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被蘋(píng)果帶火的SiP技術(shù)，如何逆勢(shì)改變定律命運(yùn)时间：2019-07-04 【转载】
1.被蘋(píng)果帶火的SiP技術(shù)，如何逆勢(shì)改變定律命運(yùn)；
1.被蘋(píng)果帶火的SiP技術(shù)，如何逆勢(shì)改變定律命運(yùn)；
摘要：早在上世紀(jì)美國(guó)就開(kāi)始率先進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)研究，但當(dāng)時(shí)SiP并沒(méi)有得到大范圍應(yīng)用。而在幾十年后的今天，SiP被蘋(píng)果帶“火”，設(shè)計(jì)、制造、材料、封裝、測(cè)試、系統(tǒng)廠商紛紛展開(kāi)對(duì)SiP的追捧。這是為什么呢？ 集微網(wǎng)消息（文/小北）自從蘋(píng)果公開(kāi)宣布在iWatch智能手表中采用SiP(系統(tǒng)級(jí)封裝)技術(shù)后，便一直是SiP技術(shù)最好的踐行者，iPhone X中SiP占比已高達(dá)38%。當(dāng)然，蘋(píng)果的“帶貨”能力也絕對(duì)是名不虛傳的，如今SiP已成為眾廠商追捧的“新星”。 在本月舉辦的“第二屆中國(guó)系統(tǒng)級(jí)封裝大會(huì)”上，不乏設(shè)計(jì)、制造、材料、封裝、測(cè)試、系統(tǒng)廠商參會(huì)，例如安靠、日月光、賀利氏、漢高電子、NI、芯禾科技、華為等，這標(biāo)志著SiP生態(tài)越來(lái)越完善。
其實(shí)，從誕生時(shí)間來(lái)看，SiP并非新星。早在上世紀(jì)美國(guó)就開(kāi)始率先進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)研究。SiP的前身是多芯片模塊MCM，MCM最初被開(kāi)發(fā)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，例如在1960~1970年的氣泡存儲(chǔ)器，以及特定的軍事/航空航天電子設(shè)備。由于當(dāng)時(shí)摩爾定律向前推進(jìn)很順暢，可輕松且便宜地將所有組件放在單一芯片上實(shí)現(xiàn)，因此SiP封裝方案并沒(méi)有得到大范圍采用。 如今，根據(jù)摩爾定律去提高芯片集成度正變得越來(lái)越困難，認(rèn)為“摩爾定律已死”的人越來(lái)越多。SiP已成為業(yè)界公認(rèn)的“超越摩爾定律”路徑的摩爾定律拯救者。SiP因摩爾定律被遺忘，又因摩爾定律被追捧。 SiP可以理解成微型的PCB。SiP從封裝的角度出發(fā)，通過(guò)并排、堆疊等形式將不同芯片組合在一起，并封裝在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)。用一個(gè)公式對(duì)SiP進(jìn)行描述即 SiP=SoC+DDR/eMMC +…… 眾所周知，PCB是不遵循摩爾定律的，面對(duì)PCB布線(xiàn)密度難以提高、器件組裝難度日益加大等亟需解決的問(wèn)題，與PCB有著相似設(shè)計(jì)思路SiP便成為高端PCB的“替代品”。目前，很多系統(tǒng)應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用SiP技術(shù)部分或者全部取代原有的PCB。 英特爾中國(guó)研究院宋繼強(qiáng)院長(zhǎng)曾表示，摩爾定律的經(jīng)濟(jì)效益將繼續(xù)存在。“CMOS縮放+3D工藝技術(shù)+新功能”就等于摩爾定律的未來(lái)。對(duì)于這種“混搭”的模式，英特爾通過(guò)“嵌入式多芯片互連橋接”（EMIB）封裝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)可以促進(jìn)多個(gè)裸片（Die）封裝之間的高速通信。 在第二屆中國(guó)系統(tǒng)級(jí)封裝大會(huì)上，華為硬件協(xié)同設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室首席架構(gòu)師吳伯平表達(dá)了宋繼強(qiáng)院長(zhǎng)的共同觀點(diǎn)。吳伯平表示，盡管封裝也在追趕摩爾定律的速度，但因?yàn)榉庋b有多樣性，封裝與摩爾的趨勢(shì)并非完全一致的。現(xiàn)在的一個(gè)趨勢(shì)就是把很多芯片（Die）封裝在一個(gè)大芯片內(nèi)，這種“組合”的方式是未來(lái)的大趨勢(shì)。 臺(tái)積電也通過(guò)先進(jìn)封裝上布局來(lái)以持續(xù)替摩爾定律延壽，例如SoIC先進(jìn)封裝技術(shù)。SoIC（System-on-Integrated-Chips）即系統(tǒng)整合單芯片，該技術(shù)預(yù)計(jì)在2021年進(jìn)行量產(chǎn)。 根據(jù)臺(tái)積電在之前技術(shù)論壇上的說(shuō)明，所謂SoIC是一種創(chuàng)新的多芯片堆棧技術(shù)，能對(duì)10nm以下的制程進(jìn)行晶圓級(jí)的接合技術(shù)。該技術(shù)沒(méi)有突起的鍵合結(jié)構(gòu)，因此有更佳的運(yùn)行性能。可以理解成晶圓對(duì)晶圓（Wafer-on-Wafer）的接合（Bonding）技術(shù)。 從概念來(lái)看，英特爾EMIB、臺(tái)積電SoIC似乎是SiP，但名字卻不同。 