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闪存成本崩跌SSD一统消费存储?HDD不死借新技术东风转战企业市场

2018年10月11日 - qy88千赢国际官网
闪存成本崩跌SSD一统消费存储?HDD不死借新技术东风转战企业市场

闪存供过于求已经是既定的事实,过去两三年存储产业推动闪存制造工艺的 3D 化有成,使得产能大幅扩充,影响所及,闪存的报价也快速下杀,当然,对闪存生产业者而言,恐怕将迎来一场难以避免的血战,但对于终端厂商而言,则是个利好消息。尤其是 SSD (固态硬盘) 业者,更可望趁这波闪存成本下滑,快速抢占 PC 与消费类市场主流存储地位。

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图|闪存报价近来因竞争激烈而崩跌,SSD 制造商渔翁得利。图源:中国闪存市场

过去 HDD(机械式硬盘) 占据主流存储技术已经有数十年之久,因为单位存储成本相对较低,且性能也较同时期的存储技术,比如说软盘或光盘为佳而广受欢迎,而过去随著网络时代兴起的各类型影片下载需求,也让 HDD 的销售不断攀升,然而随著 SSD(固态硬盘) 技术的进展,以及网络串流的兴起,其面临的应用难题也越来越大。

首先,在传输速度以及随机读取能力方面进展有限,而因为机械式 HDD 的先天物理特性限制,读写速度的改善难度非常高。

另外,虽然就传统观点而言,机械式 HDD 的存储容量高,单位存储成本也最低,这也是过去包含光学存储或者是半导体存储之所以难以挑战其市场地位的主要原因。但是在半导体存储,也就是固态 HDD 方面,由于制造工艺的改进,固态 HDD 的基本存储单元,也就是 NAND 闪存,其每单位存储容量的制造成本快速降低,使得每 GB 的存储成本快速下滑,几乎达到崩盘的程度,更让传统机械式 HDD 感受到压力山大。

当然,像 Seagate 等传统HDD 厂商,为了避免被市场淘汰,也积极强化 HDD 本身的存储容量与性能表现,Seagate 推出基于 HAMR 热辅助磁记录技术,WD 则计划导入 MAMR 微波辅助磁记录技术,要将单颗 HDD 的存储容量往上提升数个量级,希望持续维持 HDD 每 GB 存储成本的优势。但大趋势已成,未来 HDD 转往企业应用发展已经是不得不走的方向。

HDD 虽仍可维持单位存储成本优势,但被消费性市场淘汰已经是时间问题

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图|通过新世代磁存储技术的发展,未来 HDD 与 SSD 的每单位容量存储成本差距应该有机会维持在 10 倍的魔术数字。图源:WD

在新技术的推动之下,HDD 在特定商业存储应用上还是有相当大的发展空间,比如说服务器中的近线与线下存储需求,而各类型监控行业所需要的视频存储需求,或者是电影工作者对视频编辑后的存储需求,都是以容量取胜的 HDD 占优势。

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图|超薄笔记本电脑蔚为潮流,此类产品中 HDD 基本上已经没有生存空间。图源:HP

然而在消费类市场方面,由于过去最主流的 HDD 存储应用,也就是网络视频的下载存储已经不流行,视频串流服务取而代之,消费者在本地端存储视频的需求也大为减少,另一方面,像笔记本电脑越来越轻薄,传统 HDD 基本上已经没有办法进入这种轻薄化的电脑机构内部。

另一方面,对消费者而言,电脑的操作反应取决于存储系统的选择,SSD 因其持续与随机传输性能的巨大优势,在系统反应能力上要远优于 HDD,且未来随著总线带宽的增加,SSD 的传输性能还可能不断往上延伸,但 HDD 因为先天机械结构的特性,基本上与高速存储无缘,对消费者而言,系统反应速度也将是影响其选择存储媒体的关键,而用过 SSD 的消费者,基本上都不大可能回头去忍受 HDD 的龟速。

最后,闪存市场已经走入供过于求,SSD 容量的飙涨与价格的崩跌已经是正在发生的现况,虽然在企业市场 SSD 的容量还是偏小,除了线上以外还无法拓展到近线与线下存储,但在不需要海量存储的消费市场,也将对 HDD 的生存空间也将进一步排挤,未来 HDD 恐怕会消失在消费市场。

3D 制造工艺推动闪存成本崩跌,加速 SSD 普及化

目前 SSD 所使用的闪存几乎都已经走向 3D 工艺,诚然,3D 工艺相较起传统平面工艺在制造成本方面其实要昂贵许多,且其良品率也要比一般 2D 工艺要差,然而 3D 工艺有个好处,那就是其可容许多层叠加的方式可以在同样的芯片布局上大幅增加容量。

目前存储相关的半导体零件,不论是闪存,或者是运存,其计价方式基本都是以容量单位为计价方式,换言之,如果在同样的工艺基础下达到更高的单位容量,那么就能创造更高的获利。

