2023年存储技术与应用趋势

来源:电子发烧友网发布时间:2023-01-221446浏览

电子发烧友网报道（文/黄晶晶）存储产业在2022年经历了市场行情下跌、价格下滑、原厂缩减资本支出等形势。不过数据中心、汽车、工业等需求仍然坚挺。市场波动并不会改变存储技术创新的大方向。我们看到3D NAND Flash 200层+、UFS4.0、DDR5、PCIE5.0、存算一体、DNA存储等技术形态持续演进，推动2023年存储产业向前发展。

3D NAND Flash突破200层+

2022年下半年，闪存正式进入200+时代。
3D NAND使用多层垂直堆叠技术，拥有更大容量、更低功耗、更优耐用性以及更低成本的优势。最早是三星电子在2013年率先开发出可以商业化应用的24层 3D NAND，在2020年 3DNAND高端先进制程进入176层阶段。
2022年7月，美光发布232层TLC 3D NAND，当年底量产。据悉，该芯片拥有每秒2.4GB的I/O速度，同时还实现14.6Gb/mm2的TLC存储密度。这也使得其存储容量达到了1TB，封装后可达2TB，还可以通过堆叠获得更高容量。
同时，三星、西部数据和铠侠都在准备200层以上3D NAND量产。

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UFS4.0进入中高端智能手机

2022年8月，JEDEC 固态技术协会正式发布UFS 4.0协议。UFS 4.0专为移动应用程序和计算系统开发，可满足高性能和低功耗的需求，在较早版本的标准上引入了显著的带宽和数据保护改进，带来更高的带宽、更低的功耗、更全面的安全性。UFS 4.0 利用 M-PHY 5.0 规范和 UniPro 2.0 规范，最终使得 UFS 接口带宽翻倍，顺序读写速度可达4200MB/s和2800MB/s。UFS4.0能够提供每通道带宽速度增至23.2Gbps，是UFS 3.1的两倍，能效提升46%。
三星于2022年5月宣布开发出业内首款UFS 4.0存储产品，8月宣布UFS 4.0闪存投入量产。UFS 4.0会率先用于旗舰级智能手机上，满足处理高分辨率图像、重负载游戏时更高的数据吞吐速度需求。未来，UFS 4.0还会在更多移动设备、AR、VR设备上普及。据铠侠官方消息，旗下UFS 4.0 闪存已在国内率先批量交付，将成为新一代旗舰机型的标配。
中高端智能机正式进入USF4.0时代。2022年11月以来，vivo X90系列、iQOO11系列，以及小米13系列都确认搭载UFS4.0闪存。

DDR5逐渐成为主流

2020年7月，JEDEC 固态技术协会正式发布下一个主流存储器标准DDR5 SDRAM的最终规范，这标志着存储器开发进入了一个新的里程碑时代。DDR5与DDR4相比带宽提高36%，目前DDR4带宽25.6GB/s，DDR5带宽为32GB/s；DDR5的工作频率最低高达4800MHz以上，最高频率达到6400MHz。DDR4分别为1600MHz和3200MHz；最新的DDR5可支持单一芯片容量64GB，最高容量上限可增加到128GB，较DDR4提高了四倍。
自2021年10月英特尔第十二代Alder Lake处理器支持DDR5标准，2022年DDR5开始应用于服务器市场。2022年 1月和8月，AMD发布的锐龙6000和7000也都支持DDR5。锐龙7000系列处理器全面支持DDR5，且不再支持DDR4内存。随后，英特尔发布Raptor Lake、AMD第四代EPYC (霄龙)服务器 Genoa CPU以及英特尔1月初发布的第四代至强可扩展处理器(代号 Sapphire Rapids)，都支持DDR5内存。
DDR内存应用需要CPU和内存接口芯片的配合。随着越来越多主流CPU厂商的新品支持DDR5内存，DDR5的市场渗透率将持续提升。
Yole预测，2023年手机、笔记本电脑和PC等主流市场开始广泛采用DDR5，2023年DDR5内存出货量将超过DDR4，2026年DDR5内存市占将达到90%。
另外用于内存扩展的CXL开放互连技术，基于PCIe物理层，CXL能够在CPU和工作负载加速器(如GPU、FPGA和网络)之间创建高速、低延迟的互连性，使设备之间实现内存一致性，允许资源共享。支持CXL1.1版本的内存扩展器将随着CPU的支持在今年进入市场。最新进展方面，去年8月CXL 3.0协议规范发布，基于PCIe 6.0标准，进一步扩展架构与数据管理能力。

