1.3 固態(tài)存儲及SSD技術發(fā)展史

SSD一路走來，從技術層面的發(fā)展演進和各個初創(chuàng)公司的涌現(xiàn)，到少數(shù)公司壯大，再到今天匯聚成一股推動SSD普及應用的強大力量，可謂不易。回顧SSD的歷史，會讓我們更深刻地理解這場技術革命對人類生活的改變是多么艱辛和曲折，真可謂“山重水復疑無路，柳暗花明又一村”。

早在1976年就出現(xiàn)了第一款使用RAM的SSD，1983年Psion公司的計算器使用了閃存卡，1991年SanDisk推出了20MB的閃存SSD。經(jīng)過成千上萬科學家、工程師以及各行各業(yè)的人40多年的努力，SSD終于改變了我們的生活。下面我們來回顧一下SSD的逆襲之路。

1.昂貴的RAM SSD

我們都知道芯片巨頭英特爾現(xiàn)在最賺錢的產(chǎn)品是CPU，但是在20世紀70年代，英特爾最賺錢的產(chǎn)品是RAM，就是我們電腦內(nèi)存條里面的芯片。當RAM剛被發(fā)明的時候，就有一些腦子靈活的人開始用很多RAM組裝成容量很大的硬盤來賣。

據(jù)史料記載，1976年，Dataram公司開始出售名為Bulk Core的SSD，容量是2MB（在當時很大了）。Bulk Core使用了8塊大電路板，每個板子有18位寬256KB的RAM（細心的讀者肯定在想2MB是怎么算出來的，其實很簡單，好好想想吧）。這款SSD是個大塊頭，具體外觀如圖1-7所示。

RAM的優(yōu)點是可以隨機尋址，就是每次可以只讀寫一字節(jié)的數(shù)據(jù)，速度很快；缺點也很明顯，掉電數(shù)據(jù)就沒了，價格還特別高。它注定是“土豪”的玩具，不能進入尋常百姓家。

在以后的20多年時間里，TMS（Texas Memory Systems）、EMC、DEC等玩家不斷推出各種RAM SSD，在這個小眾的市場里自娛自樂。其中，最主要的玩家是TMS。

2.HDD稱霸世界

當SSD還在富豪的俱樂部里被把玩的時候，HDD異軍突起，迅速普及全世界。HDD本來也很昂貴，而且容量小，但是1988年費爾和格林貝格爾發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應，這個革命性的技術使HDD容量變得很大。在各大企業(yè)的推廣下，HDD進入千家萬戶。費爾和格林貝格爾也因此獲得了2007年諾貝爾物理學獎。

2013年全球賣出了5.7億塊HDD，總銷售額為320億美元。但是，此時HDD已經(jīng)過了鼎盛時期。圖1-8所示是根據(jù)希捷、西部數(shù)據(jù)和東芝的出貨量做出的全球HDD銷量統(tǒng)計，可以看出，從2010年開始，HDD出貨量處于下滑趨勢（2014年有小的反彈）。

3.閃存——源于華人科學家的發(fā)明

1967年，貝爾實驗室的韓裔科學家姜大元和華人科學家施敏一起發(fā)明了浮柵晶體管（Floating Gate Transistor），這是SSD的基礎——閃存的技術來源。學過MOS管的讀者肯定對圖1-9很熟悉，相比MOSFET，浮柵晶體管多了一個懸浮在中間的浮柵極，所以它被稱為浮柵。浮柵被高阻抗的材料包裹，和上下絕緣，能夠保存電荷，而電荷通過量子隧道效應進入浮柵。

4.閃存SSD異軍突起

20世紀90年代末，終于有一些廠商開始嘗試使用閃存制造SSD，進行艱難的市場探索。1997年，Altec ComputerSysteme推出了一款并行SCSI閃存SSD，接著1999年BiTMICRO推出了18GB的閃存SSD，從此，閃存SSD逐漸取代RAM SSD，成為SSD市場的主流。閃存的特點是掉電后數(shù)據(jù)還在，真的像我們所熟知的硬盤了。