集微網(wǎng)記者在第二屆中國(guó)系統(tǒng)級(jí)封裝大會(huì)上采訪(fǎng)了多位業(yè)內(nèi)人士，他們一致表示，英特爾EMIB、臺(tái)積電SoIC都是SiP技術(shù)，未來(lái)會(huì)有更多的SiP技術(shù)新“名詞”出現(xiàn)，不同廠商會(huì)針對(duì)自身技術(shù)提出自己的SiP技術(shù)命名。對(duì)于不同廠商的SiP技術(shù)，其差別在于制程工藝。臺(tái)灣內(nèi)業(yè)人士向集微網(wǎng)記者表示，臺(tái)積電把封裝制程用半導(dǎo)體設(shè)備在做，其SiP技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于晶圓級(jí)封裝，技術(shù)成熟、良率高，這是其他廠商難以做到的。 至今國(guó)際上還沒(méi)有統(tǒng)一的SiP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這在一定程度上妨礙了SiP技術(shù)的推廣應(yīng)用。目前看，SiP已不僅僅是封裝廠商的狂歡，隨著產(chǎn)業(yè)鏈上下游廠商在SiP領(lǐng)域發(fā)力，軟件、IC、封裝、材料和設(shè)備等廠商之間的合作也會(huì)越來(lái)越密切，SiP也將在消費(fèi)電子、通信等多個(gè)領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。（校對(duì)/小如）
2.O-S-D組件2019年產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破90億美元；
隨著廣泛使用的功率晶體管和二極管的供應(yīng)吃緊推動(dòng)價(jià)格走揚(yáng)和新的光學(xué)成像應(yīng)用進(jìn)入更多系統(tǒng)，光電組件(Optoelectronics)、傳感器/致動(dòng)器(Sensors/Actuators)、離散組件(Discrete) 2018年總銷(xiāo)售額成長(zhǎng)11%，預(yù)計(jì)將連續(xù)第九年市場(chǎng)規(guī)模成長(zhǎng)。 根據(jù)研究機(jī)構(gòu)IC Insights的調(diào)查顯示，今年三個(gè)市場(chǎng)的總銷(xiāo)售額達(dá)到832億美元，預(yù)計(jì)2019年要再成長(zhǎng)9%，市場(chǎng)規(guī)模將再創(chuàng)下906億美元的歷史新高。 2017年，O-S-D營(yíng)收成長(zhǎng)11%，單位出貨量也成長(zhǎng)11%，但到2018年，總銷(xiāo)售額預(yù)計(jì)將成長(zhǎng)約11%，整體單位出貨量成長(zhǎng)9%，平均銷(xiāo)售額成長(zhǎng)今年三個(gè)區(qū)隔市場(chǎng)的產(chǎn)品價(jià)格(ASP)接近1.5%。 預(yù)計(jì)2018年功率晶體管、二極管和其他廣泛使用的零組件缺貨將使今年整體離散組件平均銷(xiāo)售價(jià)格上漲近8%，導(dǎo)致銷(xiāo)售額成長(zhǎng)12%，達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的276億美元。 預(yù)計(jì)2018年光電組件銷(xiāo)售額將成長(zhǎng)近11%，達(dá)到409億美元的歷史新高，今年單位出貨量成長(zhǎng)18%，但由于價(jià)格下降，預(yù)計(jì)該市場(chǎng)的平均售價(jià)將下降約6%。 影像傳感器、紅外線(xiàn)組件、雷射組件、光耦合器和以L(fǎng)ED為主的照明裝置。 由于光傳感器的需求急劇增加，光電組件銷(xiāo)售強(qiáng)勁，光傳感器用于智能手機(jī)和其他系統(tǒng)的顯示器自動(dòng)控制、心率監(jiān)測(cè)、接近檢測(cè)和色彩感應(yīng)。 光傳感器以及紅外線(xiàn)和雷射發(fā)射器也在新的3D深度感測(cè)系統(tǒng)和飛時(shí)測(cè)距(ToF)相機(jī)中得到強(qiáng)勁成長(zhǎng)動(dòng)能。新電子
3.半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)走向工業(yè)4.0 各廠進(jìn)展快慢不一；
由于產(chǎn)品特性的緣故，跟其他制造業(yè)相比，半導(dǎo)體制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化程度一直是名列前茅。 但從自動(dòng)化走向智能化，也就是從工業(yè)3.0走向工業(yè)4.0，實(shí)現(xiàn)數(shù)字轉(zhuǎn)型，則是另一個(gè)截然不同的故事。 對(duì)半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，由于業(yè)內(nèi)領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)想得夠遠(yuǎn)，加上產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)居中協(xié)調(diào)，早早就訂立了SECS/GEM這類(lèi)半導(dǎo)體設(shè)備專(zhuān)用的聯(lián)網(wǎng)通訊標(biāo)準(zhǔn)，因此工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)相關(guān)業(yè)者來(lái)說(shuō)，不僅不是新概念，更已經(jīng)與日常運(yùn)作緊密結(jié)合。 然而，機(jī)臺(tái)互聯(lián)只是落實(shí)智能制造的第一步，各廠商在智能制造上的布局進(jìn)展，在這條起跑線(xiàn)之后，就呈現(xiàn)天差地遠(yuǎn)的局面。 