忆芯科技：用国产主控芯片征服企业级SSD的星辰大海

从2020年开始，全球企业级SSD支出已经超过了传统的企业级机械硬盘，并且还处于加速增长中。这一趋势的原动力就是海量的数据和AI、5G技术兴起所带来的存储需求不断增长，使得企业级SSD被广泛应用在互联网、云计算、金融和电信等行业的数据中心和企业级存储中。

驱动企业级SSD工作的“大脑”就是主控芯片，其表现也成为SSD能否稳定发挥的关键。作为国内较早致力于高性能SSD主控芯片研发的公司，忆芯科技最近量产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，各项指标均达到业内一流水平。

这颗主控芯片的诞生，不但进一步缩短国内高端企业级SSD主控领域上与国外的差距，也为国内SSD产业的整体升级贡献了可贵的力量。

来自企业级市场的挑战

相较于消费级SSD，企业级SSD要具备更快的传输速度、更好的服务质量、更大单盘容量、更高使用寿命以及更高的安全性和可靠性要求，这就对主控芯片提出了更高的性能要求，如提升带宽和效率、降低延迟等。

在忆芯科技副总裁朱旭涛看来，企业级SSD主控是一个大型化、结构又非常紧耦合的芯片，“其前端接口连接主机，后端接口挂载闪存，两边的接口协议是完全不同的，要让前后端接口能够完美联动并实现大带宽和低延迟，设计者要对各种复杂协议和用户需求有非常深入的理解，并还要具备非常丰富的产品化经验。”

因此在设计主控芯片时，设计者要对高效的命令解析与处理、合理的软硬件任务划分、各类DMA传输和队列处理、仲裁与传输均衡、时隙的流水化与并行处理等设计方法有丰富的经验，同时设计者还需对BCH/LDPC等纠错算法、RSA/AES/SHA商密和SM2/3/4国密等加密算法有全面的了解。此外，还要使主控芯片满足针对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。

稳定性也是企业级SSD最为看中的。忆芯科技数字设计高级总监薛立成表示，以非常重要的QoS（服务质量Quality of Service，在规定的时间内，以稳定一致的性能完成所有请求的能力）参数为例，主控要保证SSD读写性能稳定性，读写性能在99.99%，甚至99.999%概率下稳定在一个性能区间范围内，这是非常艰巨的挑战。

“要保证主控芯片具有竞争力，还要做到对上层协议的同步支持。”朱旭涛强调，“如最新的NVMe2.0协议，其具有很多特性支持未来的企业级应用趋势，如ZNS能有效降低写放大、提高闪存使用寿命和效率、减少对于DRAM缓存容量的需求，KV命令集能降低CPU计算负荷从而降低整体开销等。”

此外，一款优秀的企业级SSD主控还需要具有很好的兼容性，能支持多种产品应用形态，如宽温、大容量，还要能支持X86、Arm等架构的主机CPU，最后还要适配各种类型的闪存颗粒。

企业级SSD主控就是要做到“面面俱到”，而STAR2000则完美应对了这些挑战。其不但能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。

创新是技术突破的灵魂

STAR2000的优异表现得益于忆芯科技所进行的多项创新。

首先，STAR2000在芯片SoC架构上继续基于同构多核CPU，但使用的Arm Cortex-A55并非SSD常用的实时性应用型CPU。Cortex-A55可以提供灵活高效的多核一致性管理机制、出色的指令执行效率、极低的Cache访问延迟以及强大的输入输出能力和运算能力，但依然需要在芯片架构设计上充分考虑如何缩短CPU存取各类数据的延迟，提升系统实时性处理能力。

“STAR2000中还设计了8 TOPS算力的NPU，可以支持存算一体应用，在高速的数据存取过程中实时的进行检索、比对、分类等计算工作。”薛立成特别指出，“NPU还可以帮助STAR2000提升SSD工作的服务质量，基于NPU开发的StarQoS 2.0技术，通过对各类输入输出任务下的状态分析，实现SSD算法参数调优，能够实现应对各种企业级存储数据分类，自动进行冷热数据分析，有效降低关键数据访问延迟，实现更好的QoS效果，并提升闪存使用寿命。”

前文还提到STAR2000能兼容市面上所有的闪存颗粒，这也得益于忆芯科技对闪存颗粒特性和发展趋势的理解，设计了一套灵活的可编程闪存控制器架构，使STAR2000完备地支持各类闪存接口协议并保证闪存访问的效率，并在面积、功耗与性能上达到出色的平衡。新的闪存控制器架构首次集成了一个通用轻量级CPU，进一步提升了新颗粒导入速度。

另一项创新来自于忆芯科技自研的核心IP。薛立成认为，只有在核心IP上实现不断的创新，才有机会在竞争中脱颖而出。

忆芯科技从第一代主控芯片研发就一直坚持核心IP自主研发的技术路线，通过自研的StarNVMe® IP实现对最新的NVMe2.0协议的支持，新的协议特性给用户提供更多的使用方式和更好的用户体验。同时StarNVMe® IP以最小的硬件开销实现PCIe双端口技术，保证更好的用户数据读写稳定性和可靠性；通过自主开发的安全系列IP，支持国密SM2/3/4、XTS-AES/SHA/RSA加解密算法，实现了数据硬件实时加解密，在保证了数据最高等级的安全特性的同时，还不影响数据的读写速度；通过自研的StarLDPC® IP，支持4KB的LDPC编解码，支持最高4-bit的软判决译码，最大程度保证了数据的纠错能力，确保在生命末期的数据可读性；通过集成NPU和自研AI计算加速IP，为STAR2000提供更多的应用场景，AI加速IP实现关键任务加速，释放CPU算力，更好的实现了深度学习，卷积计算和搜索等功能，加速AI场景的应用落地。“整个芯片的核心IP都是我们自主研发的，正是这些IP的引入，才能保证忆芯科技主控芯片的技术领先性、差异性和持续迭代能力，同时也使得芯片在性能功耗方面保持了很强的竞争力。”薛立成表示。

