2024年数字存储与内存展望（二）：闪存、DRAM、NVMe、NVMe-oF、CXL、计算型存储
NAND闪存需求在2023年下降，导致价格下跌，供应商减少产量以控制成本。 预测2023年第四季度结束后NAND闪存价格可能上涨5%。 新技术，如SK海力士的321层3D NAND，预计在2025年上半年进行大规模生产。 QLC NAND闪存有望逐渐取代HDD在二级存储中的需求，尤其在数据中心领域。
DDR5 DRAM价格可能在2023年第四季度上涨3-8%。 预计DRAM设备销售将保持稳定增长，2025年有望额外增长20%。 技术迁移和对高带宽内存（HBM）的需求支持下，DRAM设备预计在2025年增长。
NVMe是当前主流的闪存接口。 NVMe-oF（基于以太网的网络）在数据中心的应用逐渐普及，用于构建可在CPU和服务器之间共享的固态存储池。
CXL提供了用于不同类型、成本和性能的内存的交换网络。 CXL 3.0技术使得可以在CPU之间创建共享的内存池，有望推动内存领域的集中与共享。 一些支持CXL的内存汇聚产品已经宣布问世，2024年有望正式出货。
企业级SSD收入在2023年第三季度增长了4.2%，预计在第四季度将增长20%。 2024年以后，存储需求预计将增长，推动新资本支出。 一些公司（如Pure Storage）预测QLC NAND闪存将逐渐取代HDD在二级存储中的需求。
新兴非易失性内存技术（如MRAM、RRAM）在嵌入式应用领域迅速发展，被用于替代NOR闪存和SRAM。 嵌入式和独立非易失性内存技术的预计增长将在2033年达到约590亿美元的收入。 2024年市场需求预计反弹，满足不断增长的存储需求，包括NAND、DRAM、CXL以及各种新兴内存技术。
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这是我们关于数字存储与内存展望的三篇博客中的第二篇。首篇主要关注磁记录（机械硬盘和磁带）的最新发展和预测。而这篇博客则专注于各类固态非易失性内存和存储。我们将深入探讨闪存、DRAM、NVMe、NVMe-oF，以及计算型存储和CXL等最新进展，并探讨这些如何改变我们进行计算的方式。
截至2023年底，消费者、客户端以及服务器应用对于各类存储和内存技术的需求已经持续下滑约一年半的时间。这一趋势主要归因于新冠疫情的终结、消费需求的降低以及供应链的恢复正常。特别是众多存储客户和数据中心面临着庞大的存储产品库存积压。鉴于此，NAND闪存和机械硬盘供应商纷纷减少了生产量，并普遍进行规模缩减以控制成本开支。
NAND闪存需求的下滑导致了2023年大部分时间内价格的显著下跌，使得NAND闪存基本上是以生产成本销售。因此，三星在9月份削减了其NAND闪存产量的一半，其它闪存制造商也采取了类似的生产削减措施。此外，NAND闪存公司还表示，他们将生产重点转向了低于128层的闪存产品。
据TrendForce预测，这些对单元和容量生产的削减将在2023年第四季度结束NAND闪存价格的侵蚀，并可能导致每GB价格上涨5%。分析公司最近表示，企业级SSD收入在2023年第三季度增长了4.2%，预计在第四季度将增长20%。此外，TrendForce还预测，DDR5 DRAM价格可能在2023年第四季度上涨3-8%。而WDC最近表示，NAND闪存价格在未来几个季度可能上涨55%。这些迹象表明，固态存储市场正在趋于稳定，并有望在2024年实现强劲增长。
在2024年及以后，有许多因素推动存储需求增长，这将进一步激发对存储设备的需求，并有望推动未来的新资本支出。据Semi报告显示，2023年与内存相关的资本支出大幅下滑。尽管预计NAND设备销售额在2023年将下降49%，降至88亿美元，但预计这一支出将在2024年激增21%，达到107亿美元，并在2025年再次上升51%，达到162亿美元。这表明市场对2024年开始的需求增长有乐观的预期。
DRAM设备销售预计将保持稳定增长，2023年和2024年分别增长1%和3%。在持续的技术迁移和对高带宽内存（HBM）不断增长的需求的支持下，DRAM设备部分销售预计将在2025年额外增长20%，达到155亿美元。
NAND闪存是数据中心和企业级应用中的主要存储形式（用于存储活跃运行数据），通常是智能手机和大多数个人电脑等消费设备中唯一使用的存储介质。在较大的设施中，活跃数据通常存储在SSD上，而较冷的数据则存储在机械硬盘（HDD）和磁带上。
然而，有些公司，如Pure Storage，预测QLC NAND闪存将凭借其更低的价格和更出色的耐久性，逐渐取代HDD在二级存储中的需求。在数据中心领域，这种替代是否会在较大程度上发生，将取决于HAMR HDD能否成功降低HDD存储的成本，从而继续保持在存储较冷数据方面的优势。
在2023年的Flash Memory Summit上，SK海力士宣布已成功研发出321层3D NAND闪存（即他们的4D闪存），但表示要到2025年上半年才会进行大规模生产。他们解释称，这一目标的实现得益于减少了材料中的应力、采用了多重覆盖对准修正技术以及更具成本效益的制造工艺。这一推迟的推出计划符合闪存公司减缓推出更高密度内存产品的趋势，以等待NAND闪存市场的复苏。
SK海力士透露，他们已于2023年3月开始大规模生产面向移动设备的238层NAND产品。此外，他们还正在研发一种面向AI工作负载的增强型键值计算型存储设备，并向AI应用提供处理内存（PIM，Processing In Memory）产品的样品。
