一文读懂 SSD 主控芯片应用及发展历程

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，在这三大件中，采购成本最高的是闪存颗粒，大约占据了 70%的份额；由于不同厂商对不同产品的定位问题和有些产品存在内外置缓存的区分，缓存单元一般无法统一论述；但最有技术含量和核心技术的则是主控芯片了。

目前固态硬盘的主控主要分为两大阵营：原厂和主控厂商。今天主要的闪存制造厂有三星、东芝、美光、海力士，以及不久前与美光分家的英特尔，它们也同时生产原厂固态硬盘。

不过现在除了三星之外，很多原厂固态硬盘也不再使用完全自主研发的主控芯片了，比如英特尔 545s 和 660p/760p、美光的 BX500、MX500，使用的都是慧荣的主控。再比如说东芝的 TR200，名义上它使用的是东芝自家的 TC58NC1010GSB，其实仔细一看，还是群联 PS3111 的底子。海力士对外宣称其固态硬盘的主控是自主研发的，目前披露的相关信息比较少。

也就是说，各大闪存原厂都在一定程度上将主控设计和固件研发的工作委派给专门的主控供应商，由它们在原厂的技术支持下，完成相关的主控和固件设计。最终，原厂固态硬盘产品会通过定制固件的方式，将原厂固态硬盘跟公版产品区分开来。

除了三星的固态硬盘主控是自产自销外，市场上处于第一梯队的固态硬盘主控厂商主要有 Marvell、慧荣（Silicon Motion）、群联（Phison），以及处于第二梯队的智微（Jmicron）、瑞昱(Realtek)和云莲（Maxiotek）；不过，目前国内有不少厂商参与到了 SSD 主控领域当中，并开始崭露头角，比如忆芯、杭州华澜微电子、联芸科技等等。

SSD 主控芯片都采用什么处理器架构？

一听到主控芯片，我们很自然会联想到个人 PC 里的 CPU，即中央处理器。其实 SSD 中的主控芯片承担的也是类似的工作，它起着指挥、运算和协作的作用。

首先，SSD 主控要合理调配数据在各个闪存芯片上的负荷，让所有的闪存颗粒都能够在一定负荷下正常工作，协调和维护不同区块颗粒的协作；

其次，它承担了整个数据中转，连接闪存芯片和外部 SATA 接口；

还有，它要负责固态硬盘内部各项指令的完成，诸如 trim、CG 回收、磨损均衡等。

可以说，一款主控芯片的好坏直接决定了固态硬盘的实际体验和使用寿命。图 2 就是一个 PCIe 接口的典型 SSD 主控芯片系统架构。

图 1：联芸科技 MAP100X SSD 主控芯片系统架构。（图片来源：联芸科技官网）

由于 SSD 主控需要承担众多任务，那它必须要有一个靠得住的 CPU 内核来帮忙。一些定位高端的主控通常还需要多个 CPU 内核，分别用来执行不同的任务，并且在多个核心之间还需要有一套协同的机制。现在很多 SSD 主控都使用了 Arm 的处理器架构，通常选择 Cortex-R 系列。比如 Marvell、联芸科技、华为等等。

与我们平时在手机上见到的 A 系列不同，R 系列主要用于实时数据处理，在响应速度上更有优势，汽车自动驾驶系统中使用的往往就是 R 系列，当然我们的 SSD 主控也用到了它。

再来说主控的左右逢源能力。主控一方面是固态硬盘的大脑，另一方面也处在大脑主机与闪存颗粒之间，起到一个搭桥的作用，一方面要跟主机沟通协作，接受和处理主机发来的命令，另一方面也要跟呆头呆脑缺乏智能的闪存颗粒打交道，搞好底层数据存取的具体实现。对于主机端的沟通，主要难点在于节能特性的把握上，SATA 链路节能可以降低功耗，提升笔记本电脑电池续航时间，同时也符合绿色环保的理念。但是 SATA 链路进出节能状态的过程中需要主机和固态硬盘双方的协同，稍有不注意就会导致卡顿，甚至掉盘的恶劣情况出现。现在很多非原厂的主控为了减少麻烦，图省事直接禁用了节能特性，也是一种不太自信的表现。