新技術的應用是如此之快，引起了科技巨頭的關注。2002年比爾·蓋茨就預見到SSD的普及。他保守地說，有一種叫SSD的東西，未來三四年內(nèi)將會成為某些平板電腦的硬盤。可惜的是微軟那時候沒有成功推廣平板電腦。

從2003年開始，SSD的時代終于到來，SSD開始成為存儲行業(yè)的一個熱詞，固態(tài)硬盤的概念開始為許多人知曉。

2005年5月，三星電子宣布進入SSD市場，這是第一家進入這個市場的科技巨頭。

5.2006年，SSD進入筆記本電腦領域

2006年，NextCom制造的筆記本電腦開始使用SSD。三星推出了32GB的SSD，并認為2007年SSD市場容量可達13億美元，2010年將達到45億美元。2006年9月，三星推出的PRAM SSD采用了PRAM作為載體，三星希望該產(chǎn)品能取代NOR閃存。

同年11月，微軟推出Windows Vista，這是第一款支持SSD特殊功能的PC操作系統(tǒng)。

6.2007年，革命之年

2007年，Mtron和憶正（Memoright）公司開發(fā)了2.5英寸和3.5英寸的閃存SSD，讀寫帶寬和隨機IOPS性能終于達到了最快的企業(yè)級HDD水平，同時閃存SSD開始在某些領域替代原來的RAM SSD。硬盤大戰(zhàn)的序幕從此拉開。

同年2月，Mtron推出的PATA SSD寫速度為80MB/s，但是僅僅8個月后，憶正的PATA和SATA SSD的讀寫速度達到100MB/s。

企業(yè)級市場玩家Violin Memory和TMS也推出了大型SSD。TMS的RamSan-500容量達2TB，它將DDR RAM作為緩存，將閃存作為存儲。隨機讀達到100k IOPS，隨機寫達到10k IOPS，順序讀寫帶寬達到了驚人的2GB/s！來看看這個大家伙，如圖1-10所示。

閃存廠商閃迪也推出了一系列的SATA SSD，東芝也宣布要做SSD。2007年底，市場上有60家SSD OEM廠商。

7.2008年，速度大戰(zhàn)爆發(fā)

2008年，SSD廠商迅速達到100家，也就是說一年內(nèi)新冒出了40家新的SSD廠商。這一年大家使用的閃存還是SLC。SLC雖然容量小、價格高，但是擋不住大家的熱情，單位IOPS數(shù)量不斷被打破。

EMC再次推出了使用SSD的網(wǎng)絡存儲系統(tǒng)Symmetrix DMX-4。EMC上一次使用SSD是在20年前，不過那時候是RAM SSD。三星想要收購閃迪，但是被拒絕了，（2015年閃迪以190億美元價格被西數(shù)收購）。Violin Memory甚至宣布它們的4TB 1010存儲設備的4KB隨機讀可以達到200k IOPS，隨機寫可以達到100k IOPS，支持PCIe、Fibre通道和以太網(wǎng)接口。Fusion-IO的SSD開始為HP的BladeSystem服務器提供加速功能。

著名的OCZ公司開始進入2.5英寸SSD市場。英特爾開始出售X-25E 2.5英寸32GB SATA SSD，讀延遲75μs，擁有10個通道，讀寫帶寬分別是250MB/s和170MB/s。4KB隨機讀寫分別為35k IOPS和3.3k IOPS。