持續(xù)改善成本結(jié)構(gòu) 智能制造勢(shì)在必行據(jù)了解，智能制造進(jìn)展速度最快的臺(tái)積電，光是一條產(chǎn)在線(xiàn)平均就有7~8萬(wàn)個(gè)感測(cè)單元，讓臺(tái)積電的制造團(tuán)隊(duì)不只可以實(shí)時(shí)掌握生產(chǎn)線(xiàn)的一舉一動(dòng)，還有大量數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步分析各制程步驟的細(xì)部狀況，找出良率問(wèn)題的成因或產(chǎn)能瓶頸所在， 進(jìn)而謀求改善對(duì)策。 但對(duì)于其他晶圓代工廠，甚至是封測(cè)相關(guān)供應(yīng)鏈業(yè)者而言，智能制造的推展進(jìn)度就存在相當(dāng)大的落差。 日月光半導(dǎo)體總經(jīng)理暨執(zhí)行長(zhǎng)吳田玉(圖1)表示，推動(dòng)智能制造，甚至進(jìn)一步導(dǎo)入人工智能來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)校、找出生產(chǎn)瓶頸所在并予以克服，或進(jìn)行生產(chǎn)排程等，將是整個(gè)封測(cè)產(chǎn)業(yè)未來(lái)必然要走的路。
圖1 日月光半導(dǎo)體總經(jīng)理暨執(zhí)行長(zhǎng)吳田玉認(rèn)為，智能制造是半導(dǎo)體封裝產(chǎn)業(yè)未來(lái)必然要走的道路。 以日月光為例，目前該公司一共有超過(guò)2.5萬(wàn)臺(tái)打線(xiàn)機(jī)、9,000臺(tái)測(cè)試設(shè)備，只要有些許良率提升或生產(chǎn)成本撙節(jié)的效果出現(xiàn)，都能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且是留在自家口袋里的真金白銀。 因此，日月光對(duì)于推動(dòng)智能制造跟導(dǎo)入人工智能的態(tài)度一直相當(dāng)積極。 事實(shí)上，吳田玉認(rèn)為，近年來(lái)摩爾定律推進(jìn)速度越來(lái)越慢，不純?nèi)皇羌夹g(shù)問(wèn)題，更關(guān)鍵的是成本下降的執(zhí)行面出問(wèn)題。 先進(jìn)制程越來(lái)越昂貴，導(dǎo)致越來(lái)越多應(yīng)用芯片負(fù)擔(dān)不起，是拖累摩爾定律推進(jìn)速度的關(guān)鍵因素之一。 因此，如何降低制造成本，對(duì)半導(dǎo)體制造業(yè)者來(lái)說(shuō)，是十分重要的議題。 據(jù)了解，從2008年開(kāi)始，該公司就已經(jīng)啟動(dòng)工業(yè)4.0發(fā)展計(jì)劃，至今一共有400位系統(tǒng)工程師投入相關(guān)研發(fā)。 目前該公司在智能制造方面，共投入機(jī)械手臂、自動(dòng)搬運(yùn)、虛實(shí)整合、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及人工智能這六大領(lǐng)域。 并且從2014年開(kāi)始，就已開(kāi)始試行關(guān)燈工廠，并取得部分成果。 目前日月光已經(jīng)有3座關(guān)燈工廠，這些工廠除了巡邏員之外，沒(méi)有其他員工。 其實(shí)，對(duì)制造業(yè)而言，人一直是影響生產(chǎn)良率的一個(gè)重要因素。 除了人為作業(yè)疏失是所有制造業(yè)都會(huì)遇到的問(wèn)題外，對(duì)半導(dǎo)體晶圓制造、封裝等必須在無(wú)塵室進(jìn)行生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，人還是主要的污染源之一。 因此，在生產(chǎn)在線(xiàn)，如果能用機(jī)器取代人力作業(yè)，對(duì)生產(chǎn)效率、質(zhì)量的提升，會(huì)帶來(lái)相當(dāng)大的幫助。 由人機(jī)協(xié)作走向全自動(dòng)不過(guò)，目前全球封裝產(chǎn)業(yè)內(nèi)，能做到無(wú)人工廠的業(yè)者其實(shí)還非常稀少。 專(zhuān)攻晶圓搬運(yùn)應(yīng)用的賽思托機(jī)器人(Sesto Robotic)執(zhí)行長(zhǎng)梁漢清(圖2)就表示，雖然整體封裝產(chǎn)業(yè)的自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用確實(shí)比過(guò)去成熟，但整體來(lái)說(shuō)，該公司目前的主力銷(xiāo)售產(chǎn)品仍是不帶機(jī)器手臂的純自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)(AGV)， 而非帶有手臂的智能移動(dòng)機(jī)器人(IMR)。
