3D NAND、SSD之后，存储技术的下一个风口为何？数据中心需求给出答案
存储产业的演进与发展从 NAND Flash 芯片到 SSD 产品后，下一个技术风口是什么？要获得方向与答案，或许看看国际 NAND Flash 大厂往哪边走，即可以窥知一二。
为了满足下一波数据中心和企业级存储的需求，解决迟延、性能两大问题，三星、东芝、英特尔、美光、SK 海力士、西部数据都纷纷寻找新的解决方案，该议题在中国闪存市场峰会 CFMS2019 有不少讨论。
三星、东芝、英特尔提出一种介于 NAND Flash 和 DRAM 之间的存储级内存 SCM（Storage Class Memory）技术。
图：（来源：CFMS）
存储级内存SCM诞生
Storage Class Memory 翻译为“存储级内存”，就字面上很容易了解是：存储速度接近内存，而存储容量接近 SSD 的一种技术。
会有这样的技术诞生，是因为 DRAM 与 NAND Flash 两种存储之间有一段性能的落差，需要一种新技术来弥补，让整个系统效能更可以尽情发挥。
目前计算机的处理架构是最上层为 CPU，再来是 SRAM 缓存、DRAM 内存、NAND Flash 闪存（SSD），然后再到硬盘。
这当中的问题出在资料从 DRAM 层到 SSD 层，存储的延迟大幅增加，导致资料移到在这个环境产生瓶颈，让效率下滑，存储大厂开始寻找解决之道。
尤其是针对数据中心的低延迟要求，显然只有 SSD 是不足以满足数据中心，存储大厂于是提出存储级内存 SCM（Storage Class Memory）。
再者，以往存储级内存 SCM 多作为缓存 cache 之用，现在也可用在持久存储层中。
像是英特尔的 3D XPoint 技术即是一个存储级内存 SCM 的例子。英特尔也基于 3D Xpoint 技术推出傲腾 Optane 产品线，分别攻入消费级和企业级市场。
图：（来源：CFMS）
另外，三星的 Z-NAND 技术也被视为和傲腾 Optane 分庭抗礼。还有东芝提出的 XL-Flash 存储芯片，标榜介于传统 DRAM 与 NAND Flash 存储技术之间，诉求是低延迟、容量更大、速度更高，但成本可以更下降。
整体来看，存储级内存 SCM 技术的对决已然展现在数据中心战场上，各大 NAND Flash 供应商都陆续摊牌。
以延迟速度来看，DRAM 的延迟最低，其次是 SCM，再来是 NAND Flash/SSD。更关键是，因为其“非易失性”的特质，不用担心万一断电会导致资料遗失。
早在 2008 年时，SCM 技术即由 IBM 提出，也称为持续性存储（Persistent Memory）。若直接与 DRAM 相比，SCM 的存取延迟、IOPS 都没有比 DRAM 强，所以也无法直接取代 DRAM 角色。
再者，SCM 与 SSD 相比，SSD 的延迟、IOPS 都胜出，且存取架构也比 NAND Flash 更简单，因为 NAND Flash 是在区块（Block）或页面（Page）层级执行存取，而 SCM 可直接定址位元（bit）或字元（word）层级。
整体来看，SCM 则无法取代 DRAM 或 SSD，角色是用来填补两者性能的落差。
图：（来源：CFMS）
ZNS分区存储概念出现
西部数据和 SK 海力士则是支持分区命名空间 Zoned Name Spaces (ZNS) 存储的概念。
西部数据基于数据中心需求提出分区存储技术概念，并且推出分区式存储 ZNS SSD 产品。
分区命名空间 Zoned Name Spaces (ZNS) 是 根据 SSD 的内部物理特性对齐“区域”，消除数据放置的效率低下问题，让上层软件最大限度地使用底层存储容量，让介质效用发挥。再者，与 SMR 一样，这种方法需要在写入数据之前进行串行化，且数据不能从一个区域中删除，而是删除整个区域。
SK海力士已表示将有新一代使用 ZNS软件技术的 SSD，透过 ZNS 技术将 SSD 存储空间划分为多个分区，目的是增强数据存储管理。SK海力士将于 2019 年底完成开发，并在 2020 年上半年将产品商品化。
这样做的目的，也是因应人工智能、大数据时代下，数据中心需要更高的效能，预计 ZNS SSD 可以将数据处理速度提高 30％，并且增加 SSD 寿命。
图：（来源：CFMS）
全球存储产业规模降温至1100亿美元
针对全球存储产业现况，CFMS 总经理邰炜指出，2019 年全球半导体存储市场规模约达 1100 亿美元，较 2018 年 1630 亿美元大幅下滑。