主控与闪存的沟通同样很复杂。固态硬盘中的闪存通常被叫做 RAW 闪存，智能化程度很低，只能遵循特定的闪存接口，如 Toggle 或者 ONFI 进行访问。而不同的闪存芯片在工作特性上有些千丝万别的不同，这就需要主控去主动适应闪存的特点。

联芸科技的市场主管任吉表示，“现在的存储颗粒质量越来越差，相应地对 SSD 主控的要求也将越来越高。”

因为 SSD 主控不仅要完成温度管理、SMART 健康度报告、坏块管理等等任务，还需要实现纠错，以及断电保护等功能。

我们平时经常看到固态硬盘标注"支持 LDPC 纠错"。LDPC 纠错实际上包含了硬判决和软判决两部分，前者在主控硬件内有硬件加速实现，后者则需要结合主控的运算能力去加强纠错效果。

由于闪存颗粒并不是只到了寿命末期才会出错的，只是末期的出错率更高一些。所以说主控纠错引擎其实是始终在运作的，每一笔写入和读出的数据，都要经过主控纠错引擎的检验和处理。

断电保护则是每一个固态硬盘主控都必须考虑的。过去我们讲一颗固态硬盘带不带断电保护，指的是固态硬盘是否有独立的断电保护电路，包括储能电容、监测电路和固件中的保护动作执行逻辑。完整的断电保护应该包括运行时用户数据保护以及 DRAM 缓存当中元数据的保护。

除了 Arm 的 R 系列内核，也有选择其他处理器内核的，比如忆芯科技的 SSD 主控芯片 STAR1000P 选用的是来自美国 Synopsys 公司的 ARC 处理器。

根据 Synopsys 官网的介绍，Synopsys 的 DesignWare® ARC® 处理器是 32 位 CPU，经 SoC 设计人员的优化，可满足各种不同用途的需求，从各类细分市场深度嵌入式应用到高性能主机应用，不一而足。设计人员可利用可综合来定制各个 ARC 核实例，使产品各不相同，以满足特定性能、功耗和面积的要求。DesignWare ARC 处理器还具有可延展性，可让设计人员添加自己的定制指令，从而大大提高性能。 全球已有超过 225 家客户使用 Synopsys ARC 处理器，这些客户每年总共产出 19 多亿块基于 ARC 的芯片。

目前该架构应用的领域有车用与工业用途、物联网、移动市场、存储、以及数字家居。

图 2：Synopsys ARC 处理器的 SSD 和 Flash 主控解决方案。（图片来源：Synopsys 官网）

虽然国科微此前的 GK2301 用的是 Arm 的公版 CPU 内核，但其 GK2302 则是于中科龙芯合作的，采用了中科龙芯的处理器 IP 内核，也就是说，国科微的技术路线从 Arm 转向了中科龙芯的改进型 MIPS 指令集。

中科龙芯提供给国科微的 CPU 核是 GS132e，32 位，单发射，4 级流水线，芯片面积 0.07 平方毫米，主频 480MHz。

SSD 主控芯片玩家，亚洲势力在崛起

与机械硬盘的主控芯片集中在希捷、西数、东芝等少数几家厂商不同，自 SSD 诞生以来，不断有厂商进行主控芯片的研发和创新，台系、日韩、欧美等都有专注于主控芯片研发的厂商，并没有产生具有垄断性质的芯片厂商。

因此，在 SSD 主控芯片市场，一直呈现着多极化的分层，早年的智微 Jmicron、Indilinx、东芝自产，到中期大红大紫，最终落入希捷之手的 Sandforce，再到如今百花齐放的慧荣、群联、Marvell、三星……，主控芯片厂商在不断的竞争中将固态硬盘产品的总体性能提升向上提升了一大步，也推动了整个固态硬盘向消费市场的普及。