圖2 賽思托機(jī)器人執(zhí)行長(zhǎng)梁漢清指出，目前封裝業(yè)者大多還停留在人機(jī)協(xié)作的階段，要做到全自動(dòng)化還需要一段時(shí)間。 梁漢清分析，這跟客戶(hù)生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)展有關(guān)，且事實(shí)上目前多數(shù)封裝業(yè)者的生產(chǎn)線(xiàn)，還是要靠作業(yè)員幫機(jī)臺(tái)進(jìn)行上下料作業(yè)，已經(jīng)達(dá)到全自動(dòng)化的客戶(hù)并不多見(jiàn)。 如果要實(shí)現(xiàn)無(wú)人封裝產(chǎn)線(xiàn)，則封裝機(jī)臺(tái)跟IMR之間的整合，大概需要1~3年的時(shí)間。 首先，封裝機(jī)臺(tái)本身必須能支持全自動(dòng)化作業(yè)，產(chǎn)線(xiàn)后端的軟件平臺(tái)，例如派車(chē)系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)等，會(huì)需要進(jìn)行調(diào)整跟升級(jí)；IMR跟機(jī)臺(tái)之間，也要有直接通訊的能力。 這也是該公司目前主力產(chǎn)品仍是AGV的原因，因?yàn)榘胱詣?dòng)化的作業(yè)流程，亦即AGV把晶圓搬到機(jī)臺(tái)前，再由作業(yè)員協(xié)助上下料，是比較容易實(shí)現(xiàn)的。 不過(guò)，產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)很明顯，封裝業(yè)者對(duì)全自動(dòng)化解決方案的詢(xún)問(wèn)度正在升溫，而這也是該公司選擇在本屆Semicon Taiwan展覽期間主打S200+七軸機(jī)器手臂方案(圖3)的原因。 該款整合了AGV跟七軸手臂的移動(dòng)機(jī)器人，可以在相當(dāng)狹小的空間內(nèi)作業(yè)，手臂荷重為20公斤。 AGV本身則搭載360機(jī)器視覺(jué)等多種感應(yīng)技術(shù)，不僅能偵測(cè)到平面上的工作人員或機(jī)臺(tái)，就連機(jī)臺(tái)上突出在外的屏幕、鍵盤(pán)等配件也能感測(cè)得到，讓AGV也具備繞過(guò)這些懸空障礙物的能力。
圖3 賽思托在本屆Semicon Taiwan期間展示的S200 AGV與七軸機(jī)器手臂整合方案。 事實(shí)上，為了適應(yīng)人機(jī)協(xié)作的需求，賽思托的AGV有許多安全防護(hù)機(jī)制，例如當(dāng)AGV偵測(cè)到附近有人員存在時(shí)，就會(huì)自動(dòng)減速；若發(fā)生碰撞，則是立刻停止。 至于手臂本身，雖然不是采用協(xié)作型手臂，但因?yàn)榫A盒、晶舟在取放時(shí)的速度本來(lái)就很慢，以免晶圓承受太大的加速度而破裂，因此該公司在評(píng)估之后認(rèn)為，采用協(xié)作型手臂的意義不大。 至于AGV本身，在移動(dòng)時(shí)會(huì)把加速度控制在晶圓可承受的范圍內(nèi)，以確保晶圓的安全。 而這也意味著AGV在有人環(huán)境下很難全速運(yùn)作，因?yàn)殡S時(shí)都可能要減速甚至緊急剎車(chē)。 梁漢清認(rèn)為，某方面來(lái)說(shuō)，這也是封裝業(yè)者為何要走向全自動(dòng)化的原因--在人機(jī)協(xié)作的環(huán)境里，移動(dòng)機(jī)器人通常無(wú)法將其效率完全發(fā)揮。 在無(wú)人產(chǎn)在線(xiàn)，移動(dòng)機(jī)器人才能發(fā)揮其真正的實(shí)力。 iNEMI標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展值得關(guān)注封裝設(shè)備大廠Kulicke& Soffa(K&S)則認(rèn)為，封裝產(chǎn)業(yè)如果要實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0或智能制造，最應(yīng)該優(yōu)先厘清的問(wèn)題其實(shí)不是怎么做，而是要做什么，為什么做。 K&S資深副總裁張贊彬(圖4)認(rèn)為，就技術(shù)層面來(lái)說(shuō)，透過(guò)機(jī)臺(tái)聯(lián)網(wǎng)來(lái)監(jiān)控生產(chǎn)參數(shù)、機(jī)臺(tái)健康狀況等，是相對(duì)很容易做到的；在虛擬環(huán)境進(jìn)行產(chǎn)線(xiàn)規(guī)畫(huà)、調(diào)試，也不是太大的問(wèn)題。 真正困擾封裝業(yè)者的，其實(shí)是對(duì)智能制造的問(wèn)題意識(shí)不夠清晰。 每家封裝業(yè)者擁有的資源、遭遇的挑戰(zhàn)跟企業(yè)文化都不一樣，因此每家公司營(yíng)運(yùn)上面臨的課題也不盡相同，封裝廠必須先厘清自己到底要解決哪些問(wèn)題，排定優(yōu)先次序，之后才能評(píng)估到底要導(dǎo)入什么技術(shù)方案來(lái)解決。 換言之，每家封裝業(yè)者的智能制造發(fā)展路線(xiàn)圖，都會(huì)是獨(dú)特的。
圖4 K&S資深副總裁張贊彬表示，對(duì)封測(cè)業(yè)者來(lái)說(shuō)，實(shí)踐智能制造最重要的關(guān)鍵在于厘清自己的真正需求。 不過(guò)，就設(shè)備供貨商的角度來(lái)觀察，確實(shí)有些共通的技術(shù)元素是所有封裝業(yè)者都需要的，因此K&S提出了智能打線(xiàn)機(jī)(Smart Wirebonder)的概念(圖5)， 希望讓打線(xiàn)機(jī)能夠更輕松地融入各家封測(cè)廠的智能制造發(fā)展路線(xiàn)規(guī)畫(huà)中。