PCIe 5.0在服务器端应用

PCIe5.0标准在2019年5月就已经发布，但是直到2022年PCIe 5.0还未大规模进入商用进程。PCIe 5.0 标准每通道GB/s的传输速度为8GB/s。PCIe 5.0速度是PCIe 4.0的两倍。高带宽和低延迟的特性尤其适合应用于人工智能/机器学习(AI/ML)、数据中心、边缘、5G基础设施和图形计算等领域。
2021年底英特尔发布的12代酷睿平台支持PCIe 5.0，2022年下半年后相继发布的AMD锐龙7000系列处理器、英特尔13代酷睿、AMD第四代EPYC (霄龙)服务器 Genoa CPU、英特尔第四代至强可扩展处理器(代号 Sapphire Rapids)均支持PCIe 5.0。
随着处理器平台相继对PCIe 5.0的支持，明年将看到搭载PCIe 5.0 SSD的服务器进入市场。2023年PCIe5.0在服务器市场的应用会逐渐起量。
2023年初在AMD PCIe 5.0生态中的不少存储厂商发布了PCIe 5.0 SSD。受限于价格、能耗等因素消费端会比服务器应用的导入时间慢一到两年，PC导入PCIe 5.0应用会在2025年左右。
另外，目前显卡还不支持PCIe 5.0，消息称英伟达和AMD将在2023年发布的中端型号上引入PCIe 5.0支持。
2022年1月PCI-SIG 组织正式发布PCIe 6.0 标准，也是该技术诞生以来变化最大的一次。与PCIe 5.0相比带宽再次翻倍，达到了64 GT/s。PCIe 6.0×16 通道的带宽达到了256 GB / s，并且延迟相比上一代更低。这一技术将持续为高性能计算、数据中心、人工智能、物联网、汽车等带来连接的飞跃。

存储厂商纷纷投入存算一体研发

传统的冯诺伊曼架构计算单元与内存是两个分离的单元，数据需在两者之间来回搬运。不仅通道狭窄而且功耗大。为了打破“存储墙”的限制，存算一体芯片应运而生。
存算一体技术是直接在存储器中进行数据处理和计算，将存储和计算放在一颗芯片当中，减少数据频繁的移动。它的出现更加适用于云端、自动驾驶、数据中心等大算力场景。可用于存算一体的存储器有NOR FLASH、NAND Flash、SRAM、RRAM、MRAM、DRAM等。
国内存算一体芯片厂商包括Mythic、知存科技、千芯科技、后摩智能、苹心科技、亿铸科技、智芯科、九天睿芯、闪易半导体、恒烁半导体、至讯创新等。其中例如Mythic、知存科技、闪易半导体以Flash为存储介质，存算一体芯片已量产，主要应用于可穿戴等小算力、低功耗场景。亿铸科技以RRAM为存储介质，其存算一体芯片计划 2023年Q3量产商用。如今，存储芯片和主控芯片厂商都或多或少对存算一体芯片进行研发投入。

DNA新型存储

2021年在我国“十四五”规划中明确提出“加快布局量子计算、量子通信、神经芯片、DNA存储等前沿技术，加强信息科学与生命科学、材料等基础学科的交叉创新”。
DNA存储技术利用人工合成的脱氧核糖核酸（DNA）作为存储介质，具有高效、存储量大、存储时间长、易获取且免维护的优点。DNA分子是一种密集存储介质，1克DNA能够存储大约2拍字节，相当于大约300万张CD。用DNA存储数据保存时间可能长达数千年。
2016年微软宣布购买1000万条DNA用于研究数据存储。2019年，华为宣布成立战略研究院，表示主要研发前沿技术，比如光计算、DNA存储及原子制造。
国内外众多高校和科研机构都纷纷投入DNA存储研发。2022年9月天津大学合成生物学团队创新DNA存储算法，将十幅精选敦煌壁画存入DNA中，通过加速老化实验验证壁画信息在实验室常温下可保存千年，在9.4℃下可保存两万年。
作为一项新型的存储技术，DNA存储比较适合冷数据的存储，也就是无需经常访问和调用的数据。目前在军用存储方面有一些应用，但DNA存储在存储成本和效率方面还存在难题，真正商用化还需要时间。