接下来，我们一起看看现在 SSD 主控芯片市场上的主要玩家们。

主流首选：Marvell

虽然在 SSD 领域，并没有出现一家主控芯片厂商独霸市场的垄断情况，但依旧存在着市场份额较大的主控厂商，那就是 Marvell 主控芯片。

Marvell 1995 年在美国加州圣塔克拉拉成立，在 IC 上的布局包括大容量存储解决方案、网络和无线连接等，半导体解决方案主要应用于企业、云、汽车、工业和消费类市场。

Marvell 在 SSD 主控领域独占鳌头，除与部分 NAND 原厂形成紧密合作关系外，还与各 SSD 终端产品厂商达成广泛合作。

与其有合作的 SSD 终端厂商有英特尔、美光、浦科特等。

一站式服务：慧荣主控

慧荣，全称为慧荣科技，1995 年成立于美国加州硅谷，2002 年与中国台湾的慧亚科技合并后更名为慧荣科技(Silicon Motion, Inc.)，总部设于中国台湾。

Silicon Motion 于 2005 年 6 月在美国 NASDAQ 上市，成为中国台湾第一家赴美挂牌的 IC 设计公司。目前总部设立于中国台湾，并在中国台湾、中国大陆（深圳、上海、北京）、香港、韩国、日本、美国均设有研发及运营团队，公司于 2005 年在美国 Nasdaq 上市，成为亚洲第一家赴美挂牌的 IC 设计公司。

它除了提供闪存主控芯片，还有 SSD、eMMC 等嵌入式储存产品，应用领域包括智能型手机、平板计算机、个人计算机和工业等。

慧荣科技的控制芯片品牌是“SMI”，企业级 SSD 品牌为“Shannon Systems”，移动通讯产品则是“FCI”品牌。

PCIe 4.0 SSD 正在袭来，但很多时候，我们可能并不需要太过强大的 U 盘，小巧便携也是一种刚需。

在台北电脑展上，慧荣展示了首款单芯片设计的便携式 USB SSD 主控，型号“SM3282”，整合了一颗 USB 3.0 主控、一颗 SSD 主控(双通道八芯片)、3.3V/2.5V/1.8V/1.2V 电压调节器等，采用了 68 针 QFN 封装。

以往打造便携式 SSD 的时候，厂商需要使用一颗 SSD 主控芯片和一颗 USB-PCIe 桥接芯片，不但增加了成本和价格，也占用了很多内部空间，现在有了慧荣的方案，只需一颗芯片即可搞定，可以轻松将 USB SSD 做成一个大号 U 盘的样子。

性能方面，持续读写速度都能超过 400MB/s，也就是一块较弱 SATA SSD 的水平。

它支持各家厂商的各种闪存颗粒，3D TLC、3D QLC 都没问题，最多 96 层堆叠，现场也展示了搭配 Intel、美光、三星、SK 海力士、东芝、西数的闪存解决方案。

据称，该芯片将在今年晚些时候出货。

图 3：慧荣在台北电脑展上展示的 SM3282 存储解决方案。

性价比的选择：群联电子

群联电子，2000 年成立于中国台湾新竹，是全球第一家推出单核心 U 盘主控芯片的中国台湾 IC 设计厂商，同时群联作为 NAND 闪存解决方案的供货商，也可以提供品牌厂商，系统与 OEM 服务。

群联电子长期专注于闪存存储主控芯片研发，涵盖了 USB、SD 存储卡、eMMC、UFS、PATA、SATA、PCI-E 规格的 SSD 主控芯片，并为存储系统和 OEM/ODM 等品牌客户提供存储解决方案，终端应用遍及消费性市场、工业制造及企业数据中心、嵌入式存储等。