圖5 智能打線(xiàn)機(jī)的功能特點(diǎn) 另一方面，封裝業(yè)者身居電子產(chǎn)業(yè)鏈的中段，前有晶圓生產(chǎn)，后有電子組裝。 因此，封裝業(yè)者的智能制造發(fā)展路線(xiàn)，要如何和整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)鏈的智能制造發(fā)展進(jìn)程銜接，也是每家封裝業(yè)者必須考慮的問(wèn)題。 事實(shí)上，目前電子業(yè)界已有一個(gè)匯集產(chǎn)業(yè)鏈上中下游，名為iNEMI的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，正試圖推動(dòng)整個(gè)電子產(chǎn)業(yè)朝向智能制造邁進(jìn)。 目前該聯(lián)盟有意利用IDM業(yè)者在馬來(lái)西亞所建立的封測(cè)基礎(chǔ)，在當(dāng)?shù)赝苿?dòng)OSAT的工業(yè)4.0示范案場(chǎng)，預(yù)計(jì)在2~3年之后就能看到成果。 根據(jù)iNEMI的規(guī)畫(huà)，要實(shí)現(xiàn)芯片到終端產(chǎn)品的智能制造，數(shù)據(jù)流(Data Flow)、資安與數(shù)字建構(gòu)要素(Digital Building Blocks)的對(duì)接，是最重要的環(huán)節(jié)(圖6)。 目前iNEMI正試圖集結(jié)產(chǎn)業(yè)鏈上下游之力，突破相關(guān)障礙。
圖6 iNEMI所提出的智能制造架構(gòu) 新電子
4.Gen4標(biāo)準(zhǔn)打地基 PCIe應(yīng)用更多元；
PCI Express(PCIe)將在2019年正式進(jìn)入Gen4與Gen5雙軌并行世代，新標(biāo)準(zhǔn)不僅提高傳輸速度，同時(shí)還增加了許多額外的規(guī)格要求，讓PCI Express有機(jī)會(huì)從PC/ 服務(wù)器主板相關(guān)應(yīng)用走向消費(fèi)性電子與汽車(chē)電子。 PCI-SIG副總裁Richard Solomon(圖)表示，從PCI Express Gen3推出至今，已經(jīng)有超過(guò)7年歷史。 這段期間內(nèi)許多新應(yīng)用出現(xiàn)，對(duì)接口帶寬有更高的需求，但PCIe新規(guī)格的制定速度卻相對(duì)遲緩，讓PCI-SIG最近幾年承受不小的壓力。 Gen4標(biāo)準(zhǔn)的制定速度之所以緩慢，其實(shí)跟PCI-SIG對(duì)PCIe未來(lái)發(fā)展方向的想法，以及從PCI時(shí)代一路遺留下來(lái)的包袱有關(guān)。 Solomon透露，過(guò)去PCI-SIG的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格寫(xiě)作方式其實(shí)有點(diǎn)像學(xué)術(shù)論文，很多繼承前一版規(guī)格的技術(shù)細(xì)節(jié)不會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)文件里面詳細(xì)描述，開(kāi)發(fā)者得自己去查閱先前的標(biāo)準(zhǔn)文件。 PCI-SIG決定利用PCIe Gen4做一次總整理，把所有技術(shù)細(xì)節(jié)一次說(shuō)清楚講明白。 因?yàn)镻CI標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)超過(guò)20年，太多新一代開(kāi)發(fā)者根本沒(méi)接觸過(guò)PCI，要開(kāi)發(fā)者回去研讀這些歷史文件，意義也不大。 但這也使得PCIe Gen4的文件工作變得異常龐雜。 另一方面，PCI-SIG也有意藉由PCIe Gen4開(kāi)拓新的應(yīng)用，因此在PCIe Gen4的規(guī)格上添加了很多新的功能，例如協(xié)議里增加了新的卷標(biāo)(Tag)，以滿(mǎn)足新的服務(wù)需求，并且對(duì)信道的訊號(hào)裕度(Lane Marginig) 有明確的規(guī)定，同時(shí)也強(qiáng)化了I/O的虛擬化能力。 這些新的規(guī)范，對(duì)于PCIe應(yīng)用在各種嵌入式設(shè)備，甚至智能型手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)，可帶來(lái)很大的幫助。 開(kāi)拓新應(yīng)用是PCIe標(biāo)準(zhǔn)未來(lái)發(fā)展的大方向，近期PCI-SIG跟SD協(xié)會(huì)達(dá)成合作協(xié)議，就是一個(gè)具體案例。 藉由雙方合作，智能型手機(jī)、平板計(jì)算機(jī)等應(yīng)用產(chǎn)品的儲(chǔ)存系統(tǒng)或外部記憶卡采用PCIe，將可望成為趨勢(shì)。 也因?yàn)镻CIe Gen4做好了打地基的工作，因此PCI-SIG可以在很短的時(shí)間內(nèi)推出速度更快的PCIe Gen5，因?yàn)镚en5基本上就是升速版的Gen4，其他變動(dòng)不大。 目前PCIe Gen5標(biāo)準(zhǔn)草案已經(jīng)進(jìn)展到0.7版，0.9版則預(yù)計(jì)在2018年底到2019年初會(huì)公布，屆時(shí)標(biāo)準(zhǔn)就可算是底定了，0.9版主要是針對(duì)硅智財(cái)(IP)授權(quán)的問(wèn)題做最后厘清，并確認(rèn)相關(guān)IP擁有者都愿意依照平等、 非歧視原則授權(quán)給其他開(kāi)發(fā)者。 因此，0.9版跟1.0正式版之間，通常不會(huì)有差別。 PCIe Gen5 1.0版預(yù)計(jì)在2019年第一季底到第二季初正式公布。新電子
5.3D NAND BiCS3新血注入 PCI-e SSD進(jìn)攻企業(yè)儲(chǔ)存市場(chǎng)