8.2009年，SSD的容量趕上了HDD

浦芯微電子（PureSilicon）公司的2.5英寸SSD做到了1TB容量，由128片64Gb的MLC閃存組成。SSD終于在同樣的空間內(nèi)，實現(xiàn)了和HDD一樣大的容量。這一點很重要，因為之前HDD廠商認為HDD的優(yōu)勢是增大容量很容易，增加盤片密度就可以了，成本很低，而SSD必須將內(nèi)部芯片數(shù)量翻番才能實現(xiàn)容量翻倍。但是這款MLC SSD證明一個存儲單元（Cell）多存幾位數(shù)據(jù)也可以讓容量翻倍，而性能卻遠超HDD：讀寫帶寬分別為240MB/s和215MB/s，讀延遲小于100μs，隨機讀寫分別為50k IOPS和10k IOPS。HDD廠商的危機來臨了。

SSD的巨大革新驚動了很多技術大牛，比如蘋果公司的早期創(chuàng)始人Steve Wozniak成為Fushion-IO的首席科學家。

大名鼎鼎的SandForce推出了第一代SSD控制器SF-1000。這是當時最快的2.5英寸SATA SSD芯片，擁有250MB/s的讀寫帶寬，30k IOPS的隨機讀寫速度。英特爾為內(nèi)部員工配備了1萬臺SSD筆記本電腦。

在SSD的熱潮中，HDD的巨頭希捷也坐不住了，開始試驗性地銷售SSD產(chǎn)品。

9.2010年，SSD市場開始繁榮

2010年，SSD市場達到了10億美元。

Fusion-IO宣布年度營收增長300%。SandForce開始使用廣告詞“SandForce Driven SSDs”（見圖1-11）。這一年企業(yè)級市場還是以SLC為主，但是消費級產(chǎn)品開始廣泛使用MLC了。

10.2011年和2012年，上市、收購，群雄并起

2011年6月，F(xiàn)usion-IO上市，市值18億美元，后來一度超過40億美元，這家明星公司后來被以11億美元的低價賣掉，令人唏噓不已，可見大家看好的SSD市場競爭之激烈。

SandForce的SSD控制器內(nèi)置了數(shù)據(jù)實時壓縮功能，這使得SSD的使用壽命進一步延長，讀寫帶寬也得到提高。因為經(jīng)過壓縮后，實際寫入SSD內(nèi)部的數(shù)據(jù)大幅度減少。這個實時壓縮技術聽起來簡單，可是實現(xiàn)起來異常復雜，因為壓縮之后每一個用戶數(shù)據(jù)頁的大小都不一樣，映射表等的設計需要非常精妙。所以，至今仍然沒有幾家公司實現(xiàn)SSD內(nèi)置數(shù)據(jù)實時壓縮功能。不得不說，被輪番收購，最后落入希捷手中的SandForce是SSD控制器市場最成功的公司：做出了最成功的產(chǎn)品，技術非常精妙，市場也很成功。

新的廠商不斷出現(xiàn)，巨頭的市場兼并也開始了。幾個著名的控制器芯片廠商消失：2011年初，OCZ以3200萬美元收購英洛迪（Indilinx）；年底，老牌存儲芯片玩家LSI以3.7億美元收購了SandForce；2012年6月，海力士收購了LAMD（Link A Media Devices）。

企業(yè)級市場也開始使用MLC。閃存陣列廠商Skyera（施家樂，Logo如圖1-12所示）推出了44TB的SSD，售價13.1萬美元。

這一年的另一個重大事件是IBM收購了老牌RAM SSD廠商TMS。

11.2013年，PCIe SSD進入消費者市場

在臺式電腦和筆記本電腦上SATA已經(jīng)不夠用了，因為SATA是為HDD設計的接口，最大速度是6Gb/s，只能達到最高600MB/s的帶寬（扣除協(xié)議開銷，實際速度只有560MB/s左右），同時命令隊列不夠深，不適合SSD使用。SSD開始在協(xié)議上引發(fā)存儲技術的變革。

同時出現(xiàn)了可以插在內(nèi)存DIMM插槽里的SSD。這種SSD容量大，速度快，掉電后數(shù)據(jù)還在。

閃存陣列廠商Violin Memory在納斯達克上市，但當天股價從9美元跌到7美元，兩周后CEO Donald Basile被趕跑了。看來全閃存陣列的前景并不被看好。

