如何设计一款优秀的企业级SSD主控芯片

近年来，在信息化、数字化、网络化和智能化的科技浪潮中，全球芯片产业得到了迅猛发展，国内集成电路产业也是一片欣欣向荣。但由于技术和产业化的积累有限，在高端芯片领域，国内自研能力依然薄弱，而随着全球宏观政治经济环境变得日益复杂，对高端芯片尤其是企业级芯片的自研创新能力突破的需求开始与日俱增。

据国家统计局公布的2021年全国集成电路（芯片）的生产情况数据显示，全年国内共生产芯片3594.3亿颗，同比增长33.3%。但同时据工信部发布的《2021年1~11月份电子资讯制造业运行情况》的统计数据显示，2021年我国进口芯片个数达6355亿个，同比增长16.9%，而进口集成电路的金额约4400亿美元（2.8万亿），同比增长25.6%左右。

虽然中国芯片行业发展迅速，但高端芯片存在巨大的缺口，特别是对高性能、高安全等级、高可靠性有严苛要求的企业级芯片。以企业级SSD为例，目前国内仍然广泛采用国外闪存原厂产品，而在非原厂SSD产品所采用的主控芯片方面，国外主控厂商也占据着明显的市场与技术优势。

忆芯科技作为国内较早致力于高性能SSD主控芯片研发的公司，始终坚持初心，不断推出能与国际一线品牌竞争的SSD主控芯片与方案，实现高端国产化芯片及产品的不断突破。

近期，忆芯流片了新一代高性能企业级PCIe4.0 SSD主控芯片STAR2000，该芯片基于12nm工艺，含50亿晶体管，集成了64位多核CPU和高达8TOPS算力的NPU，并全面支持最新的NVMe2.0协议。STAR2000采用了更先进的架构设计，借此提供强大的稳态随机及顺序读写性能，在服务质量、延迟、安全、可靠性、容错纠错等企业级所关注的指标上将达到业内领先的高规格水平，进一步缩短国内高端企业级SSD主控领域上与国外的差距。

STAR2000企业级SSD主控芯片

如何设计一款

优秀的企业级SSD主控芯片

固态硬盘（SSD）主要包括主控芯片、闪存颗粒和缓存单元三大组件。主控芯片基于运行在其CPU上的固件程序，解析主机下发的读写等操作命令，执行相应的对闪存颗粒的读写等任务。

闪存颗粒是SSD的实际数据存储承载主体，随着闪存技术的演进，从平面到3D结构、从SLC到TLC再到QLC，其容量越来越大，闪存的接口速度随着ONFI协议的递进越来越快，但从TLC到QLC的大容量多层3D闪存读写和擦除的延迟也越来越大，因此依然需要多通路并发来提升其后端带宽，并在相应的主机接口采用更快的PCIe物理通路和先进的NVMe协议来提升前端带宽并缩短延迟。

闪存的一个重要特性是不能写覆盖，需要引入擦除的动作，其读写以页为单位，擦除以块为单位，因此闪存访问需要用闪存转换层（FTL，Flash Translation Layer）的地址管理机制来管理，这也带来了闪存写放大问题，即由垃圾回收导致的实际写入闪存数据量大于主机侧写入的有效数据量。尽管在企业级方向上新的NVMe协议正在逐步完善ZNS、KV等结构化存储方式来减小写入放大的影响，FTL管理依然是SSD主控及方案厂商需要仔细打磨的核心技术。

3D闪存技术从SLC到TLC及QLC的演进中，寿命（一般用可擦写次数衡量）和可靠性问题越来越严重，从早期SLC多达十万次的可擦写次数到如今QLC仅有几百次，此外物理结构的变化使得存储的数据更容易被正常的读写干扰并且耐久度更差，包括工作温度的变化都会造成存储单元电子分布的变化，因此主控芯片需要有强大的查错和纠错能力来解决可靠性和寿命问题，主控和固件需要实现VT值判决的最优校准，自动适配retry的最优序列，以及LDPC软比特的LLR配置调优，企业级应用中还会引入盘内RAID保证最终可以通过冗余保护的手段来恢复正确数据。

企业级SSD产品有很高的性能要求，因此主控芯片设计需要精通提升带宽和效率、降低延迟的方法，如快速命令解析与处理、CPU任务卸载、DMA传输、队列处理、仲裁与传输均衡、时隙的流水化与并行处理等等；此外研发团队还需要对低功耗设计从逻辑设计到物理实现上有全流程的丰富经验。企业级对稳态性能的追逐还需要在软件硬件协同工作上精雕细琢，结合对协议、芯片架构和固件架构的深刻理解和原型验证的迭代，最终达成芯片在PPA（性能/功耗/面积）上的最优结果。

企业级主控的另一个挑战来自于企业级应用的特殊需求，如掉电保护、热插拔技术、在线固件更新、双端口双活、快速Trim等等，需要在芯片设计阶段便从系统层面给予充分考虑，并在芯片原型验证中遍历到具体应用场景。

SSD主控需要保证存放在闪存中的数据安全，因此需要具备安全解决方案能力，满足用户对数据加密验签、安全启动等安全应用需求。除了在主控中提供XTS-AES/RSA/SHA加密解决方案，忆芯还提供国密SM2/SM3/SM4技术，忆芯国密方案已经在上一代PCIe3.0主控芯片通过国测和国密两项认证，具备自主可控的信息安全优势。

随着可计算存储和AI技术的发展，SSD主控也开始加入神经网络处理单元（NPU）的设计。此外，得益于高性能企业级SSD主控芯片在工艺制程上均进入了更先进的FinFET节点，集成的NPU也可以满足越来越高的算力要求。NPU的加入使得SSD主控获得了机器学习和深度学习能力，能够执行CPU不擅长的计算任务，从而运用于各种可计算型或智慧型SSD产品，并且降低闪存的访问频率。此外，使用NPU还可以帮助SSD提高可靠性和服务质量、优化功耗、实现智能自检及早期故障排查等等。

配套的企业级产品方案，

让主控芯片物尽其美！

有了SSD主控芯片，依然需要稳健强大的固件系统的配合才能设计出一款出色的企业级SSD产品。STAR2000的芯片开发与固件开发在多种原型验证系统上始终保持着同步，各类应用场景下的性能测试和压力测试除了保障芯片的功能正确，也将大大加速芯片量产期间的SSD产品化。

STAR2000的SSD固件方案充分考虑了企业级所关心的稳态性能、可靠性、掉电保护、远程维护等功能指标，辅以近年来在PCIe3.0企业级SSD上积累的量产经验，忆芯基于STAR2000主控的PCIe4.0高性能企业级SSD的量产突破计日可待，届时国内的数据中心和企业级存储市场也将又拥有更可靠的国产自主高性能企业级SSD产品的选择。

审核编辑：彭静