铠侠（Kioxia）、西部数据等NAND闪存供应商正在转向将独立的逻辑和内存晶圆进行键合，而不是在同一晶圆上制造它们。这种方法不仅提高了内存密度，还使得逻辑和闪存组件能够独立开发。事实上，这一方法早在几年前就被中国的闪存公司YMTC率先采用。
NVMe目前是主流的闪存接口，而NVMe-oF（基于以太网的网络）在数据中心的应用正逐渐普及。NVMe-oF被用于构建可在CPU和服务器之间共享的固态存储池。
这种存储的集中与共享被称为“解耦”（将服务器的各个部分解耦成共享资源池）。软件可以利用这一特性来创建可支持虚拟设备或容器的可组合基础设施，这些基础设施可以根据需求进行创建或销毁。这种集中与可组合性也在向内存领域延伸，借助Compute Express Link（CXL）互连技术来实现。
CXL提供了一个用于不同类型、成本和性能的内存的交换网络。CXL 3.0技术的推出，使得可以在CPU之间创建共享的内存池。在2023年，已经有一些支持CXL的内存汇聚产品宣布问世，我们预计在2024年会有一些包含这些先进技术的产品正式出货。
Marvell、Microchip、Phision等控制器公司正在其控制器中支持CXL（以及NVMe），以实现包括内存汇聚和存储汇聚在内的完整数据中心可组合性。
在2023年，将NAND闪存作为CXL内存系统一部分的议题备受关注。这一趋势部分源于对更便宜、能支持DRAM的内存的需求，自傲腾（Optane）内存开发结束后尤为明显。SK hynix在2023年的FMS上透露，他们正在研发两种类型的CXL内存模块：一种专注于带宽内存扩展（BME，Bandwidth Memory Expansion），另一种则专注于容量内存扩展（CME，Capacity Memory Expansion），同时还致力于计算内存解决方案（CMS，Computational Memory Solutions）的研发。以下幻灯片将为您详细介绍BME、CME和CMS内存模块设备。
除了SK hynix之外，其它主要的NAND闪存厂商如三星也推出了基于CXL的NAND闪存产品。此外，还有控制器厂商如Microchip以及独立的SSD公司如Fadu等也在这一领域有所布局。Kioxia认为，利用闪存实现更高的CXL存储密度可以减少数据传输，从而提高应用程序（如AI）的处理效率。他们计划将BiCS闪存用于读密集型的CXL应用，而将XL-Flash（具有单层单元）用于随机读/写的内存扩展。三星则推广其CXL语义内存SSD在AI系统中的应用，具体如下图所示。
Kioxia还提到了他们计划在SSD中加入更多智能功能，企业级SSD将配备更强大的SoC，通过其第五代PCI产品实现RAID功能的卸载，从而减轻CPU的负担。他们还探讨了将闪存存储用于私有AI模型的可能性。
而三星则介绍了他们专为分区控制汽车应用设计的SSD。此外，三星还宣布了专为生成式AI应用设计的高性能SSD。该公司展示了专为构建PB级固态存储解决方案而设计的256TB SSD，这无疑是一个巨大的突破。
除了2023年FMS上的发展外，2023年IEDM大会上也有相关的新进展。例如，美光提出了一种创新的修复方法，利用NOR闪存上的热量来修复磨损。他们打算在芯片的特定区域应用这种方法，因为用于刷新的加热元件会占用一定的实际空间。此外，美光还发表了一篇关于3D NOR和预计在2024年推出的4Gb芯片的论文。
在WDC的FMS演讲中，探讨了提升闪存密度的多种因素及其对密度改进的作用（如下图所示）。相较于过去，垂直缩放（即层数增加）在今天对密度提升的贡献有所减小，因为层数越多，工艺时间也就越长。相对而言，横向缩放（即内存孔密度）可能会对密度提升产生最大的影响，其次是逻辑密度（即每个单元的位数）的提升。此外，架构变化也是提升内存密度的一种有效手段，例如将逻辑和内存晶圆进行键合。
尽管英特尔的傲腾（Optane）内存已在2022年开始逐渐减少，但各种其它非易失性内存技术正在嵌入式应用领域迅速发展。这些技术最初被用于替代NOR闪存进行代码存储以及某些SRAM用于缓存存储。这些技术包括磁性随机访问存储器（MRAM）和各种电阻式RAM（RRAM）技术。台积电、三星和其它晶圆厂已经为可穿戴设备和汽车应用生产了各种嵌入式设备。此外，随着芯片技术的日益普及以及新的通用芯粒互连技术（UCIe，Universal Chiplet Interconnect express）接口的推出，这可能会推动离散内存芯片的需求，包括DRAM以及新兴的内存技术。
如下图所示，根据Coughlin Associates和Objective Analysis的《Emerging Memories Branch Out》报告，嵌入式和独立非易失性内存技术（以MRAM为代表）的迅猛增长预计将在2033年推动达到约590亿美元的收入。
在2023年的IEEE MRAM Forum上，可以看出嵌入式内存应用正在推动新兴内存技术的进步和应用。特别是像三星这样的晶圆制造巨头正在研发MRAM内存产品，以推动下一代汽车应用的实现。这为未来几年14纳米甚至5纳米产品的研发注入了动力。
尽管2023年以需求下滑告终，这是各类存储和内存技术连续第二年需求下降，但我们预计2024年市场需求将出现反弹，以满足不断增长的存储需求，并从包括NAND、DRAM、CXL以及各种新兴内存技术在内的最新科技中获得收益。
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