智能化SSD帶來的芯片機會

隨着大數據和人工智能越來越成為當今社會的標準基礎設施，雲數據中心的硬件和芯片也在為了滿足大數據和人工智能的需求而不斷演進。大數據和人工智能的一個重要特點就是需要海量數據，這些數據或者由互聯網用户產生，或者由服務器經過分析而產生，而這些海量的數據在為大數據和人工智能提供核心支持的同時，也對數據的存儲提出了新的需求。

在傳統的存儲架構中，這些數據存儲在SSD中，而這些SSD則會安裝在特定的存儲服務器中。當服務器需要數據時，需要首先和存儲服務器通信，而存儲服務器再去從SSD中把數據讀取到內存中，CPU去做一系列底層的任務（如篩選，加解密等），完成數據從SSD的讀取或寫入到SSD。整個過程中，需要存儲服務器CPU處理大量這樣的底層任務，從而成為SSD讀寫的能量瓶頸，同時當需要大規模部署時，存儲服務器中的CPU也成為了成本中的一個重要部分。

為了解決這樣的存儲效率問題，計算存儲是一個重要的方向。使用計算存儲後，SSD硬件中將會通過集成計算和處理芯片來變得智能化，從而將大量重複的底層任務直接交給這些SSD集成的計算和處理芯片來完成，從而降低了對於存儲服務器中CPU的需求——存儲服務器中的CPU可以用來處理一些更加高層任務。在智能化SSD中，許多底層任務並不需要特別高端的CPU，因此通過集成較為基礎的CPU在SSD中可以降低存儲服務器中CPU的運算量；同時智能SSD中的許多底層任務甚至可以用固化的數字邏輯來實現，這樣來説就可以進一步增加運算和處理的效率，因為CPU對於這類專門任務的處理效率，尤其是能效比，往往很低。

計算存儲的構想提出已經有幾年，但是其真正成熟並進入主流需要整個存儲行業都能定義一個能廣泛應用的標準，從而確保不同公司的智能SSD存儲都可以有統一的接口。網絡存儲行業協會（Storage Networking Industry Association，SNIA）為此專門成立了一個計算存儲專門工作組，包括了58家成員公司（包括三星，鎂光，華為，浪潮等全球各地的存儲和系統廠商）。

今年八月底，在經過四年的討論工作後，SNIA計算存儲專門工作組公佈了第一版計算存儲架構和編程模型標準，這也就成為了智能化SSD的一個里程碑式事件，因為有了這個由業界主流企業共同完成的標準後，行業才能真正實現相應的軟硬件設計並且應用在主流產品中。

SSD智能化的技術路徑

隨着智能化SSD的概念逐漸為業界所接受並標準化，我們預計未來智能化SSD相關的產品也會越來越多，智能化存儲產品中對於相關處理芯片的需求也會逐漸增加。我們這裏分析一下目前已經公佈的智能化SSD產品所使用的相關芯片技術，並且預測未來的發展方向。

三星是智能化SSD投入最多的存儲巨頭之一。三星的相關產品是SmartSSD Computational Storage Device（CSD）。在三星的CSD系列產品中，集成在SSD中的處理芯片是FPGA。第一代CSD於2020年11月發佈，其中集成了Xilinx FPGA。而第二代CSD則在今年七月剛剛發佈，其中集成的處理芯片仍然來自於Xilinx（AMD），只是與時俱進更新成為了Versal Adaptive SoC（其中包括了FPGA以及ARM核）。根據三星的介紹，其第二代CSD產品可以在本地完成數據過濾，數據壓縮和格式轉換，從而可以將存儲服務器的能耗降低70%，改善存儲服務器的CPU負載高達97%。

三星使用的FPGA方案更注重靈活性，因為FPGA具有可編程性，因此對於用户的軟件接口和相關任務有較好的兼容性。根據三星的介紹，其第二代CSD上運行的主要是客户編寫的軟件和IP，因此使用FPGA來保證最大的靈活度和兼容性也在情理之中。

除了三星之外，初創公司ScaleFlux也發佈了其智能化SSD系列產品。去年十一月，ScaleFlux發佈了第三代智能化SSD產品CSD 3000。其技術方案與三星最大的不同在於使用了ASIC SoC方案而非FPGA方案。其SSD產品中集成的SoC包括了八核ARM，硬件加速引擎（包括數據壓縮，數據加密，數據匹配以及哈希算法的加速），以及閃存和PCIe接口控制。

比較使用FPGA和使用SoC的兩種技術方案，FPGA技術方案靈活度高，在出貨量低的時候NRE成本較低，但是在大批量出貨後成本可能會成為其瓶頸；而SoC則正相反，靈活度不如FPGA，NRE成本很高，但是大批量出貨後成本會具有優勢。我們認為，隨着智能SSD逐漸為主流認可，一方面相關的標準會慢慢固定下來，另一方面出貨量會逐漸變大，因此SoC方案在未來更具有吸引力。但是，FPGA方案並非一無是處，我們認為不同的客户會對於其SSD產品的計算和軟件具有定製化的需求。在這一方面，我們認為最終的SoC產品也會需要有一定的可編程和課配置能力，從而能滿足客户在定製化方面的需求。

計算存儲的競爭格局與未來市場

隨着大數據和人工智能的繼續演進，我們認為智能化SSD和計算存儲也將會繼續得到更多應用。如前所述，目前對於計算存儲投入最大的廠商包括傳統存儲巨頭（如三星）和初創公司（如ScaleFlux）等，而未來勢必會有更多的公司投入這個市場。

就競爭格局來説，三星是目前主流存儲公司裏面對於計算類存儲投入最大的，目前已經有產品出貨，未來可望也能積累最多的相關經驗，獲得領跑地位。其他主流廠商目前處於研發狀態，例如SK-Hynix今年早些時候和美國的洛斯阿拉莫斯國家實驗室聯合研發了一款用於加速數據檢索的CSD，這是研發的一個里程碑但是尚未處於出貨狀態。當然，由於產品研發總體而言屬於早期階段，初創公司也有機會能獲得市場份額。

對於中國公司來説，智能SSD是一個很好的機會。目前產品的門檻還不是很高，主要需要的是對於大數據任務的理解以及對於SoC設計的經驗。中國有全球最大的大數據產業和相關的互聯網公司大客户，同時在相關SoC設計方面中國的公司經驗並不弱，因此我們認為這個領域在進入主流之後，我們也預期會看到中國公司在市場上的身影。

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