Overview of memory, storage and embedded market

       作者/王瑩 《電子產(chǎn)品世界》編輯

      摘要：在上海2019“汽車技術日”期間，美光科技嵌入式產(chǎn)品事業(yè)部工程總監(jiān)劉群與商務拓展經(jīng)理馬烈偉先生介紹了對嵌入式內(nèi)存及存儲市場的預測。

　 　關鍵詞：DRAM；NAND；市場；嵌入式

       1 存儲和內(nèi)存市場規(guī)模

        如果把內(nèi)存（DRAM、NAND、NOR）和SSD結(jié)合起來看，據(jù)市場調(diào)查公司Garnter和IDC分析，PC和互聯(lián)網(wǎng)時代貢獻了380億美元市場規(guī)模，移動時代是620億美元，2017年開啟了數(shù)字經(jīng)濟時代，整個全球存儲市場規(guī)模達到1280億美元（如圖1），而未來的機會是不可限量的。到2021年每年會產(chǎn)生62萬億GB數(shù)據(jù)。

　　1.1 業(yè)務驅(qū)動的增長

       內(nèi)存和存儲市場有哪些驅(qū)動因素呢？美光公司分析了DRAM、NAND、3D XPoint和NOR，認為第一大驅(qū)動力是數(shù)據(jù)中心，2017年相關市場容量是290億美元，預計到2021年增長2.1倍，達到620億美元；第二是移動端手機，2017年是450億美元，預計到2021年達到540億美元，增長1.2倍。第三是汽車，2017年是25億美元，預計到2021年增長2.4倍，達到59億美元。第四是物聯(lián)網(wǎng)，2017年是90億美元，預計2021年增長1.7倍，達到160億美元（如圖2）。

　　1.2 2018年內(nèi)存的細分市場

       內(nèi)存和存儲包括DRAM、NAND和NOR、新興存儲和其他種類，主要分為兩大類，一類是DRAM，即內(nèi)存，特點是易失性；還有一種是存儲，特點是非易失性。

　　DRAM分為移動和非移動兩類技術，據(jù)Gartner2018年第二季度的分析報告，2018年這兩類技術的市場規(guī)模分別是380億美元和660億美元，總規(guī)模達1040億美元，同比增長44%（如圖3）。

　　非易失性存儲分為存儲和非存儲兩類。存儲可以是手機SD卡，或者是移動硬盤，2018年市場規(guī)模為210億美元；還有一種是混合式存儲，涉及系統(tǒng)重要代碼及產(chǎn)品應用，2018年市場規(guī)模為430億美元。這兩種合計貢獻了640億美元，同比增長10%。

　　2018年內(nèi)存市場的總規(guī)模是1680億美元，占據(jù)半導體市場的份額接近一半，全球半導體市場的規(guī)模是4790億美元，同比增長14%，而內(nèi)存市場同比增長29%，可見內(nèi)存市場的增長速度高于半導體市場的整體增長速度。

　　1.3 多元化終端市場的增長拉動存儲需求

       據(jù)美光科技分析，圖4是針對DRAM和NAND市場在不同業(yè)務領域的增長情況。可見2013年PC領域保持一定的增長，但是增長率不是很快。相比之下，服務器領域的增長是比較迅猛的。同樣，移動和專用領域（包括汽車、工業(yè)、圖形和網(wǎng)絡）的增長十分迅速。整個DRAM市場需求的年復合增長率達到20%。

　　NAND市場的主要需求來自于SSD，這部分的占比很高，大體上包括移動硬盤、企業(yè)端和客戶端SSD，復合年增長率約40%~45%。

　　2 嵌入式內(nèi)存和存儲的市場趨勢

       主要有三大主流應用。

　　· 汽車。用戶期待互聯(lián)，ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）的普及和無人駕駛汽車，以及可配置的虛擬駕駛艙，這三個方面體現(xiàn)最為明顯。

　　· 工業(yè)。三個熱點是：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)4.0、可實時分析的邊緣節(jié)點智能、物聯(lián)網(wǎng)安全框架。