其中，2019 年 DRAM 约市场规模约 670 亿美金，而 NAND Flash 规模则约 430 亿美金。这两个数字在 2018 年分别为 990 亿美元和 640 亿美元，2019 年都出现明显下滑。
在存储密度上，2019 年 NAND Flash 存储密度将达到 3050 亿 GB 当量，较 2018 年 2260 亿 GB 增加 35%。
图：（来源：CFMS）
NAND Flash 领域上，全球六大阵营的分布为：三星市占率 35%、东芝 18.2%、WD/SanDisk 占 13.8%、美光 13.7%、SK 海力士 10.2%、英特尔 8.6%。
DRAM 领域上，全球三大阵营的分布为：三星市占率 46%、SK 海力士 29%、美光 21%。
在 2016 年～2017 年期间，受到 NAND Flash 供应商大举从 2D 技术向 3D 技术的过渡时期，良率提升阶段导致当时产能大幅减少，带动市场进入一段供不应求趋势，也让 NAND Flash 价格持续 2 年的涨势，2018 年开始反转向下。
图：全球 3D NAND 大厂技术蓝图（来源：CFMS）
图：全球 3D NAND 大厂 92/96 层技术比重（来源：CFMS）
图：3D NAND 技术发展（来源：CFMS）
图：全球 3D NAND 工厂进度（来源：CFMS）
综观 2019 年 NAND Flash 市场，主要供应商三星、东芝、西部数据、美光、英特尔、SK 海力士等已成功从 2D NAND 转向 3D NAND 技术，市面上主要销售的 NAND Flash 产品是以 64 层/72 层 3D NAND 为主。
下世代的 92/96 层 3D NAND 芯片也在 2019 年下半逐渐进入市场，容量主要是 256Gb 和 512Gb，采用各厂的品牌产品上。
另一个趋势是，QLC 芯片的出货，美光的 1Tb QLC 即将出货。西部数据高级副总裁兼中国区总经理 StevenCraig 指出，QLC 型 NAND Flash 芯片也会进入企业级、消费端，最后进入到移动应用，预计 2025 年超过 50% 的市场份额都将会是 QLC 芯片。
图：（来源：CFMS）
NAND Flash两大应用：手机和 SSD
受到经济环境因素影响，ChinaFlashMarket 报价指出，2019 上半年 NAND Flash 价格已下跌 32%，上游原厂陆续采取减少资本支出、降低 NAND bit 产出、延迟新工厂投产计划等策略降低跌价冲击。
在 NAND Flash 市场需求和应用方面，目前最主要的两大领域是手机和 SSD 两大类。嵌入式产品 eMMC/UFS 和 SSD 消耗约 87% 的 NAND Flash 产能。
其他 NAND Flash 新兴市场还包括 AI、5G、物联网的蓬勃发展延伸出更多的智能应用，尤其是 5G 时代来临将产生大量的数据，刺激存储需求增加，随着三星、华为、小米都发布 5G 手机，预计到 2020 年的 5G 商机将逐步成长。
图：（来源：CFMS）
ChinaFlashMarket 也预估，2019 年全球 SSD 的出货量将达 2.5 亿台，相较于 2018 年成长 22%。而在另一方面，2019 年 PCIe 4.0 的发展，也将加快 SSD 介面由 SATA 转向 PCIe 普及。
存储另一个巨量应用领域是数据中心。随着谷歌、亚马逊、微软因应 5G 市场需求，不断加速数据中心的建设，国内还有百度、腾讯、阿里三大互联网巨头，预计到 2021 年云数据量将近 20ZB，近 5 年数据量复合增长率 27%。
ChinaFlashMarket 预估 2019 年企业级 SSD 出货量将达 3110 万台，平均容量达到 2.3TB，估计会消耗 25% 的全球 NAND Flash 产能。
图：（来源：CFMS）
三星第六代128层V-NAND将问世
在 CFMS2019 中，三星存储计划部全球副总裁 SohnHangu 也分析，其 V-NAND 技术从 2013 年发布第一代 V-NAND 至今，3D NAND 技术已经进入第六代，而第六代 128 层 V-NAND 也将在 2019 年开始问世。
同时，三星也看好未来的物联网、无人机等应用都将与服务器相连接并产生更多的数据，这会进一步刺激存储需求的增长。再者，像抖音这类的社交媒体、视频从 4K 提升到 8K，以及人工智能、深度学习等趋势都会刺激需求增长。
SohnHangu 强调，还有中国对于智能城市的重视与建设，将驱动城市服务的兴起，加上大数据、5G 加持智慧城市的发展，存储也要提升技术才能因应高效能传输数据的需求，甚至要考虑改变服务器分布和存储构架设计。再者，因应数据中心对于低延迟的严格要求，三星也提供的 Z-SSD 解决方案。