數(shù)據(jù)儲(chǔ)存裝置應(yīng)用更迭，其中占大宗應(yīng)用的儲(chǔ)存硬盤(pán)從傳統(tǒng)硬盤(pán)(HDD)崛起到固態(tài)硬盤(pán)(SSD)問(wèn)世相距不過(guò)半世紀(jì)，SSD就來(lái)勢(shì)洶涌地蠶食各種儲(chǔ)存應(yīng)用市場(chǎng)。 SSD之所以能日新又新表現(xiàn)卓越性能，除了NAND Flash讀寫(xiě)效能持續(xù)增進(jìn)外，SSD接口也因應(yīng)帶寬限制而不斷升級(jí)，依序推出PATA、SATA而至PCI-e等更高效能之接口，于是SSD一躍而成大眾消費(fèi)市場(chǎng)的寵兒。 當(dāng)各家SSD控制器供貨商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)屢屢推陳出新、技術(shù)愈臻成熟穩(wěn)定時(shí)，SSD也開(kāi)始跨足企業(yè)儲(chǔ)存市場(chǎng)。 迄今最新支持PCI-e接口的SSD應(yīng)用控制器足以支持PCI-e Gen3×4，傳輸帶寬近32Gbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越過(guò)去SATA3.0的6Gbps帶寬，預(yù)期PCI-e SSD需求會(huì)愈來(lái)愈高，甚至有機(jī)會(huì)取代SATA SSD， 也是時(shí)候順勢(shì)進(jìn)入企業(yè)儲(chǔ)存市場(chǎng)，因應(yīng)市場(chǎng)應(yīng)用隨之推出適合的PCI-e SSD。 企業(yè)儲(chǔ)存常見(jiàn)的三個(gè)應(yīng)用范疇分別是內(nèi)容傳遞(Content Delivery)、虛擬環(huán)境(Virtual Environments)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理(Database Management)，根據(jù)其市場(chǎng)而個(gè)別引進(jìn)強(qiáng)調(diào)讀取、 專(zhuān)注寫(xiě)入或讀寫(xiě)兼具的SSD(表1)。 借著內(nèi)容傳遞作為商業(yè)模式的市場(chǎng)如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、云端運(yùn)算和Metadata加速搜尋市場(chǎng)等，采用的SSD儲(chǔ)存裝置著重讀取速度和延遲(Latency)效能；虛擬環(huán)境下的虛擬平臺(tái)同時(shí)要求隨機(jī)讀寫(xiě)IOPS(Input/Output Operations Per Second)和低延遲，適合選用讀寫(xiě)兼具的SSD；至于數(shù)據(jù)庫(kù)管理如數(shù)據(jù)中心強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)記錄與備份，寫(xiě)入取勝的SSD更容易脫穎而出。
整體來(lái)說(shuō)，企業(yè)儲(chǔ)存市場(chǎng)對(duì)SSD儲(chǔ)存裝置之要求相對(duì)于消費(fèi)型市場(chǎng)更為嚴(yán)謹(jǐn)，除了速度考慮之外，其他像是儲(chǔ)存服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)、企業(yè)等級(jí)數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)和內(nèi)部傳輸端數(shù)據(jù)保護(hù)(End-to-End Data Protection)等規(guī)格，都是SSD控制器供貨商需要達(dá)到其標(biāo)準(zhǔn)才有機(jī)會(huì)角逐企業(yè)儲(chǔ)存市場(chǎng)的一席之地，這幾項(xiàng)規(guī)格也將在本文后續(xù)逐一探討其重要性。 儲(chǔ)存服務(wù)質(zhì)量穩(wěn)定 SSD儲(chǔ)存服務(wù)質(zhì)量意指SSD在特定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，能夠維持穩(wěn)定且一致的延遲時(shí)間(Latency)。 換言之，儲(chǔ)存服務(wù)質(zhì)量表示SSD處理數(shù)據(jù)指令時(shí)，從99%甚至到99.999%之信賴(lài)區(qū)間，不同信賴(lài)水平線(xiàn)能保證數(shù)據(jù)處理之回復(fù)時(shí)間(Response Time)，做為企業(yè)SSD儲(chǔ)存裝置評(píng)比之一。 然而，SSD采用的NAND Flash受其特性限制，往往在處理主機(jī)端(Host)數(shù)據(jù)時(shí)，也需要同步著手SSD內(nèi)部背景管理(Background Management)，諸如數(shù)據(jù)抹除(Erase)、碎片回收(Garbage Collection)、耗損平均技術(shù)(Wear Leveling)等，進(jìn)而遞延整個(gè)SSD處理時(shí)間，甚至有可能產(chǎn)生高延遲異常值(Latency Outlier)、速度驟降等問(wèn)題(圖1)。
圖1 高延遲異常示意圖 因此，為了維持儲(chǔ)存服務(wù)質(zhì)量之穩(wěn)定與一致性，避免發(fā)生速度驟降或強(qiáng)烈震蕩不穩(wěn)等問(wèn)題，SSD控制芯片需要優(yōu)化分配內(nèi)部資源與處理程序，以求有效降低處理后之回復(fù)時(shí)間。 常見(jiàn)的解決方式有三種，各是指令優(yōu)先處理設(shè)計(jì)(High Priority Queue)、擱置數(shù)據(jù)抹除程序(Erase Suspend)和平衡儲(chǔ)存服務(wù)質(zhì)量載量(QoS Load Balancing)。 指令優(yōu)先處理設(shè)計(jì)的概念在于SSD執(zhí)行內(nèi)部背景管理時(shí)，即使數(shù)據(jù)抹除、碎片回收或耗損平均技術(shù)等功能正在進(jìn)行中，SSD都會(huì)優(yōu)先處理主機(jī)下達(dá)之讀取指令，以免耽擱數(shù)據(jù)讀取時(shí)間。 