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企业级固态硬盘SSD产业研究：三大替代构筑行业高增长1 SSD固态硬盘关键技术原理存储系统基本概念根据经典的冯诺依曼（Von Neumann）计算技术架构，每台计算机都将具有中央处理器（CPU）、内存（DRAM）、I/O(输入/输出)，外部存 储等。 由于硬盘读写速度无法匹配CPU处理速度，读写速度相对较快的内存（DRAM）应运而生，内存用于暂时存放CPU运算数据以及与硬盘等外部存 储器交换的数据。 外部存储器也是计算机系统的重要组成，在理想情况下存储器的速度应当非常快，能跟上处理器的速度，容量大而且价格也非常便宜，但目前无 法同时满足这三个条件。存储技术演进摩尔定律支配下，CPU处理速度越来越快，基于磁介质进行数据存储的磁盘和处理器 CPU 之间一直存在着棘手的剪刀差性能鸿沟。 进入21世纪，信息爆炸导致数据量成倍增长，硬盘容量也在飙升，单盘容量已可达到TB级别，半导体存储登上了历史的舞台。和传统磁 盘存储介质相比，半导体存储介质具有天然的优势，无论在可靠性、性能、功耗等方面都远远超越传统机械磁盘。当前主流外部存储技术对比：HDD vs SSD机械硬盘（HDD）主要由：磁头臂，磁头, 主轴，磁盘，接口，磁盘控制器组成。工作时，磁盘上有磁性涂层。数据存储在这些盘片上， 并通过安装在控制器上的磁头进行读取。磁头沿着磁盘片的半径方向进行运动，与盘片的高速转动进行配合，然后磁头就可以在盘片上 的特定位置运行，最后达到信息读取的功能。固态硬盘（Solid State Drive，SSD），固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列制成的硬盘。基于闪存的固态硬盘是固态硬盘的主要类别，构 造上看，固态硬盘即在PCB板上集成主控芯片，缓存芯片（DRAM，部分硬盘无DRAM）和用于存储数据的闪存颗粒（NAND FLASH）， 工作方法为：主控芯片通过固件算法对闪存颗粒进行数据读写。SSD已经成为消费级和企业级市场存储硬盘的主流选择。2 企业级SSD发展驱动要素数据流量高速增长，CPU性能推动存储技术迭代更新CPU主频的不断提升，从单核到双核，再到 多核；CPU的处理速度越来越快，而存储硬 盘的读写速度已经远远跟不上CPU的读写速 度。 服务器CPU创新从5-7个季度转换到4-5个季 度，技术迭代在加速。 流量增长速度远远超过服务器增长速度，也 表明服务器的存储密度提升也在加速。存储接口协议演进，技术迭代升级HDD和早期SSD绝大多数都是使用SATA接口，SATA接口是由Intel联合多 家公司研发的系统接口标准。由于整个计算机系统性能瓶颈在硬盘端，而 不是在协议和接口端，AHCI协议和SATA接口足够满足早前存储系统性能 需求。 随着SSD技术的飞速发展，SSD盘的性能飙升，底层闪存带宽越来越宽，介 质访问延时越来越低，系统性能瓶颈转移到接口和协议。 2009年，Intel、美光、戴尔、三星、Marvell等巨头制定了专门为SSD服务的 NVMe协议，NVMe协议理论读写速度远超SATA等协议。 随着服务器处理数据持续高速增长，未来存储接口的演进将会持续，带动 存储技术发展。存储介质演进，SSD性能提升（1）自数据产生以来，存储介质也历经了5代变化：磁带、软盘、光盘、HDD及SSD。在HDD向SSD演进之前，存储介质的改进均是为了容量 的提升。 而在HDD向SSD演进过程中，受NAND技术及闪存颗粒所限，读写速度、抗震性及无噪音成为目的，容量并非此次介质改进的关键。时 至今日，SSD在容量上相比HDD仍具有劣势。 NAND Flash是一种常见的非易失性存储介质，也就是我们常说的SSD盘。它的基本存储单元被称为Cell，由一种类NMOS的双层浮空栅 (Floating Gate) MOS管组成，浮动栅内存放电子，通过对浮空栅内充放电改变其电子多少，来表示二进制数据。存储介质演进， SSD性能提升（2）单位存储容量不断提升：SSD分为SLC、MLC、TLC等类型，SLC代表每个Cell存储1比特数据，MLC每个Cell存储2比特，TLC每个Cell存储3比特。 