不过，在如此复杂的芯片上实现创新并非易事。据薛立成介绍，面对高端企业级的高性能、稳定性和可靠性需求，忆芯科技开发了一套成熟的芯片设计、开发和验证方法学。在架构设计阶段，通过搭建芯片架构仿真器，仿真完整数据通路，保证初期芯片功能和性能同时达到设计目标；在芯片实现过程中，一方面通过严格的前仿真和后仿真保证代码的功能和时序的正确性，另一方面，采用硬件仿真加速器Emulator，验证真实的固件和芯片协作的性能，以及评估芯片在不同使用场景的功耗；最后，我们还会将设计映射到FPGA上，在FPGA上执行长时间的稳定性和可靠性验证。

通过这套严谨且先进的芯片设计和验证方法学，忆芯科技一直保持着一次流片成功的记录。

还有非常重要的一点，忆芯科技的研发团队具有从逻辑设计到物理实现上的全流程设计的丰富经验。经过在软件硬件协同工作上的精雕细琢，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，最终达成芯片在性能上的最优结果。

不断拓展的应用边界

据IDC统计，在数字化转型的大背景下，中国企业级SSD市场取得长足发展，2021年市场规模增长16.2%，达到32.8亿美元，约占全球市场的16.9%。虽然英特尔和三星等国际大厂依托技术生态、供应链整合等能力要素处于主导地位，但本土厂商实力正在快速提升，发展势头强劲，有望改变当下相对稳定的市场格局。

忆芯科技推出的STAR2000是一个高性能的企业级SSD主控，将直面两个细分市场：数据中心和企业级存储。因此，STAR2000不但有很好的低延时、高带宽性能，也在双端口双活，耐写度、QoS等指标上有优异的表现，实现了对两个市场的完美支持。

和上一代PCIe Gen3 SSD主控STAR1000P成功布局了企业级、工业级及消费级市场等多个领域一样，STAR2000在多个市场领域被赋予使命。朱旭涛表示，除了标准企业级SSD应用，STAR2000还将应用于可计算存储SSD、高可靠企业级SSD和针对信创的高可信SSD。

在高性能的可计算存储上，STAR2000基于8TOPS的AI算力，可以很好地完成数据分类、比对、检索等计算功能，可以部署在边缘计算、有计算加速需求的服务器及专用PC应用中；在高可靠的企业级SSD存储上，STAR2000支持定制大容量、55℃~85℃的宽温，支持热插拔，支持数据加密及销毁、数据恢复等功能，主要面向工业设备、数据记录、存储服务器、高可靠移动设备等场景；在高可信SSD存储上，STAR2000同时支持商密和国密标准，支持可信启动、支持独立盘级TPCM，支持系统和数据信息上报可信中心，支持命名空间层的可信保护，面向高可信的企业级数据中心以及桌面型应用。“我们将基于上一代产品积累下来的成功经验，继续用一颗主控芯片来灵活部署多个市场。”朱旭涛表示。

忆芯科技的主要竞争力体现在打造全栈产品的能力上，不光是研发芯片，还非常关注软件和算法的开发已经最终产品的落地。而通过推出STAR2000，朱旭涛认为忆芯科技要守住两大优势，“首先是在标品的规格上，要确保站稳第一梯队，因此在研发STAR2000过程中，不光针对数据中心等领域，还针对细分市场做了灵活的设计；其次，积极地拥抱技术的变革，把创新性的元素加入产品中。”

“除了当前这一代PCIe4.0高端企业级主控以外，支持下一代PCIe5.0的主控芯片将在明年研发完成，对PCIe6.0的产品也在规划当中。”薛立成透露了忆芯未来的产品路线图。

在不断推进产品研发的同时，忆芯科技还在全面布局产业链上下游的协同生态合作。针对上游合作伙伴，“产品应用上，要支持各种主机CPU、兼容各种闪存颗粒；芯片开发上，需要掌握各类第三方IP的应用开发能力，掌握各类软件工具和开发平台的使用能力。忆芯希望在与上游供应商的合作中提高自身产品能力的同时也提升供应商的产品价值，为行业生态发展做出贡献。”朱旭涛说。

对于下游的终端和系统客户，忆芯科技也做了大量赋能的工作，帮助其在新基建的浪潮中赢得先发优势。忆芯科技和有客户资源和产品规划能力的一些公司合作，助力其推出基于忆芯主控芯片的各类SSD存储产品，除了保证产品在性能功耗和基本应用功能需求上有显著的竞争力之外，还实现了众多的客户定制化功能，帮助客户赢得更多的差异化竞争。

朱旭涛最后强调，“我们是一家技术驱动的公司，每做一个产品都希望能携手客户完成技术上的突破，最终实现国内存储供应链的共赢局面。”