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被蘋果帶火的SiP技術(shù)，如何逆勢(shì)改變定律命運(yùn)时间：2019-07-04 【转载】
1.被蘋果帶火的SiP技術(shù)，如何逆勢(shì)改變定律命運(yùn)；
1.被蘋果帶火的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并沒有得到大范圍應(yīng)用。而在幾十年后的今天，SiP被蘋果帶“火”，設(shè)計(jì)、制造、材料、封裝、測(cè)試、系統(tǒng)廠商紛紛展開對(duì)SiP的追捧。這是為什么呢？ 集微網(wǎng)消息（文/小北）自從蘋果公開宣布在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布線密度難以提高、器件組裝難度日益加大等亟需解決的問題，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“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�，F(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售價(jià)格上漲近8%，導(dǎo)致銷售額成長(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、紅外線組件、雷射組件、光耦合器和以LED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這類半導(dǎo)體設(shè)備專用的聯(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2.5萬(wàn)臺(tái)打線機(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)問題，更關(guān)鍵的是成本下降的執(zhí)行面出問題。 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年開始，就已開始試行關(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，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，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)比過去成熟，但整體來(lái)說(shuō)，該公司目前的主力銷售產(chǎn)品仍是不帶機(jī)器手臂的純自動(dòng)導(dǎo)引車(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，這跟客戶生產(chǎn)線的自動(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，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)化的客戶并不多見。 如果要實(shí)現(xiàn)無(wú)人封裝產(chǎn)線，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)線后端的軟件平臺(tái)，例如派車系統(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，產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)很明顯，封裝業(yè)者對(duì)全自動(dòng)化解決方案的詢問度正在升溫，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、鍵盤等配件也能感測(cè)得到，讓AGV也具備繞過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。 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，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)線規(guī)畫、調(diào)試，也不是太大的問題。 真正困擾封裝業(yè)者的，其實(shí)是對(duì)智能制造的問題意識(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，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提出了智能打線機(jī)(Smart Wirebonder)的概念(圖5)， 希望讓打線機(jī)能夠更輕松地融入各家封測(cè)廠的智能制造發(fā)展路線規(guī)畫中。
圖5 智能打線機(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，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，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，過去PCI-SIG的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格寫作方式其實(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20年，太多新一代開發(fā)者根本沒接觸過PCI，要開發(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)存硬盤從傳統(tǒng)硬盤(HDD)崛起到固態(tài)硬盤(SSD)問世相距不過半世紀(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、 專注寫入或讀寫兼具的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IOPS(Input/Output Operations Per Second)和低延遲，適合選用讀寫兼具的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%之信賴區(qū)間，不同信賴水平線能保證數(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)大于過往的2D NAND，是故SSD處理讀寫指令時(shí)，3D NAND數(shù)據(jù)抹除時(shí)間過久易導(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)有效分配處理寫入SSD的數(shù)據(jù)，適當(dāng)?shù)蒯尫艑懭刖彌_器(Write Buffer)的空間，確定寫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)幾近占滿整個(gè)SSD儲(chǔ)存空間后，SSD會(huì)呈現(xiàn)持續(xù)性訪問速度(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)性訪問速度，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)寫入SSD時(shí)，寫入路徑相繼從主機(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)傳輸過程中，數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過控制芯片、高速緩存(Cache)而至NAND Flash。 倘若在數(shù)據(jù)傳輸過程間，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，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)寫入的Page完整寫完，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再開始運(yùn)作讀寫程序。
圖4 pFail電路設(shè)計(jì)概念 當(dāng)SSD讀寫過程中，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)訪問速度，BiCS3 SSD連續(xù)讀寫速度可達(dá)到3.2GB/3.0GB/s( 圖5)，隨機(jī)讀寫速度(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)也加深客戶滿意度。
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)) |