存储的数据越多，单盘容量越大、单TB的成本越低，但同时对数据读写的精度要求也越高，性能和寿命也越低。 目前主流SSD盘采用的是TLC技术，未来QLC、PLC技术将进一步普及，其每个Cell可以存储4比特、5比特数据，SSD盘的单TB成本将进一步得 到降低。 堆叠技术提升存储容量：除了每个Cell存储的数据量越来越多，NAND Flash SSD也采用了堆叠技术来提高容量密度，从24层到32层、48层再到 百层以上，层数越多，单位面积SSD盘可容纳的数据量就越多。 目前主流SSD厂商的堆叠层数可以达到96层或128层，176层、192层已获技术突破。3 存储网络化网络存储技术网络存储技术（Network Storage Technologies）大致分为三种：直连式存储（DAS：Direct Attached Storage）、网络存储设备（NAS：Network Attached Storage）和存储网络（SAN：Storage Area Network）。DAS：存储设备是通过电缆（通常是SCSI接口电缆）直接到服务器的。I/O（输入/输出）请求直接发送到存储设备。NAS ：基于LAN（局域网）的，按照TCP/IP协议进行通信，以文件的I/O（输入/输出）方式进行数据传输。是一种采用直接与网络介质相 连的特殊设备实现数据存储的机制。由于这些设备都分配有 IP 地址，所以客户机通过充当数据网关的服务器可以对其进行存取访问。SAN：存储设备相互连接且与一台服务器或一个服务器群相连的网络。它是一种通过光纤集线器、光纤路由器、光纤交换机等连接设备将 磁盘阵列、磁带等存储设备与相关服务器连接起来的高速专用子网。DAS存储一般应用在中小企业，和计算机采用直连方式，省事； NAS存储一般应用在中大型企业中，通过以太网添加到计算机上； SAN存储一般应用在超大企业中，提供性能更加的存储，性能最高，价格昂贵。存储网络协议提供了一组标准规则，定义了如何在设备之间传输数据。诸 如网络连接存储(NAS)和存储区域网络(SAN)之类的系统依靠存储协议来促 进数据通信。 网络存储协议主要通过网卡来交互，存储网络中网卡是非常关键设备，根 据不同的存储网络网卡也有不同类型。4 企业级SSD市场呈现高增长态势需求拉动：云计算市场爆发，加速企业级SSD普及从应用行业上看，企业端数据存储需求的大幅放量将带动企业级SSD存储量的快速增长。数据存取方式的转变可以大致分为三个阶段：第一阶段是20世纪末，PC为代表的个人消费电子出现，数据的大部分存储和使用都主要发生在个人娱乐和媒体端，主要依赖本地形式的 数据存储。第二阶段是21世纪初（2010年前），IT基础设施日益完善，数据开始向移动设备及网上存取转换。2010 年，近 50% 的存储数据用于娱乐 目的，以DVD 和蓝光光盘为代表的磁存储市场占比较大。第三阶段为2010年至今，主流视频消费模式转向流媒体服务，企业基础架构存储的数据份额随上升，而娱乐设备存储的数据开始下降。社 交媒体、大数据分析、高清视频和云计算等新型产业的快速发展带来高速访问的数据存储需求，尤其是云端存储的兴起增加了企业的数 据使用。下游行业的数据需求转换带来企业级SSD的快速增长。最大客户群体云基础设施支出将显著拉动SSD增量。艾瑞咨询指出，企业 级固态硬盘下游客户主要来自云计算， 占总市场规模的份额达到67%， 企业级SSD将充分受益云基础设施增量。 根据Gartner的数据，2020年全球IT支出总额为3.8万亿美元，且2021年全 球公共云支出预计将达到3323亿美元，比2020年的2700亿美元增长 23.1%。到2020年，云基础设施市场只占IT总支出的7%。这给云市场留下 了巨大的增长空间，未来的云市场将达到数万亿美元。另外，根据Canalys测算，中国云市场的平均增长率达到60%，超过世界其 他地区。在2021年第一季度，中国的云基础设施支出达到60亿美元，仅占 全球云市场的14%，国内品牌仍具备巨大的份额提升空间。实时性应用增量，企业级SSD优势明显数字经济浪潮下，企业数字化转型迈向纵深：国内数字化转型重磅文件落地，2021年12月国务院印发“十四五”数字经济发展规划，强 调产业数字化转型迈上新台阶的要求，自上而下明确数字化转型方向。 