內(nèi)存、存儲(chǔ)及嵌入式市場概覽

　　 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(shù)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(wù)拓展經(jīng)理馬烈偉先生介紹了對(duì)嵌入式內(nèi)存及存儲(chǔ)市場的預(yù)測。

　 　關(guān)鍵詞：DRAM；NAND；市場；嵌入式

       1 存儲(chǔ)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(shí)代貢獻(xiàn)了380億美元市場規(guī)模，移動(dòng)時(shí)代是620億美元，2017年開啟了數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，整個(gè)全球存儲(chǔ)市場規(guī)模達(dá)到1280億美元（如圖1），而未來的機(jī)會(huì)是不可限量的。到2021年每年會(huì)產(chǎn)生62萬億GB數(shù)據(jù)。

　　1.1 業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的增長

       內(nèi)存和存儲(chǔ)市場有哪些驅(qū)動(dòng)因素呢？美光公司分析了DRAM、NAND、3D XPoint和NOR，認(rèn)為第一大驅(qū)動(dòng)力是數(shù)據(jù)中心，2017年相關(guān)市場容量是290億美元，預(yù)計(jì)到2021年增長2.1倍，達(dá)到620億美元；第二是移動(dòng)端手機(jī)，2017年是450億美元，預(yù)計(jì)到2021年達(dá)到540億美元，增長1.2倍。第三是汽車，2017年是25億美元，預(yù)計(jì)到2021年增長2.4倍，達(dá)到59億美元。第四是物聯(lián)網(wǎng)，2017年是90億美元，預(yù)計(jì)2021年增長1.7倍，達(dá)到160億美元（如圖2）。

　　1.2 2018年內(nèi)存的細(xì)分市場

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

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

　　非易失性存儲(chǔ)分為存儲(chǔ)和非存儲(chǔ)兩類。存儲(chǔ)可以是手機(jī)SD卡，或者是移動(dòng)硬盤，2018年市場規(guī)模為210億美元；還有一種是混合式存儲(chǔ)，涉及系統(tǒng)重要代碼及產(chǎn)品應(yīng)用，2018年市場規(guī)模為430億美元。這兩種合計(jì)貢獻(xiàn)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(dǎo)體市場的份額接近一半，全球半導(dǎo)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(dǎo)體市場的整體增長速度。

　　1.3 多元化終端市場的增長拉動(dòng)存儲(chǔ)需求

       據(jù)美光科技分析，圖4是針對(duì)DRAM和NAND市場在不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域的增長情況。可見2013年P(guān)C領(lǐng)域保持一定的增長，但是增長率不是很快。相比之下，服務(wù)器領(lǐng)域的增長是比較迅猛的。同樣，移動(dòng)和專用領(lǐng)域（包括汽車、工業(yè)、圖形和網(wǎng)絡(luò)）的增長十分迅速。整個(gè)DRAM市場需求的年復(fù)合增長率達(dá)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(dòng)硬盤、企業(yè)端和客戶端SSD，復(fù)合年增長率約40%~45%。

　　2 嵌入式內(nèi)存和存儲(chǔ)的市場趨勢

       主要有三大主流應(yīng)用。

　　· 汽車。用戶期待互聯(lián)，ADAS（高級(jí)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(gè)方面體現(xiàn)最為明顯。

　　· 工業(yè)。三個(gè)熱點(diǎn)是：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)4.0、可實(shí)時(shí)分析的邊緣節(jié)點(diǎn)智能、物聯(lián)網(wǎng)安全框架。

　　· 消費(fèi)類/互聯(lián)家庭方面。熱點(diǎn)是：4K/UHD逐漸普及、人工智能驅(qū)動(dòng)家庭智能、OTT/IP STB視頻流、VR/AR用戶體驗(yàn)。

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

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

       在智能邊緣節(jié)點(diǎn)，從智慧工廠、智慧城市、智慧交通，到智能監(jiān)控等每一個(gè)最邊緣的節(jié)點(diǎn)，帶有數(shù)據(jù)配置的工業(yè)設(shè)備通過智能網(wǎng)端和云服務(wù)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(gè)石油鉆井平臺(tái)的工業(yè)行為會(huì)每天產(chǎn)生約10TB的數(shù)據(jù)等。這會(huì)推動(dòng)數(shù)據(jù)在整個(gè)信息系統(tǒng)流動(dòng)，催生智能邊緣的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算需求。

　　2.2 AI推動(dòng)專業(yè)化智能安防

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

　　· 據(jù)美光估算，預(yù)計(jì)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(chǔ)用于監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

　　關(guān)于智能IP攝像頭，每年有1.6億個(gè)攝像頭，其中28%達(dá)到4K攝像頭，15%是智能攝像頭。特點(diǎn)是邊緣存儲(chǔ)作為主儲(chǔ)存，再加上深度學(xué)習(xí)以及AI推理。現(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(chǔ)單元包括32/64GB eMMC，4~8GBDDR4/LP4、256GB~1TB邊緣存儲(chǔ)。

　　· 數(shù)據(jù)進(jìn)入邊緣服務(wù)器進(jìn)行更深入的數(shù)據(jù)處理。AI級(jí)服務(wù)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(wù)器/二級(jí)存儲(chǔ)。應(yīng)用案例：AI取證將實(shí)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(xué)習(xí)訓(xùn)練，以實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控即服務(wù)，取證分析即服務(wù)。