由于高度重视存储加密技术，群联电子在国际技术标准上取得了 ONFI 创始会员资格，同时也是 SD 协会、UFS 协会的董事。

虽然目前主流的接口是 PCIe3.0，但在台北电脑展上，AMD 带来了支持 PCIe 4.0 的第三代锐龙处理器、X570 主板，随后发布了同样支持 PCIe 4.0 的新一代 RX 5700 显卡。而在生态方面，群联首发 PCIe 4.0 SSD 主控制器 PS5016-E16(以及衍生的低端版本 PS5019-E19)，技嘉、影驰、海盗船、博帝、必恩威等至少七家厂商同时拿出了 PCIe 4.0 SSD，技嘉的甚至已经正式发布。

虽然慧荣也展示了 PCIe 4.0 主控，并由威刚展示相应的 SSD，但进度相对慢很多，不知道何时才能上市。

作为主控大厂，群联首发 PCIe 4.0 并不意外，但意外的是，E16 这款主控从无到有的整个研发过程，用了仅仅 9 个月，创下行业纪录。

要知道，一般的 SSD 主控研发往往需要耗时 24 个月左右。

此番群联与 AMD 合作，仅用 9 个月就完成 PCIe 4.0 主控研发，并随着新平台同步登场，而且带来了极为显著的性能提升，无疑是一个相当成功的案例，也有利于推动整个行业的进步。

除了群联电子，点序科技也是台系不可忽视的一支中坚力量，其产品以闪存控制芯片为主，应用包含了 SD/microSD、USB、eMMC、SSD 控制芯片等，并依靠耗损平均(Wear-Leveling)算法、错误检查纠正(ECC)、坏区管理(Bad Block Management)等技术，让客户的产品获得稳定的效能提升。

台系主控目前是 SSD 市场上的主流，并在中国大陆协同伙伴赢得庞大的消费群体，市场份额不断上升。

大陆系主控品牌

华为：2018 年 12 月，华为在中国智能计算业务战略发布会上推出智能 SSD 控制芯片，华为透露，早在 2005 年，公司就启动了 SSD 控制芯片的研发，而最新的 Hi 1812E，则是基于全新架构的第 7 代 SSD。它采用台积电 16 纳米工艺，将 PCle NVMe 与 SAS 融合，支持 PCIe 3.0、SAS 3.0、PCI-E 热插拔、智能加速、多流、原子写、QoS 等等，并且寿命延长 20％。

在存储技术方面，华为也推出 ES3000 系列 SSD，ES3000 SSD 是华为企业级高性能固态硬盘，采用华为自研 Hi1812 SSD 控制芯片和六代 SSD 产品演进的算法技术，配套 NAND Flash 介质，提供 NVMe PCIe 和 SAS 两种接口，具有性能高、响应快、可靠性高等特点，解决硬盘 IO 性能瓶颈，大幅提升数据库、云服务、虚拟化、分布式存储、大数据等业务应用性能，帮助客户降低系统 TCO。

杭州华澜微电子(Sage Microelectronics Corp)：该公司可提供存储卡、U 盘、移动硬盘、固态硬盘、硬盘阵列以及大数据存储系统控制器芯片和解决方案，并实现了上述产品的芯片级信息安全防护。

公司于 2015 年并购了美国 initio(晶量)公司的桥接芯片产品线，形成了 initio Bridge 芯片系列，产品已经广泛应用于工业控制、个人消费、航空航天、测量装备等领域。

目前华澜微电子可供 SATA,SAS, PCIE 等接口的 SSD 控制器芯片系列，不仅仅可以满足一般消费类应用，而且正在逐步发展的高端企业级应用。不仅仅如此，华澜微的芯片还能够提供国际通用加 / 解密算法（如 AES）和国家商业密码算法电路（SM2/3/4）的硬件支持，是中国最早把商密算法集成到 SSD 控制器的公司。

深圳市得一微电子(YEESTOR Microelectronics Co.,Ltd)：它专注于存储控制芯片领域，为客户提供优质的存储控制芯片以及专业化的技术支持和服务。