全球范围内数字经济占比持续提升，根据IDC数据显示，2020年内全球企业数字化转型相关支出达1.3万亿美元，预计到2024年支出将增长 至2.4万亿美元，同期非数字化转型的ICT投资将以-1.6%的CAGR收缩。新兴业务场景驱动下，企业对于数据实时性需求正在不断增加： 根据IDC预测，全球实时性数据占比将从2019年的19.3%增加到2024年的 24.4%，这一需求正在扩展到新的领域，如大数据分析、物联网等。实时性数据为企业提供动态业务分析的基础，以快速作出数据响应。技术变革带来的替代市场：企业级SSD替代HDD带来存量转移从替代层面看，SSD支出规模及增速高于企业级HDD趋势不可逆。 出货量端，根据Statista统计，SSD于2021年将超过HDD，数据中心端HDD需求在2025年前仍保持小幅增长但消费级HDD出货量将会持续下降， 逐步被SSD取代。 存储量端，HDD在存储量占比将在未来四年仍有所上升，而后随闪存成本持续下降，HDD的存储量也将持续下降，大规模被SSD及其他闪存取 代。 企业级SSD对HDD大规模替代是必然趋势。成本降低，企业级SSD有望快速渗透全球存储市场中，闪存成本不断下降， 带动全闪存储份额快速增加，市场占比超过20%。根据第三方机构Wikibon的预测， 2027年SSD单TB 成本将低于HDD， 达到15美元/TB。 2025年后， HDD的出货量将每年下降27%， 只应用于扩容和归档等少数场景。根据IDC统计，固态硬盘每GB的价格在2015-2020年期间， 平均每年的降幅将达到25%，未来五年将继续保持这一趋势。 根据IDC统计及预测，全球企业级基于NAND闪存的固态硬盘每GB价格预计在2020-2025年以19%的年复合增长率下降。长期来看，随着固 态硬盘价格的下降，全闪存数据中心不仅具有在绿色节能方面的优势，其自身也将变得更具成本效益，存储容量出货增速也迎来新的上升 周期。5 行业格局集中，芯片、模组有需求NAND Flash：技术+投资门槛过高，短期难以撼动巨头际领先的存储原厂凭借多年技术积累，不断提升晶圆制程以提高单位面积的存储密度和降低存储芯片功耗，随着制程工艺不断逼近极 限，芯片设计与晶圆制造的研发门槛不断提高，研发资本投入不断增加。同时，主要存储原厂还需通过持续大额资本支出来投放成熟制程 产能，维持规模优势和市场份额。国内企业目前规模极小，但投资力度不小，在性能、产量等多方面逐步看齐国际大厂，空间可 期。NAND Flash 全球市场高度集中：根据 Omdia （IHS Markit） 数据， 2021年全球 NAND Flash 市场规模为 675 亿美元，由三星电子、铠侠、 西部数据、美光科技、 SK 海力士、英特尔六家公司主导，2021年第三季度，三星在NAND Flash全球市场份额约 34%，此外， SK 海力士收 购英特尔 NAND Flash 业务已于 2021 年获得主要市场监管当局批准，全球 NAND Flash 市场将进一步集中。主控芯片：原厂+台系主导，国产化切入点目前市场上流通的固态产品，使用的主控芯片可以分为两大类型 ： 一类是各存储原厂诸如三星、Intel、美光等巨头基于IDM生产模式生产，其中三星的主控自产自销，基本不单独出售主控，美光既用于自有产品 也外卖给其他下游厂商。 另一类是Fabless厂商，核心玩家主要是Marvell、慧荣及群联电子。 Marvell性能较好，一直是主控市场上性能的佼佼者，其SSD控制器基于NAND Edge LDPC引擎，支持在企业和超大规模数据中心环境中使用高性 能和大容量的SSD，并兼容TLC、QLC和SLC存储器，数据安全及数据纠错能力领先。 慧荣和群联是台系主控代表，慧荣主控以不错的性能和低廉的价格为主要特点，整体较为平衡。群联主控性价比好，中低端市场有优势。6 产业格局发展方向及行业重点公司海外收并购成就巨头从历史上看，存储行业的发展中心经历了美日韩的转移。存储行业，尤其是存储器领域，由上世纪七十年代以美国IBM、Intel等 为初始发展中心，到上世纪八十年代以日本东芝、日立等厂商带领上游存储技术的持续突破，再到上世纪九十年代至今，存储行业逐步演 化为以韩国为主导，韩国、日本及美国各大原厂寡头垄断的格局。