而 3D 工艺每叠加一层,同样面积的容量就能增加一倍,以主流的 64 层来看,同样的芯片面积就能达到原本 2D 工艺的 64 倍存储容量,如果不用 3D 工艺,而是使用传统 2D 工艺,并通过工艺微缩的方式来增加单位面积容量,要达到 64 倍,恐怕就必须要使用 1nm 以下的工艺,基本上不大可能在可见的未来用合理的成本达到。

传统的 2D 工艺是由光刻主导的工艺,20nm以下的节点通常需要多个多重曝光和显影步骤,当然,随著光刻设备的进步,单次显影,甚至节点微缩也逐渐成为可能,换言之,从一个节点移动到下一个节点的推动力主要来自于光刻工具的改进。当升级光刻工具时,通常可以用当前的工具以旧换新获得改进后的工具,从而降低转换成本。

但这种 2D 工艺的改良其实耗费成本极高,且不同世代的光刻技术在制造效率上也有所不同,要从 2D 工艺的进步来取得单位存储成本的改善虽有可能,但 2D 工艺的进展逐渐牛步化,10nm 以下的工艺发展需要的资金成本与技术积累已经不是一般半导体芯片制造商可以负担得起,就以台积电为例,其为 7nm 工艺发展所投入的资本就将近上百亿美元,5nm 甚至将投资超过 250 亿美元,虽然针对 DRAM/NAND 的工艺与逻辑芯片使用的工艺不大一样,技术要求稍低,但仍是可观的付出,且未来技术的革新与投入的成本只会因为半导体物理特性的限制而更慢更昂贵。

另一方面,2D 工艺的微细化其实对闪存的可靠性也会有负面影响,由于闪存的晶格结构必须要有足够的厚度来维持电气特性,如果太薄,可读写的过程中这些结构可能会被电子打穿,导致数据的永久性损失,这也是所谓的磨耗。

既然 2D 走不通,那么就只好转向3D 堆叠,而这也已经是目前 SSD 或者是各类存储卡所使用闪存的共通制造技术。

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图|以 16nm 平面 128GB 容量 TCL 与 32 层 3D 工艺制造的 384GB 容量 TLC 的成本结构比较,虽然每片晶圆贵了将近 2 倍,但每 GB 成本仅约一半。图源:Objective Analysis

上图显示在 32 层的 3D 工艺之下,约较传统 2D 平面工艺成本增加约 2 倍,而在64 层的情况之下,根据美光所做的计算,同样晶圆的成本约增加 5 倍,而这也是加计良率之后的试算结果,而在良率改善之后,单片晶圆可用的切割率也会增加,每单位容量成本还会进一步下降。

另外,3D 堆叠通常使用较落后的工艺,比如说 32nm 或 28nm 工艺,一来成本较低,二来闪存的晶格可以维持在较合理的厚度,对提升闪存的使用寿命有著显而易见的好处。

若以正常可用良率计算,32 层开始的闪存成本将逐渐与平面工艺的闪存拉开差距,而随着层数的增加,成本差距也会越来越大。当然,32 层以后的良率其实非常难以提升,当初三星等闪存厂商在 64 层工艺上为了提升良率,花了将近两年的时间,由于良率低,为了满足客户的订单需求,就必须通过大量生产来弥补良率的不足,造成硅晶圆的不正常消耗(闪存使用的硅晶圆占所有芯片制造应用的将近 4 成),这也是导致硅晶圆自 2016 下半年开始缺货涨价的主要原因之一。

从 2017 下半年开始,各主要闪存大厂在 64 层工艺上基本上已经达到非常高的良率,2018 年也都朝向 96 层甚至 128 层发展。

因为制造工艺与良率的改善,闪存成本在 2018 下半年已经有了明显的下滑趋势,甚至主要闪存制造商,包含三星、LG、Hynix 等,在库存满仓的情况之下,也酝酿要控制扩产的速度,然而 3D 工艺多层化的趋势不变,即便设备的扩增速度减缓,但单位存储容量的增长是停止不了的,也因此,未来数年价格下杀的趋势恐怕已经是扭转不了的趋势,不过这是产存产业的常态,业界也都习以为常了。

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图|不同工艺的成本差距,32 层的每GB 成本比平面工艺低了 30%,而 64 层又比 32 层再降低 30%。图源:美光

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图|随著 3D 闪存堆叠的层数增加,每单位存储成本与平面工艺的差距还会持续下降,未来闪存可能就不会再使用 2D 工艺。图源:美光

由于 3D 工艺的快速成熟,闪存成本崩盘式下跌,基于闪存的 SSD 容量在不断攀高的同时价格也屡创新低,虽然和 HDD 平均容量仍有一段距离,但是在一般消费类大容量数据存储需求有限的状况下,性价比逐渐追赶上 HDD。而 SSD 天生的高速表现,能为消费者极大程度改善使用体验。