其产品主要是 SSD、eMMC、USB、SD 等主控芯片以及安全存储控制器，广泛应用于移动存储、便携式存储和安全存储领域。

2019 年 1 月，得一微电子推出旗舰 PCIe3x4 SSD 主控 YS9203，这颗 PCIe Gen3x4 SSD 主控芯片专门针对消费级旗舰以及轻企业级应用而打造，得益于硬件和固件上的优化，该主控将充分发挥 NWMe1.3 的性能。该主控提供 PCIe 4 个 Lane 和 8 个 NAND Flash 通道，支持 3D MLC/TLC/QLC 的 NAND，使用 LDPC 以及 Enhance RAID 增强了数据可靠性和耐久性。它还支持 1.2V 和 1.8V 接口电压，国密 SM2/SM3/SM4，TCG OPAL。消费级工作温度范围：0°C-70°C，工业级工作温度范围：-40°C-85°C。顺序读写速度高达 3500MB/s, 3200MB/s, 随机读写速度都高达 800K IOPS。

联芸科技（Maxio）：联芸科技隶属中国电科集团（CETC），继美国 MARVELL、中国台湾 SMI 之后全球第三家也是国内唯一能够大规模量产 SSD 主控芯片厂商。

联芸科技可提供多款 SSD 解决方案，其 MAS0901 固态硬盘主控芯片的企业级固态硬盘解决方案，性能已达国际同类固态硬盘主控芯片及固态硬盘解决方案领先水平。MAS0901 固态硬盘主控芯片是针对企业级及数据中心级打造一款重量级 SSD 主控芯片，该芯片支持 SATA3.2 接口技术，支持 Toggle2.0&ONFi4.0 & Async 闪存接口、支持 DDR3/DDR3L/DDR4 接口、原创 Aglie ECC DSP 算法（LDPC）、支持 RAID5 技术等；在安全方面：支持 AES256、SHA256、RSA2048 国际密码算法以及国产商用密码算法 SM2、SM3、SM4，确保数据安全及防止固件被恶意篡改。

图 4：联芸科技在展会上展示的 SSD 主控芯片。

联芸科技的 MAP1000 系列 PCIe SSD 主控芯片，包含 MAP10002（4 闪存通道，无 DRAM）、MAP1003（4 闪存通道）和较为高端的 MAP1001（8 闪存通道），均采用 28nm 工艺制造。

其中，MAP1001 支持 PCIe 3.0 x4，可挂载 3D MLC/TLC/QLC 等多类型、多品牌闪存芯片。

图 5：联芸科技的 SSD 主控芯片参数。

性能方面，MAP1001 可达到最高 3.5GB/s 顺序读速、3GB/s 顺序写速、800K IOPS 随机读速和 600K IOPS 随机写速。

据悉，联芸科技的客户将从今年三季度开始测试 MAP1001/1002，商用 SSD 成品最快今年底或明年面世。

忆芯科技：忆芯科技成立于 2015 年 11 月，是国内最早致力于高性能 SSD 主控芯片研发的初创企业。

在历经了 FPGA 技术验证、MB1000 原型芯片，STAR1000 量产芯片后，忆芯科技在今年初推出了最新一代高端消费级 / 入门企业级 SSD 主控芯片 STAR1000P。

STAR1000P 是忆芯科技的第二代 NVMe SSD 控制器，主机接口为 PCIe Gen3x4，支持 NVMe1.3 协议，支持 8 个闪存通道，最大 32TB Flash 容量。STAR1000P 实现了 3.5GB/s 和 3.2GB/s 的顺序读写以及 600 K IOPS 以上的随机读写性能，最低 8us 的写延迟。该芯片除支持国际 AES 加密标准以外，也全面支持中国商密（SM2/3/4）安全方案。STAR1000P 采用忆芯科技第三代 StarlDPC 纠错码技术，可以轻松应对 3DTLC/QLC 挑战。DVFS 技术，极致优化动态时钟门控等任功耗技术，保证了 STAR1000P 在全性能模式下的功耗仅为 2W 左右。同时 STAR1000P 增强了 NVMe PI，EEEC，In－line ECC 等纠错技术，以满足工业及企业级高可靠性要求。