纵观全球大厂，近年来，大额收购频现，横向整合是目前SSD行业格局变化的主要途径。 1）西数式横向整合，收购闪迪直接切入SSD赛道 ；海力士式横向整合，吞并Intel 闪存及SSD业务，着重提升上游制造能力，形成产业 链部分领域绝对强势。 2）英特尔产业链不再完全，日后在SSD行业的竞争力很难重返第一，而三星目前为唯一的全产业链IDM厂商，其一体化IDM模式或为 未来整个行业的竞争终局。三星全产业链布局，独树一帜的龙头三星具备自主可控的SSD全供应链闭环，资源向上游持续倾斜，NAND领域不断发力，迭代速度领先全球，为目前唯一一家全产 业链IDM模式厂商。三星在企业级SSD领域享有良好声誉， 能够通过在供应链上的研发与控制能力， 为企业客户提供高性能、 高容量、 高可靠性的 固态硬盘产品及方案。 作为全球最大的半导体公司之一， 三星在固态硬盘两类重要原材料NAND Flash以及DRAM市场都拥有全 球领先的市占率， 其3D NAND的技术创新也使三星在改进闪存技术方面更进一步， 其闪存容量、 性能、 扩展性等更加符合企 业日益增长的数据处理和存储系统需求。同时，三星在主控、模组等固态硬盘关键上游领域均拥有多年的技术和市场积累，构 建了自主的全供应链闭环。三星IDM模式近些年来持续验证优越性，从曾经被英特尔及日本大厂遥遥领先，到稳坐SSD行业第一，独立实现核心技术持续领 跑，产品商业化路径及销售渠道亦积淀深厚。IDM模式构建全供应链闭环，在行业大洗牌的背景下，内部资源整合、向特定领域 倾斜不断为三星提供增长动力。国内行业格局展望国内企业级SSD市场目前仍属于早期快速增长阶段，而且可以依托的上游纯国产化的NAND FLASH供应商较为单一，诸多公司产品发展策略 以核心产品或者技术往下游模组延伸为主。 国内SSD产业链厂商可以概括为“具备主控设计能力的模组生产公司”，即主要切入点一般为主控芯片的软硬件设计（包括主控芯片、固件） 及最终SSD模组的设计及生产，这也意味着代工环节的国产力量需要跟上，而上游存储颗粒（NAND及DRAM）则主要依托国际大厂及国内 长江存储等。未来国内企业级SSD行业发展路径可能： 1）固件、主控厂商正逐步尝试纵向延伸扩展业务补齐短板； 2）加大研发和客户拓展，从消费级延伸切入企业级SSD； 3）长江存储IDM模式，横向整合或打开产业新局面。行业重点公司忆恒创源公司始终坚持企业级PCIe SSD模组及固件的研发和技术创新，2021年上半年公司企业级SSD业务收入占比达92.58%。目前公司已建 立了完备的企业级PCIe SSD产品的开发和验证体系，组建了经验丰富的研发和管理团队，形成了稳定的上下游合作关系。公司紧跟存储行业最新发展趋势，与NVMe、PCI-Sig等国际化标准组织深入合作，通过产品迭代创新，公司持续满足企业级客户对 高性能、高可靠性、高安全性和大容量存储产品不断提升的严苛要求，产品覆盖国内头部互联网企业、云计算厂商、金融机构及三 大电信运营商等，并赢得了广大终端用户的信赖和认可。2021年8月，公司被认定为北京市“专精特新”中小企业。公司成立至今已经完成 6 代企业级 SSD 产品的开发及升级迭代，公司主力企业级 SSD 产品主要包括 PBlaze5 及 PBlaze6 系列， 该产 品作为服务器的重要数据存储设备，主要应用于互联网、云服务、金融和电信等各类企业的数据中心。得瑞领新公司100% 自研控制器+自研固件+模组，自有主控芯片的企业级SSD属于技术与市场壁垒双高的领域，与华为是国内仅有的两家控制器、固件以及硬件板级设计完全自主研发的企业级SSD供应商； 专注于企业级NVMe控制器芯片和SSD产品开发， 持续迭代，6年半量产3代主控， 9款SSD模组产品，部分产品实测达到与Intel、三星匹敌甚至更优的产品指标；通过严苛实测，获得阿里、H3C、航天科工、天河超算、三大运营商等重点客户认可，产品进入销售放量阶段；为长存颗粒实现提供国际标准验证，能够满足阿里云Open-channel SSD的定制化需求； 拥有SSD领域国内顶尖团队：创始团队及核心技术人员拥有一流存储公司工作丰富经历，在IC、固件、测试、存储系统方面皆配备完整、技术 顶尖。报告节选：