而我们从主要几大 HDD 供应商的财报中也可以看出,HDD 在消费市场的销售也不断下滑,多数销售都转往企业或云端客户。反而针对消费市场的 SSD销售不断增加。

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图|每单位存储成本与性能对比趋势变化,也可看出 SSD 在性能居绝对优势,而成本亦不断逼近 HDD,加速了整个取代的过程。图源:WD Blog

HDD 厂商的抵抗,主推大容量技术并以企业应用优先

目前市场中的两家主力 HDD 供应商,也就是 Seagate 和 WD,在市场上仍旧拥抱著 HDD 技术,并期待能通过技术变革来维持其应用寿命。不过 Seagate 和 WD 在产品结构上还是有相当大的不同,目前 Seagate 有将近 9 成营收都还是来自于 HDD,反观WD,HDD 仅占不到一半的营收比重,二者未来都把 SSD 当作重要的战略发展目标,但 Seagate 的闪存需倚赖外部供应,而 WD 已经大规模量产 64 层 3D 闪存,96 层产品也已经箭在弦上。

而就 HDD 未来的市场目标,也几乎都转向企业应用为主,消费市场为辅,容量也就成为最大的武器。

而 Seagate 与 WD 针对未来 HDD 市场所推出新技术分别如下:

Seagate:

Heat-AssistedMagnetic Recording (HAMR)—热辅助磁记录:

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图|Seagate 的 HAMR 技术,未来容量扩展空间极大,但成本较高。图源:Seagate

一般 HDD 由于是采用磁力原理来纪录数据,但随着磁密度的增加便会使得数据稳定的难度愈来愈高,也因此让目前的 HDD 磁密度规格成长愈趋缓慢。为了让磁密度增加的同时也能够保持数据的稳定性,Seagate在多年前就已经提出 HAMR(Heat-AssistedMagnetic Recording)热辅助磁记录,它利用激光精确地聚焦数据将被写入的区域,加热介质,避免磁介质出现超顺磁效应 (Superparamagnetism)。而磁碟在被激光加热到居礼点 (Curiepoint) 后,磁片失去了磁性和超顺磁效应,在数据写入后,碟片会迅速冷却,写入的数据也会稳定下来。通过这样的精确加热,HAMR 可以显著提升硬碟的写入密度。

理论上采用这种技术所能达到的极限存储密度可达 10TB/平方英寸。而就 Seagate 官方说法,基于 HAMR 技术的 HDD 容量规格很有机会在 2019 年达到 70TB 以上。

然而 HAMR 原理说起来容易,但实现起来就没这么简单,HAMR 需要全新的存储介质、重新设计的激光读写磁头、特殊的 NFT 近场光学传感器以及其他大量的新型态的元件,因此技术推出这么多年,还没办法达到商业量产。不过 Seagate 似乎已经在技术上获得突破,近期已经宣布首款 HAMR 技术 HDD 可望在年底或明年初推出。

WD:Microwave-AssistedMagneticRecording (MAMR)—微波辅助磁纪录:

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图|WD 的 MAMR 技术好处是关键零件少,制造成本较低,但容量较小。图源:WD

日立存储的科学家发明出另一种辅助磁记录技术,也就是微波辅助磁纪录,从另一个技术角度来提高写入密度。后来 WD 在 2012 年收购了日立存储,也顺理成章的接收了此一技术。

微波辅助磁记录就是利用微波场作用磁矩,以此提高磁矩的反转速度并且同时降低反转场,磁矩在磁场的作用下进动时,会出现一个共振频率,微波辅助磁记录技术就是恰到好处地利用这个共振频率,在磁矩反转进动的过程中施加辅助微波磁场,促进磁矩快速反转。其核心部件就是自旋磁矩振荡器 (Spin Torque Oscillator),透过它可以产生合适的微波。而采用MAMR 技术后,碟盘理论密度最高可以做到 4TB/平方英寸。

由于 MAMR 关键部件只有自旋磁矩振荡器,复杂程度以及生产成本都远低于热辅助磁记录技术,不过其容量扩增能力就略逊于 Seagate 的 HAMR 技术。WD同样计划在 2019 年推出基于 MAMR 技术的 HDD,而最大容量可望突破 40TB。

新技术可望为 HDD 续命,但将转向企业市场

虽然 HDD 每单位存储成本在新技术导入后仍有机会维持相对低档优势,但存储容量其实有其边际效益,大过一定程度后其实对消费者而言已经不再有吸引力,反而这时存储的传输性能会成为关键,而 HDD 在这方面的技术差距和 SSD 恐怕只会越差越大。

不过 HDD 也不是一无是处,未来大容量 HDD 在服务器中就可扮演近线与线下存储的角色,由于这类应用不需要太快的速度,因此可望取代传统磁带机的功能,为业者带来更好更可靠的数据备援能力。

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