擱置數(shù)據(jù)抹除程序設(shè)計(jì)原意是考慮3D NAND之?dāng)?shù)據(jù)抹除時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于過(guò)往的2D NAND，是故SSD處理讀寫(xiě)指令時(shí)，3D NAND數(shù)據(jù)抹除時(shí)間過(guò)久易導(dǎo)致高延遲異常值產(chǎn)生以及整體速度不一。 幸而SSD控制芯片也跟著與時(shí)俱進(jìn)推出擱置數(shù)據(jù)抹除程序，假使數(shù)據(jù)抹除程序正在執(zhí)行，SSD又須讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，SSD控制芯片便先把數(shù)據(jù)抹除程序分段并暫時(shí)擱置下來(lái)，改而優(yōu)先處理數(shù)據(jù)讀寫(xiě)指令，縮短指令延遲時(shí)間(Command Latency)，最后再把已擱置的數(shù)據(jù)抹除程序處理完畢。 平衡儲(chǔ)存服務(wù)質(zhì)量載量會(huì)有效分配處理寫(xiě)入SSD的數(shù)據(jù)，適當(dāng)?shù)蒯尫艑?xiě)入緩沖器(Write Buffer)的空間，確定寫(xiě)入緩沖器擁有足夠大的空間得以跟整個(gè)SSD帶寬相搭配，并表現(xiàn)SSD穩(wěn)定的延遲時(shí)間，謀求最佳儲(chǔ)存服務(wù)質(zhì)量。 SSD數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速度通常會(huì)依據(jù)數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和SSD內(nèi)部可用空間而影響整體速度表現(xiàn)。 以圖2而言，新碟SSD的FOB(Fresh-Out-of-BOX)性能表現(xiàn)會(huì)最佳，隨著使用時(shí)間一久，數(shù)據(jù)持續(xù)填塞SSD，速度會(huì)逐漸趨緩，最后數(shù)據(jù)幾近占滿(mǎn)整個(gè)SSD儲(chǔ)存空間后，SSD會(huì)呈現(xiàn)持續(xù)性訪(fǎng)問(wèn)速度(Sustain Performance)，其關(guān)乎到儲(chǔ)存服務(wù)質(zhì)量是否良好。 愈趨穩(wěn)定、速度擺蕩幅度愈小的持續(xù)性訪(fǎng)問(wèn)速度，意謂著儲(chǔ)存服務(wù)質(zhì)量愈佳，所以企業(yè)儲(chǔ)存市場(chǎng)不只是在乎持續(xù)存取效能與穩(wěn)定性，也關(guān)切儲(chǔ)存服務(wù)質(zhì)量保證之?dāng)?shù)據(jù)處理回復(fù)時(shí)間。
圖2 SSD持續(xù)存取效能對(duì)儲(chǔ)存服務(wù)質(zhì)量的重要性 內(nèi)部傳輸端數(shù)據(jù)保護(hù)有一套 傳輸端數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制(End-to-End Data Protection)會(huì)安排在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的各個(gè)傳輸端點(diǎn)都能執(zhí)行數(shù)據(jù)偵錯(cuò)，避免主機(jī)端存取到SSD錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)(如圖3)。 當(dāng)數(shù)據(jù)寫(xiě)入SSD時(shí)，寫(xiě)入路徑相繼從主機(jī)端進(jìn)入PCIe IP、數(shù)據(jù)緩沖器(Data Buffer)、Flash IP而至NAND Flash，數(shù)據(jù)讀取路徑則是反向從NAND Flash回到主機(jī)端， 讓數(shù)據(jù)讀寫(xiě)都能在各端點(diǎn)重重關(guān)卡下確認(rèn)數(shù)據(jù)正確性，甚至SSD控制芯片內(nèi)部之隨機(jī)存取內(nèi)存(RAM)能偵測(cè)錯(cuò)誤(Soft Error)外，亦有機(jī)會(huì)更正且避免錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)端。
圖3 SSD內(nèi)部傳輸端保護(hù)流程圖 LLAP保數(shù)據(jù)遺失風(fēng)險(xiǎn) 保護(hù)機(jī)制的全面性與完整性常是企業(yè)儲(chǔ)存市場(chǎng)注重的焦點(diǎn)之一。 一般而言，SSD內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過(guò)控制芯片、高速緩存(Cache)而至NAND Flash。 倘若在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程間，不小心發(fā)生非預(yù)期供電不穩(wěn)或不正常斷電，正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)卻尚未完整儲(chǔ)存在NAND Flash的話(huà)，數(shù)據(jù)遺失導(dǎo)致的后果難以想象。 為了消弭數(shù)據(jù)遺失風(fēng)險(xiǎn)，SSD控制芯片供貨商過(guò)往在韌體架構(gòu)上，針對(duì)數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制曾經(jīng)提出兩種簡(jiǎn)易作法。 