2013年底，LSI被Avago以66億美元收購。

12.2014年，SSD軟件平臺重構(gòu)企業(yè)級存儲

SSD的大放異彩需要整個生態(tài)鏈的支持，因為以前的軟件和協(xié)議都是為慢速HDD設計的，而現(xiàn)在它們需要適應快速的硬盤。

VMware的VSAN能夠支持3～8個服務器節(jié)點。閃迪的企業(yè)級存儲軟件ZetaScale支持占用大量內(nèi)存的應用，有了SSD后，DRAM作為緩存，SSD被用來存儲程序數(shù)據(jù)，速度依然很快。這對有著大量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫來說非常有用，不用開發(fā)硬盤的接口了，數(shù)據(jù)都可以放在內(nèi)存里面。

閃迪用11億美元收購了Fusion-IO，希捷用4.5億美元收購了Avago（LSI）的企業(yè)級SSD部門ASD和SSD控制器芯片部門FCD（SandForce）。

2014年底，原SandForce創(chuàng)始團隊創(chuàng)建的創(chuàng)業(yè)公司Skyera被WD收購。

13.2015年，3D XPoint

Tezarron說會在2016年采用Rambus的ReRAM來做SSD。

Northwest Logic開發(fā)的FPGA控制器可以支持Everspin的MRAM。

東芝發(fā)布48層3D閃存樣品，容量為16GB。

Diablo和Netlist打官司，Diablo贏了，官司的焦點是ultrafast Flash DIMM。它們都發(fā)布了Memory1，都號稱自己的產(chǎn)品能在需要大內(nèi)存的環(huán)境下替換內(nèi)存。