　　智能安防會(huì)消耗更多的內(nèi)存和存儲(chǔ)，根據(jù)2017年的數(shù)據(jù)，每個(gè)攝像頭消耗的DRAM達(dá)0.5GB，預(yù)計(jì)到2021年將達(dá)到8GB，4年內(nèi)容量增長16倍（如圖6）。另外，每個(gè)攝像頭消耗的NAND在2017年約為0.25GB，預(yù)計(jì)到2021年將達(dá)到1TB。

　　2.3 自動(dòng)駕駛對(duì)存儲(chǔ)需求進(jìn)行了重新定義

       根據(jù)不同自動(dòng)駕駛級(jí)別，L1駕駛輔助，L2是部分自動(dòng)化，L3有條件的自動(dòng)化到L5是全自動(dòng)化。

　　不同的自動(dòng)駕駛級(jí)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(jí)別需要接近74GB（如圖7）。同樣地，到2025年L5級(jí)自動(dòng)駕駛對(duì)于NAND的需求將達(dá)到每輛車1TB。

　　除了容量的需求增長，還有對(duì)于帶寬的需求。存儲(chǔ)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(dòng)駕駛息息相關(guān)。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(shù)設(shè)計(jì)來看，并行走線需要數(shù)據(jù)線將在系統(tǒng)中串行，會(huì)帶來很多挑戰(zhàn)。它們通過更復(fù)雜的邏輯管理模塊，來降低對(duì)客戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，但是可以提供更快更高的帶寬，將速度從百兆級(jí)別提高到千兆級(jí)別。未來可以看到PCIe擴(kuò)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(dá)每秒120MB到320MB之間，UFS可達(dá)百兆級(jí)別，PCIe可達(dá)千兆級(jí)別（如圖8）。

　　對(duì)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(lǐng)域擁有領(lǐng)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(jí)GDDR6，以及適用于信息娛樂和儀表盤的第四代汽車級(jí)存儲(chǔ)。

　　具體地，從美光內(nèi)部研究來看，關(guān)于內(nèi)存帶寬方面，如果系統(tǒng)要具備一些智能，諸如人機(jī)交互、語音識(shí)別、手勢識(shí)別，整個(gè)系統(tǒng)帶寬達(dá)到10G，至少需要LP4這樣的產(chǎn)品，如果用于支持自動(dòng)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(jí)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(chǔ)產(chǎn)品

       基本上從這幾個(gè)角度考量——速度、容量、成本，還有尺寸和設(shè)計(jì)等因素。

　　從存儲(chǔ)的定義來講，需要把握以下幾點(diǎn)。第一是存儲(chǔ)的容量問題，DRAM和NAND主要看帶寬需求，速度的把控確定平臺(tái)對(duì)于存儲(chǔ)方案的選用。例如ADAS的算法速度會(huì)決定我們選用GDDR6或LPDDRx/DDRx，每一代產(chǎn)品所對(duì)應(yīng)的速度范圍是不同的，這是根據(jù)不同工業(yè)應(yīng)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(chǔ)方面看，先要確定容量和速度接口問題，每一種存儲(chǔ)需求是有一定的存儲(chǔ)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(chǔ)技術(shù)主要是2D或者是3D，美光的PCIe SSD具備1TB的存儲(chǔ)容量，因?yàn)榛谙冗M(jìn)的64層TLC技術(shù)。

　　3 嵌入式的特點(diǎn)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(lǐng)域的特點(diǎn)是：新技術(shù)的導(dǎo)入過程中，客戶完成一項(xiàng)設(shè)計(jì)需要長期的產(chǎn)品服務(wù)供應(yīng)。例如某種型號(hào)的汽車，廠商需要后續(xù)10年甚至更久的產(chǎn)品供應(yīng)，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(rèn)證的、實(shí)現(xiàn)長期供貨的工廠，在未來20年為汽車、工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)行業(yè)保證高質(zhì)量的供貨，保證在產(chǎn)品制程節(jié)點(diǎn)中的穩(wěn)定供貨，將EOL/PCN變化降至最低。

　　與此同時(shí)，專注加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)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(yù)計(jì)2019年第三季度提供驗(yàn)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(kuò)建的第一階段，規(guī)模將擴(kuò)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(fèi)電子產(chǎn)品，美光有全球首個(gè)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(shí)現(xiàn)1TB的存儲(chǔ)容量，方法是采用了先進(jìn)的96層3D QLC NAND技術(shù)，提供高達(dá)100MB/s的讀取速度和95MB/s寫入速度，同時(shí)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(gè)1TB汽車級(jí)和工業(yè)級(jí)PCIe NVMe閃存存儲(chǔ)，即美光2100AI 和2100AT 3D TLC SSD系列。其基于美光的64層3DTLC技術(shù)進(jìn)行研發(fā)。應(yīng)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(chǔ)，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(duì)美光原有產(chǎn)品線的補(bǔ)充。NOR的主要用途在于ADAS系統(tǒng)，因?yàn)锳DAS需要快速啟動(dòng)。這種技術(shù)要求是很多存儲(chǔ)技術(shù)難以具備的，而NOR閃存可以滿足這種需求，可以通過納秒級(jí)的速度支持快速啟動(dòng)，同時(shí)具備耐高溫和長期數(shù)據(jù)保留性能，讀取帶寬可以達(dá)到每秒400MB。

　　最后，Authenta NOR閃存解決方案，提供內(nèi)容與命令驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)的設(shè)備保護(hù)功能。因?yàn)橛蠸HA256測量加速器，用戶可以靈活地定義設(shè)置。同時(shí)提供了不同傳輸速率和電壓的可選選項(xiàng)。

　　參考文獻(xiàn)：

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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(shí)引用，并注明出處