因供電不穩(wěn)容易導(dǎo)致主機(jī)端和SSD儲(chǔ)存裝置鏈接的通訊橋梁(SATA/PCIe Link)先中斷，SSD控制芯片偵測(cè)到通訊橋梁(SATA/PCIe Link)中斷時(shí)，采取的簡(jiǎn)易作法有二，數(shù)據(jù)傳輸之主動(dòng)暫停模式(Link-Loss Auto Pause, LLAP)和數(shù)據(jù)傳輸之主動(dòng)沖刷模式(Link-Loss Auto Flush, LLAF)，預(yù)期能及早將數(shù)據(jù)遺失的風(fēng)險(xiǎn)降至最低。 數(shù)據(jù)傳輸之主動(dòng)暫停模式(Link-Loss Auto Pause, LLAP)意指SSD控制芯片偵測(cè)到主機(jī)端和SSD之間的接口通信鏈接中斷，同時(shí)數(shù)據(jù)仍在進(jìn)行傳輸，SSD控制芯片首要作業(yè)會(huì)改成把正在NAND Flash內(nèi)寫(xiě)入的Page完整寫(xiě)完，接著暫停后續(xù)之傳輸行為；至于數(shù)據(jù)傳輸之主動(dòng)沖刷模式(Link-Loss Auto Flush, LLAF)則是SSD控制芯片偵測(cè)到主機(jī)端和SSD之間的接口通信鏈接中斷，同時(shí)數(shù)據(jù)仍在進(jìn)行傳輸， SSD控制芯片會(huì)趁著有限電力盡可能地將快取(Cache)內(nèi)數(shù)據(jù)沖刷進(jìn)NAND Flash儲(chǔ)存。 百密終有一疏，這兩種作法不能百分之百保證數(shù)據(jù)儲(chǔ)存完整性，快取內(nèi)數(shù)據(jù)可能在有限電力下難以全部?jī)?chǔ)存到NAND Flash，最萬(wàn)無(wú)一失的防范方式，韌體仍然須要搭配電容而得的硬件設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存才能零風(fēng)險(xiǎn)。 現(xiàn)今硬件設(shè)計(jì)上較廣為人知的作法是透過(guò)硬件電容儲(chǔ)存電力，即使遇到電力突然中斷，SSD韌體就可以借著電容內(nèi)電力將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到NAND Flash。 最初設(shè)計(jì)SSD電路板時(shí)，就需要因應(yīng)非預(yù)期斷電之風(fēng)險(xiǎn)而選用合適的電容、pFail芯片和電感(圖4)。 整體設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)之后，在一般正常電力供電時(shí)，SSD內(nèi)部會(huì)先啟動(dòng)pFail芯片，通過(guò)電感而至電容充電完畢，再通知SSD控制芯片充電狀態(tài)是否完成，然后電力供應(yīng)整個(gè)SSD內(nèi)部系統(tǒng)，經(jīng)電源管理芯片(PMIC) 分歧出各式電壓供電給動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(DRAM)、NAND Flash和SSD控制芯片，SSD再開(kāi)始運(yùn)作讀寫(xiě)程序。
圖4 pFail電路設(shè)計(jì)概念 當(dāng)SSD讀寫(xiě)過(guò)程中，突然遭遇到不正常斷電時(shí)，最先偵測(cè)到供電端斷電的是pFail芯片，遂而通知SSD控制芯片停止接收主機(jī)端數(shù)據(jù)，再把快取數(shù)據(jù)寫(xiě)入NAND Flash儲(chǔ)存，同時(shí)電容也會(huì)提供自有電力供應(yīng)給SSD把數(shù)據(jù)儲(chǔ)存完畢， 如此一來(lái)就能確保SSD內(nèi)部數(shù)據(jù)完整性，數(shù)據(jù)也能獲得全面保護(hù)，免去數(shù)據(jù)遺失之風(fēng)險(xiǎn)。 正當(dāng)SSD儲(chǔ)存裝置從消費(fèi)性市場(chǎng)逐漸跨足企業(yè)儲(chǔ)存市場(chǎng)之時(shí)，SSD硬件和韌體搭配應(yīng)用成為數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制的重點(diǎn)，能否有此相關(guān)技術(shù)與資源的SSD控制芯片供貨商亦屈指可數(shù)。 近期便有廠商推出支持PCI-e Gen3×4的八信道(Channel)控制芯片，內(nèi)建雙核心CPU，資源分配更得心應(yīng)手，并且具備更勝一籌的LDPC錯(cuò)誤糾錯(cuò)能力，強(qiáng)化3D NAND可靠度。 搭載3D NAND BiCS3的SSD容量可達(dá)到8TB，該控制芯片所采用PCIe接口設(shè)計(jì)，傳輸帶寬遠(yuǎn)大于SATA3.0，系統(tǒng)延遲也大幅減少，并提升隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)速度，BiCS3 SSD連續(xù)讀寫(xiě)速度可達(dá)到3.2GB/3.0GB/s( 圖5)，隨機(jī)讀寫(xiě)速度(Input/Output Operations Per Second)達(dá)到600K/600K IOPS。 尤其在數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制上，PS5012除了韌體架構(gòu)有信心滿(mǎn)足企業(yè)儲(chǔ)存市場(chǎng)之需求外，亦加上硬件設(shè)計(jì)作雙重?cái)?shù)據(jù)保護(hù)，進(jìn)一步強(qiáng)化產(chǎn)品的同時(shí)也加深客戶(hù)滿(mǎn)意度。
圖5 控制芯片PS5012 SSD CrystalDiskMark速度表現(xiàn) (本文作者為群聯(lián)電子研發(fā)處長(zhǎng)) |