Netlist宣布和三星合作開發(fā)Flash As RAM的DIMM。

SSD控制器廠商SMI用5700萬美元收購了SSD廠商寶存科技（Shannon Systems）。

7月，英特爾宣布開發(fā)出新型存儲器——3D XPoint。

Pure Storage完成IPO，上市。

Crossbar D輪融資3500萬美元，開發(fā)RRAM SSD。

西部數(shù)據(jù)用190億美元收購閃迪。

14.2016年，NVDIMM開始供貨

谷歌經(jīng)過測試，認為不值得花那么多錢去買SLC，其實MLC性價比更高。

NVMdurance再次融資，號稱能延長閃存壽命。

Cadence和Mellanox展示了PCIe 4.0技術，帶寬達到16Gb/s。

Pure Storage表示2016年第一季度全閃存陣列收入超過了機械硬盤陣列頭號廠商。

Diablo的128GB DDR4 Memory1開始供貨。

希捷展示60TB的3.5英寸SAS SSD。

Nimbus在FMS上展示4PB 4U HA全閃存陣列。

Everspin（MRAM）啟動上市IPO進程。

Rambus宣布基于FPGA的數(shù)據(jù)加速卡項目。

SiliconMotion發(fā)布世界上第一顆SD 5.1標準的SD卡控制器。

Violin破產(chǎn)保護。

15.2017年，英特爾推出基于3D XPoint的SSD

海力士發(fā)布72層3D NAND。

東芝將所有新SSD遷移到64層BiCS TLC閃存。

英特爾推出Optane（3D XPoint）SSD。

三星、東芝和西部數(shù)據(jù)發(fā)布96層3D NAND。

NGD Systems發(fā)布NVMe 24TB可計算存儲設備（CSD）。

Everspin推出1Gb STT MRAM芯片樣品。

Global Foundries推出嵌入式eMRAM。

西部數(shù)據(jù)開發(fā)64層3D TLC NAND。

ScaleFlux首次部署符合生產(chǎn)要求的可計算存儲設備。

16.2018年，QLC開始應用在企業(yè)級SSD

Cypress推出16Mb FRAM。

東芝完成180億美元的內(nèi)存業(yè)務銷售。

三星推出高速Z-SSD。

Hyperstone推出帶有人工智能和機器學習功能的閃存控制器。

英特爾推出Optane（3D XPoint）DC持久內(nèi)存DIMM樣品。

中國“大基金”第二階段的半導體投資目標超過300億美元。

SNIA成立可計算存儲技術工作組（TWG）。

Gyrfalcon Technology推出人工智能加速器，首次使用臺積電的eMRAM。

SNIA發(fā)布固態(tài)存儲和真實存儲工作負載的性能規(guī)范。

17.2019年，長江存儲推出32層Xtacking閃存

所有主要閃存供應商都發(fā)布96層NAND產(chǎn)品或樣品。

海力士、三星發(fā)布128層NAND樣品。

長江存儲（YMTC）推出32層Xtacking NAND樣品，國內(nèi)終于有了自己的閃存廠商。

英特爾發(fā)布Optane（3D XPoint）DIMM。

英特爾發(fā)布帶Optane（3D XPoint）和QLC NAND的固態(tài)硬盤。

人們開始從Open-Channel SSD轉(zhuǎn)向NVMe ZNS。

英特爾推出Computer Express Link（CXL），并發(fā)布Spec V1.1。

NGD System推出第一款基于可擴展ASIC的可計算存儲NVMe SSD。

Eideticom推出第一款基于NVMe的可計算存儲處理器。

東芝內(nèi)存更名為KIOXIA（中文名：鎧俠）。

Phison和AMD推出首款PCIe 4.0 x4 NVMe SSD和主板解決方案。

18.2020年，鎧俠推出首款PCIe 4.0 x4企業(yè)級NVMe SSD

西部數(shù)據(jù)推出112層512Gb BiCS 3D NAND。

鎧俠第一個推出512GB車規(guī)級UFS。

Lightbits Labs推出了第一個支持集群、冗余、橫向擴展（scale-out）的NVMe/TCP軟件解決方案。

英飛凌收購Cypress半導體。

鎧俠收購LiteOn。

NVMe ZNS 1.0版本指令集規(guī)范發(fā)布。

NVMe可計算存儲任務組成立。

鎧俠推出首款PCIe 4.0 x4企業(yè)級NVMe SSD。

Dialog半導體收購Adesto Technologies。

DNA數(shù)據(jù)存儲聯(lián)盟成立。

19.2021年，英特爾出售NAND和SSD業(yè)務

NOR閃存營收超過36億美元。

鎧俠和西部數(shù)據(jù)發(fā)布162層3D NAND。

三星發(fā)布第一款運行在CXL上的DDR5內(nèi)存。

JEDEC發(fā)布XFM（交叉閃存）嵌入式和可移動存儲設備標準。

海力士開始收購英特爾的NAND和SSD業(yè)務，并將新公司命名為Solidigm。

鎧俠和三星宣布PCIe 5.0 x4企業(yè)級NVMe SSD。

Renesas收購Dialog半導體。

NVMe 2.0標準發(fā)布。

海力士開始量產(chǎn)176層4D NAND。4D閃存的本質(zhì)還是3D閃存，海力士之所以稱之為4D閃存，是因為其采用了類似CuA和Xtacking的技術，將外圍電路置于閃存陣列之下。

20.2022年，3D NAND閃存進入200+層時代

PCI-SIG發(fā)布PCIe 6.0規(guī)范。

JEDEC發(fā)布UFS 4.0規(guī)范，手機存儲讀寫速度達4.0GB/s。

SK海力士發(fā)布238層3D NAND，并計劃于2023年上半年量產(chǎn)；西部數(shù)據(jù)和鎧俠的新一代閃存產(chǎn)品為212層，尚未出貨；長江存儲也宣布了新一代閃存技術，雖官方未正式公布但業(yè)界消息稱其將達232層。