其设计采用新思 DesignWare ARC HS38 处理器多核结构，利用 ARC 可扩展架构与自定义指令集，提高硬件调度效率。

不过，忆芯科技并没提到 STAR1000P 主控硬盘何时上市，不过表态已经在跟国内多家厂商联合开发基于 STAR1000P 主控的 SSD 硬盘，主要面向企业级、客户端市场。

国科微：2018 年 12 月，国科微发布固态存储产品 --GOKE 2301 系列 SSD，使用的主控芯片是国科微自主研发的 GK2301。该主控通过了国测和国密双认证，并拥有自主知识产权。GK2301 支持 SATA3.2 标准，最大带宽 560Bps，支持 4 通道闪存，最大支持 4TB 容量。芯片方面，其支持 SLC/MLC/TLC/3D 闪存颗粒，支持最大 2GB，16 位宽的 DDR3/DDR3L 的外置缓存。最重要的是支持国密 SM2/3/4 及 SHA-256/AES-256 加密，以及国科第二代 LDPC w/Soft DSP 纠错引擎。

国科微 GK2302 主控则使用的是中科龙芯的 IP 内核，这意味着它的技术路线从 ARM 变成了龙芯改进后的 MIPS 指令集。考虑到龙芯现在已经买断了指令集，并且可以自主改进，国科微 GK2302 主控可以号称血统最纯正的国产 SSD 主控了。

GK2302 系列芯片采用高速 SATA 6Gbps 接口与主机通讯，单芯片容量最大支持 4TB，读写速度达到 500MB/s。

SSD 发展历程

1956 年，IBM 公司发明了世界上第一块硬盘。

1968 年，IBM 重新提出“温彻斯特”（Winchester）技术可行性，奠定了硬盘发展方向。

1970 年，StorageTek 公司(Sun StorageTek)开发了第一个固态硬盘驱动器。

1984 年，东芝发明闪存。

1989 年，世界上第一款固态硬盘出现。

2006 年 3 月，三星率先发布一款 32GB 容量的固态硬盘笔记本电脑，

2007 年 1 月，SanDisk 发布 1.8 寸 32GB 固态硬盘产品，3 月又发布了 2.5 寸 32GB 型号。

2007 年 6 月，东芝推出了其第一款 120GB 固态硬盘笔记本电脑。

2008 年 9 月，忆正 MemoRight SSD 正式发布，标志着中国企业加速进军固态硬盘行业。

2009 年，SSD 井喷式发展，各大厂商蜂拥而来，存储虚拟化正式走入新阶段。

2010 年 2 月，镁光发布了全球首款 SATA 6Gbps 接口固态硬盘，突破了 SATAII 接口 300MB/s 的读写速度。

2010 年底，瑞耐斯 Renice 推出全球第一款高性能 mSATA 固态硬盘并获取专利权。

2012 年，苹果公司在笔记本电脑上应用容量为 512G 的固态硬盘。

2015 年 8 月 1 日，特科芯推出了首款 Type-C 接口的移动固态硬盘。该款 SSD 提供了最新的 Type-C 接口，支持 USB 接口双面插入。

2016 年 1 月 1 日，中国存储厂商特科芯发布了全球首款 Type-C 指纹加密 SSD。

2017 年，全球 SSD 出货量达 1.57 亿台，较 2016 年增长 20%。

2018 年，根据中国闪存市场统计，2018 年全球 SSD 出货量已突破 2 亿台大关，达到 2.05 亿台，相较于 2017 年增长 31%。

2019 年，今年 SSD 发展三大趋势，第一：96 层技术进场；第二：消费类 SSD 容量从 240GB/256GB 起跳；第三：各家 SSD 品牌厂将主打 PCIe SSD，并成为主角。