中国必须建设自主存储的原因

发表时间：2017-05-24

“物联网”是指连接到互联网的传感器，通过开放的专用连接、自由共享数据和允许非预期应用程序，以互联网的方式行事，因此电脑可以了解周围的世界，成为类似人类的神经系统 ”凯文·阿什顿说（这个术语的发明者）。
　　在我们的上一篇文章中，我们考虑了IoT的潜力——也被称为“一切互联网” ——在接下来的十年中，将推动NAND销售，从而使Micron（纳斯达克股票代码：MU）的利润得以增加。 本文将对体系架构及其与内存和存储的交集做出更详细地介绍。
　　存储技术的含义是什么？
　　IBM Research Almaden的研究总监Jeffrey Welser最近发表了一篇题为“未来计算”的演讲，强调了物联网（以下称IoT）在创造数据爆炸边缘的重要性。我鼓励大家去听YouTube视频，下面给出了他所概述的一些要点，所有这些都与NAND（和其他形式的NVM）相关：
　　“过去十年收集到的数据中有90％没有被捕获或分析——我们只是把它丢掉了。”[...]“我们创造数据的速度是创造带宽的两倍。[...]即使我们希望我们无法将数据移动到云端。”“60%的有价值的传感器数据在毫秒内失去价值[...]”“（...在2017年是历史上第一次） 我们在全球手机中的存储量和计算能力都超出了数据中心的存储量。”
　　鉴于这些趋势，Welser的结论是，计算的挑战是将计算转移到数据上，因为规模和延迟限制将使其无法做任何事情。如果他是对的，存储技术的含义是什么？他不会花时间在他的演讲上，但也许我们可以花点时间来探讨一下。
　　上述Welser概述的第一个也是最明显的趋势是，NAND对解决方案空间至关重要。spinning rust不适合这种情况。它根本无法处理生成大量机器数据的环境的延迟要求。这是否意味着NAND必然唯一的选择？不，当然不是。NAND的批评者正确地指出，NAND并不是实时环境的好选择。他们肯定是正确的。写入NAND器件比读取它要慢得多。最重要的是，由于媒介的制约，写入速度是非确定性的，而且权利级别也不高。这使得NAND不太适用于实时传感器环境，在这种环境下，系统性能对于输入的响应必须被精确地执行，并且满足功率预算的严格配给。
　　目前市场上的一个竞争对手，例如，Everspin Technologies（纳斯达克股票代码：MRAM），正在将其MRAM产品出售给实时嵌入式应用。IoT传感器设备无疑将包含最适合其功能的各种类型的内存。 但是这些边缘传感器产生的海量数据是多少？这就是引入NAND的入口。重要的是，虽然NAND并不是完美的存储，但由于其低成本和密度优势，因此NAND仍然是速度（bits）和经济（dollars）的主力。事实上，支持IoT的新型持久存储器计算架构将在整个解决方案领域包括各种各样的内存类型，包括3D XPoint，MRAM，ReRAM等。
　　IoT背景下，NAND的应用
　　那么，在新兴的IoT架构中，NAND将会有哪些特别的应用？下面这个图片给了我们很好的启示：