　　· 消費類/互聯(lián)家庭方面。熱點是：4K/UHD逐漸普及、人工智能驅(qū)動家庭智能、OTT/IP STB視頻流、VR/AR用戶體驗。

　　總體上，互聯(lián)無處不在，產(chǎn)生更多人工智能（AI）和網(wǎng)絡安全需求。以下為幾個典型應用市場分析。

　　2.1 物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)推動工業(yè)“智能邊緣”需求

       在智能邊緣節(jié)點，從智慧工廠、智慧城市、智慧交通，到智能監(jiān)控等每一個最邊緣的節(jié)點，帶有數(shù)據(jù)配置的工業(yè)設備通過智能網(wǎng)端和云服務器相連，產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)（如圖5）。例如，互聯(lián)汽車每天每輛大概產(chǎn)生4TB數(shù)據(jù)，每個石油鉆井平臺的工業(yè)行為會每天產(chǎn)生約10TB的數(shù)據(jù)等。這會推動數(shù)據(jù)在整個信息系統(tǒng)流動，催生智能邊緣的數(shù)據(jù)處理和計算需求。

　　2.2 AI推動專業(yè)化智能安防

       這包括三部分：智能IP攝像頭，邊緣服務器和智慧城市數(shù)據(jù)中心。

　　· 據(jù)美光估算，預計到2021年，新的IP攝像頭每天大概產(chǎn)生4.5EB的數(shù)據(jù)，全球約有400~500EB存儲用于監(jiān)控數(shù)據(jù)。

　　關于智能IP攝像頭，每年有1.6億個攝像頭，其中28%達到4K攝像頭，15%是智能攝像頭。特點是邊緣存儲作為主儲存，再加上深度學習以及AI推理?，F(xiàn)在很多工廠已經(jīng)使用智能攝像頭。典型智能攝像頭的存儲單元包括32/64GB eMMC，4~8GBDDR4/LP4、256GB~1TB邊緣存儲。

　　· 數(shù)據(jù)進入邊緣服務器進行更深入的數(shù)據(jù)處理。AI級服務器需要32/64GB eMMC，32GB DDR4~16GBHBM2，4~8TB SSD。

　　· 智慧城市數(shù)據(jù)中心支持全互聯(lián)智慧城市，需要人工智能服務器/二級存儲。應用案例：AI取證將實現(xiàn)5秒內(nèi)從超過1000萬張圖片的數(shù)據(jù)庫中搜索人臉。這需要持續(xù)的深度學習訓練，以實現(xiàn)視頻監(jiān)控即服務，取證分析即服務。

　　智能安防會消耗更多的內(nèi)存和存儲，根據(jù)2017年的數(shù)據(jù)，每個攝像頭消耗的DRAM達0.5GB，預計到2021年將達到8GB，4年內(nèi)容量增長16倍（如圖6）。另外，每個攝像頭消耗的NAND在2017年約為0.25GB，預計到2021年將達到1TB。

　　2.3 自動駕駛對存儲需求進行了重新定義

       根據(jù)不同自動駕駛級別，L1駕駛輔助，L2是部分自動化，L3有條件的自動化到L5是全自動化。

　　不同的自動駕駛級別需要不同的DRAM內(nèi)存。從L1/2每輛車所需的8GB到L3所需的16GB，到L5級別需要接近74GB（如圖7）。同樣地，到2025年L5級自動駕駛對于NAND的需求將達到每輛車1TB。

　　除了容量的需求增長，還有對于帶寬的需求。存儲密度除了上述的8GB到1TB的容量變化，還涉及到速度的變化，這跟重新定義自動駕駛息息相關。從最早的L1-L3需要的eMMC，到L3-L4需要的UFS/PCIe，UFS和PCIe都屬于高速串行，從技術設計來看，并行走線需要數(shù)據(jù)線將在系統(tǒng)中串行，會帶來很多挑戰(zhàn)。它們通過更復雜的邏輯管理模塊，來降低對客戶系統(tǒng)設計的要求，但是可以提供更快更高的帶寬，將速度從百兆級別提高到千兆級別。未來可以看到PCIe擴展性。

　　PCIe競爭優(yōu)勢在于以較低的能耗提供2倍性能，eMMC的連續(xù)性能可達每秒120MB到320MB之間，UFS可達百兆級別，PCIe可達千兆級別（如圖8）。

　　對于1GB讀寫能耗的比較，可以看到PCIe在同等容量條件下所需的能耗非常低（如圖9）。

　　美光在汽車領域擁有領先的解決方案，擁有速度最高的低功耗DDR4，率先推出了汽車級GDDR6，以及適用于信息娛樂和儀表盤的第四代汽車級存儲。

　　具體地，從美光內(nèi)部研究來看，關于內(nèi)存帶寬方面，如果系統(tǒng)要具備一些智能，諸如人機交互、語音識別、手勢識別，整個系統(tǒng)帶寬達到10G，至少需要LP4這樣的產(chǎn)品，如果用于支持自動駕駛，可能10GB的帶寬仍不足夠，需要到百GB。目前L2、L3采用的是數(shù)十GB，是LP4速度級別的產(chǎn)品。L4及以上就需要100GB或者1TB的帶寬，美光公司的GDDR6提供了這樣的解決方案。

