数据。堆叠层数和存储密度的提升，在增加DFlash单位存储容量的同时降低了每单位的存储成本，进一步刺激了用户对大容量SSD需求的增长。DFlash存储密度和堆叠层数的提升也对存储控制器芯片及存储模组的设计提出了更高的要求。DFlash受器件特点等因素影响，可靠性随着使用时间的增加而逐渐降低，而随着工艺技术升级而不断提升的存储密度更使得存储颗粒中的数据错误或数据丢失的概率显著增加，使用寿命快速下降。以QLC架构的存储颗粒为例，虽然其单元容量为SLC架构存储颗粒的4倍，但其使用寿命仅为SLC的1/100；对数据纠错要求从1~4bit增加到288bit，可靠性也同步减低。因此，存储介质的分析能力、存储控制芯片设计能力、固件算法的开发能力对于存储模组应用性能的影响越来越大。随着信息技术的快速演进，全球数据泄露等网络安全事件频繁发生，造成重大损失。2021年，工业制造、医疗、金融、交通等领域数据泄露事件频发，数据交易黑色地下产业链活动猖獗。据统计，2021年公开报告的数据泄露事件1，291起，超过2020年的1，108起。数据安全重要性的凸显，给数据存储行业带来了新的挑战。随着数据读写速度加快，芯片级全盘硬件加密技术的存储模组配合所搭载的数据保护软件，能防止数据被越权访问、篡改或盗窃，有望成为存储行业的刚性需求，全面覆盖数据存储的各应用场景。2018年以来，华为事件和中兴事件凸显了我国上游核心基础技术受制于人的现状，坚定了我国打造自主可控产业生态的决心。为解决产业链稳定性问题，在国家的大力支持下，本土厂商加大了对CPU、存储颗粒、控制器芯片、操作系统等领域底层技术的研发及相关投入，并陆续在以上领域取得了一定的研发成果。存储颗粒方面，长江存储自2018年推出Xtacking晶栈架构以来，就不断地取得技术突破，从最开始的32层堆叠的DFlash，向64层、128层技术跃进。长江存储最近成功研发超过200层堆叠的存储颗粒，将实现对美光、SK海力士等DFlash巨头的追赶。国产存储控制器厂商，也在不断补足我国在自主知识产权高速接口IP、核心控制算法等领域的短板，为实现全产业自主可控贡献力量。随着核心软硬件自主技术水平的显著提升，我国与发达国家技术水平差距已逐渐缩小，存储产业链自主可控的条件逐渐成熟。数据存储行业发展情况数字经济是信息化发展的高级阶段，是继农业经济、工业经济之后更高级的经济社会形态。数据因具有可复制、可共享、无限增长和供给的禀赋，打破了传统要素有限供给对增长的制约，为持续增长和永续发展提供了基础与可能，已成为新的关键生产要素。据中国信通院的数据，2020年我国数字经济规模达到39．2万亿元，占GDP规模的比重由2005年的14．2%攀升至38．6%，2021年占比进一步提升，首次突破40%。十四五期间，我国数字经济有望维持年均约9％增速，预计2025年规模超过60万亿元。与数据经济发展相匹配的是爆炸式增长的数据量。据Statista的预测数据，到2035年，全球每年产生的数据量预计将达到2，142ZB，约为2020年的45倍。根据IDC的数据，中国整体数据量在2025年将达到48．6ZB，占全球数据圈规模的27．8%。支持数字经济发展的三大基础技术包括计算、网络和存储，分别对应各类处理器（CPU、GPU等）、5G或下一代通信网络以及数据存储行业。计算技术方面，构成算力基础的核心芯片在近年来备受关注，我国已经推出龙芯、飞腾、申威等多颗国产CPU产品；网络方面，中国已在光纤、5G网络等方面走在世界的前列。而数据存储作为数字经济的基础支柱，将在制造业转型升级、产业链安全等方面扮演更加重要的角色。（一）存储行业的产业链概况存储行业的产业链包括上游存储控制器芯片、存储介质，中游的存储模组，下游存储系统及解决方案。根据Gartner的数据，2020年我国存储产业中上游存储控制芯片、存储介质的市场规模超过1，400亿元，中游及下游的存储模组、存储系统及应用服务的市场规模超过3，400亿元，到2025年我国存储产业直接投资总额将超过万亿元规模。在存储行业产业链中，华澜微可以提供上游存储控制器芯片及其固件、中游固态存储模组、下游存储系统集成及解决方案，目前正在攻关企业级存储系统所必须的大数据硬盘阵列控制器芯片。（二）固态存储逐步成为主流存储技术数据产生量的爆发式增长驱动对存储需求大幅增长，也促进了存储方式的进一步创新和发展。按照底层物理存储介质来分，数据存储主