　　2.4 如何選擇存儲產(chǎn)品

       基本上從這幾個角度考量——速度、容量、成本，還有尺寸和設計等因素。

　　從存儲的定義來講，需要把握以下幾點。第一是存儲的容量問題，DRAM和NAND主要看帶寬需求，速度的把控確定平臺對于存儲方案的選用。例如ADAS的算法速度會決定我們選用GDDR6或LPDDRx/DDRx，每一代產(chǎn)品所對應的速度范圍是不同的，這是根據(jù)不同工業(yè)應用需要考慮的。速度確定之后發(fā)現(xiàn)，LP4或者是DDR4的主要區(qū)別在于，LP4是在較小的form factor（形狀因子，即尺寸和形狀）和低功耗情況下提供高帶寬，DDR4更多地是可拓展操作。

　　從存儲方面看，先要確定容量和速度接口問題，每一種存儲需求是有一定的存儲容量范圍，可以納入客戶解決方案的考量。

　　另外還有成本問題，目前的存儲技術主要是2D或者是3D，美光的PCIe SSD具備1TB的存儲容量，因為基于先進的64層TLC技術。

　　3 嵌入式的特點及美光的新產(chǎn)品

      3.1 嵌入式產(chǎn)品需要長期供貨保證

       汽車、監(jiān)控、工業(yè)等嵌入式領域的特點是：新技術的導入過程中，客戶完成一項設計需要長期的產(chǎn)品服務供應。例如某種型號的汽車，廠商需要后續(xù)10年甚至更久的產(chǎn)品供應，作為賣方必須提供長期支持。

　　為此，美光做了30億美元的投資與承諾，將位于美國弗吉尼亞州的制造工廠專門打造成IATF認證的、實現(xiàn)長期供貨的工廠，在未來20年為汽車、工業(yè)和網(wǎng)絡行業(yè)保證高質(zhì)量的供貨，保證在產(chǎn)品制程節(jié)點中的穩(wěn)定供貨，將EOL/PCN變化降至最低。

　　與此同時，專注加強實驗室建設和研發(fā)投入，支持NOR、NAND、DRAM的批量生產(chǎn)，能夠制造20nm/1X nm DRAM和3D NAND，預計2019年第三季度提供驗證樣品，2020年第二季度投產(chǎn)。

　　目前，位于弗吉尼亞的Fab-6工廠處于擴建的第一階段，規(guī)模將擴大60%，具備10.5萬平方英尺的整潔室空間，基于F10X模式。

　　3.2 美光的新產(chǎn)品

       首先是消費電子產(chǎn)品，美光有全球首個1TBmicroSD?，F(xiàn)在的SD卡更薄，所以制造上面臨著更大的挑戰(zhàn)。美光以很小的封裝實現(xiàn)1TB的存儲容量，方法是采用了先進的96層3D QLC NAND技術，提供高達100MB/s的讀取速度和95MB/s寫入速度，同時該產(chǎn)品也滿足了SD卡的性能規(guī)范和其他的速度要求。

       此外，美光還推出了業(yè)內(nèi)第一個1TB汽車級和工業(yè)級PCIe NVMe閃存存儲，即美光2100AI 和2100AT 3D TLC SSD系列。其基于美光的64層3DTLC技術進行研發(fā)。應用PCIe接口，其讀取速度比UFS 2.1和SATA 3接口快2倍以上，寫入速度快1.5倍以上。與傳統(tǒng)的PCIe閃存的區(qū)別是，該系列是容量最高的小型閃存存儲，提供16mmX20mm的BGA封裝和22mmX30mm 的M.2外形，支持-40℃~105℃的表面溫度。

　　再有，125℃的45nm NOR閃存產(chǎn)品組合。該產(chǎn)品是對美光原有產(chǎn)品線的補充。NOR的主要用途在于ADAS系統(tǒng)，因為ADAS需要快速啟動。這種技術要求是很多存儲技術難以具備的，而NOR閃存可以滿足這種需求，可以通過納秒級的速度支持快速啟動，同時具備耐高溫和長期數(shù)據(jù)保留性能，讀取帶寬可以達到每秒400MB。

　　最后，Authenta NOR閃存解決方案，提供內(nèi)容與命令驗證，實現(xiàn)芯片級的設備保護功能。因為有SHA256測量加速器，用戶可以靈活地定義設置。同時提供了不同傳輸速率和電壓的可選選項。

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本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第5期第6頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處