　　(Source: Hewlett Packard Enterprise, LLC)（资料来源：Hewlett Packard Enterprise，LLC）


　　NAND将填充阶段2和3，其中需要密集、相对低功耗和廉价的内存来处理、收集、归档和分析传感器数据。考虑一下，飞机管理系统的情况和连接到发动机和机身的无数传感器。数据流可能是巨大的——GB /秒要求在工业环境中并不罕见——第二阶段的网关和数据采集系统必须能够收集这些数据并对其进行预处理。如果考虑到与整个机身相结合的引擎输入，在这样一个环境中，甚至一小时数据可以聚合成PB级的存储空间。
　　而且这只是一个中等规模的例子。事实上，很难把握正在进行某些大型项目的规模。最大的可能是平方公里阵列，它基本上是在这十年的最后阶段所建造的一个软件定义的望远镜。它在南非和澳大利亚建成，预计将在2021年开始服务。预计在第一阶段，望远镜每秒将产生大约160 TB的原始数据，需要通过exascale类的超级计算机进行存储和分析。这相当于超过10 Exabytes（EB）/天的数据，所有数据都需要处理和分发。在2028年全面建成后，每天生成的数据量预计为200 EB。大规模本地存储将是体系架构的基本要求。显而易见的是，任何能够处理此数据流的计算架构必须将重要的计算和存储能力集中在边缘。
　　针对上面提到的例子，我们花点时间来探讨一下推动边缘计算的实际问题。还记得上面IBMer的声明——数据的增长速度是带宽的两倍吗？ 那么在2020年，SKA将产生的10个eb中的一个有多大呢？（1 EB为10亿TB）
　　这里有一个简单的方法来看待移动这么多数据的问题。假设我们想通过1 Gbps链路发送1000 TB的数据。这将需要80天以上。我们距离Exabyte还有很长的路要走，所以让我们将数据增加到10,000 TB，将网络的数据传输提升到10Gbps的链路。这将需要三个月，毫无疑问，你将看到这是怎么回事。任何一种集中的云架构都无法满足边缘上所有最平凡的数据传输要求。5G是否能拯救我们？很抱歉，并不能——目前的规格是5G上传带宽，每个移动基站达到10Gbps，总共带宽将与潜在的100万个连接设备共享。计算和分析必须走向边缘，这意味着网关和分析服务器将不得不适应需要分析和减少的大量数据。
　　这一结论反映在当前关于万维网在带宽和数据流量方面的物理限制的研究中。Cisco目前估计，到2020年，总的网络流量将从今天的1.1 ZB数字增加到2.3 ZB。与此形成鲜明对比的是，IDC最近估计，到2025年，每年将生成163个ZB数据。显然，像大型科学和大型监视这样的巨大应用将压倒任何不专注于边缘数据捕获和实时处理和分析的体系结构。这是NAND闪存的领域。
　　我们再来考虑另外一个案例，可作为物联网产生的数据洪流的一个很好的例子。下面，您将看到Cisco研究的图形，其中涉及连接的“智能”城市生成的数据。（美国有53个SMSAs，人口超过100万）
　　构成“智能电网”的大型应用之一就是街道照明。GE（纽约证券交易所：GE）最近向圣地亚哥市出售了一个综合系统，将减少60％的城市能源消耗，从而节省了240万美元。 而且，这只是一个开始，根据城市的新闻稿：
　　这个3200台智能传感器的部署将是世界上最大的城市“物联网”平台的部署。 [...]城市将安装智能节点，可以使用实时的匿名传感器数据来执行诸如直接打开停车位，帮助紧急情况下的第一批救援人员，跟踪碳排放和识别可以改善的十字路口行人和骑自行车的人。这些信息可用于支持圣地亚哥的“Vision Zero”战略，以消除交通事故（死亡）和严重伤害。
　　IoT对NAND的挑战
　　应该清楚的是，这些应用程序在财政上是具有吸引力和有益处的，具有引人注目的ROIs。 像圣地亚哥这样的早期创新者，在这十年的最后几年中获得了经验，我们可以很容易地预见到，随着时间的推移，物联网所有组件的需求将会呈指数级增长。NAND闪存对解决方案空间至关重要，对NAND的需求将相应增长。看下面的图表，Cisco的顾问通过用例绘制了IoT实施的挑战。
　　请注意右侧的用例“聚合”级别空间如何扩展。随着用例复杂性的增加，越来越多的数据被生成，必须在精细数据发送到数据中心之前进行分析和预处理。这是NAND应用的领域。 另一个关键的挑战是，即使需要滞留在云中的数据，也必须快速（如果不是实时的）进行数据分析，以便可以获得系统范围的目标。例如，一个自主车队应用程序。汽车中的边缘系统可能会对外部事件做出回应（例如，一块石头滑过阻挡了高速公路）使车停止使用。边缘系统将通过停止车辆来响应，将车辆上网关系统的状态信息（包括包括车辆周围的区域的图像、乘客数据、车辆系统信息等）的状态信息更新到车辆上的网关系统，执行适当的分析，并为云生成相对简单的更新包。根据从网关收到的数据和建议，云端车队管理系统将及时重新配置和平衡其车队可用性数据库，以尽可能地满足客户服务目标。
　　有几个问题出现了，但最相关的是以下几个。NAND闪存对于内存行业的需求如何？这是前四个做法。
　　1.机器生成的数据只是开始对整体存储需求产生影响。随着实施在当前十年的平衡发展和成熟，由于需求曲线的急剧变化，业界将很难快速建造晶圆厂（fabs）来满足需求。由于长达两年的时间导致NAND晶圆（fab）的出现，供应商已经有一种固有的偏见，来延缓容量的增加，直到需求的形状和范围得到充分的了解。（特别是中国供应隐忧的“幽灵”）
　　2.IoT还处于起步阶段，还有几个重要的技术基础需要建设。其中大部分是与传感器和边缘网络相关的。例如，传感器需要进行自配置和上下文感知，因此不需要实施规划来部署它们。 这方面的工作正在进行中，但目前尚无标准。目前的工作共识是，随着标准的编纂和实例化，在本十年期间，IoT的实施将会演进。 翻译过来就是，IoT火车刚刚离开车站，部署将在这十年结束时迅速开始加速。
　　3.智能手机日益成为一个IoT边缘设备。这是诊断和性能应用程序的直接功能，它们通过手机或连接的设备（如智能手表和性能带）收集重要的医疗数据。在个领域的展示之一可能是为糖尿病患者开发血糖传感器的苹果（NASDAQ：AAPL）项目。
　　4.工业部署已经并将继续推动 IoT的早日采用，因为正在进行投资案例的令人信服的回报。现在，大多数这些用例都是用传感器直接到云架构（sensor-direct-to-cloud ）来实现的，因此驱动数据中心的需求而不是边缘。随着 IoT标准的成熟和应用的不断发展，这将会发生改变。 据估计，到2022年，这个市场的价值接近200亿美元。
　　NAND—IoT的最大受益者
　　底线呢？ IoT 数据的大量涌入，将驱动内存业务进入21世纪20年代的十年。NAND供应商将成为新兴IoT浪潮的最大受益者，因为它的波峰在它的尾迹留下数据。据说，这种所谓的边缘数据的规模是数据中心数据的几倍，Cisco/ IDC估计有5倍。至少在接下来的10年里，应用程序将会上线，这将导致大量的NAND需求，而目前许多行业分析师并没有预计到这一点。至少，这一巨大的需求将推动整个行业的能力极限，使其能够找到足够的资本支出来建造所需的晶圆厂(无论在中国还是在没有中国的情况下)。在我的模型中，最可能出现的情况是，该行业正进入一段时期——可能到明年，肯定是在2019年——NAND长期供应不足，其后果在这一点上很难被完全理解。有一件事是肯定的——定价将是强劲的。这是我的模型展示的。




　　要清楚的是，2020年的“物联网需求”大约是80EB的产能过剩，汽车连接器，这大约是3D Gen 4生产的10万瓦时。这是两个晶圆厂。中国怎么样？不要指望中国骑兵会来救援。如果他们正在生产可行的3D产品，那么它们将在Gen 1或Gen 2生产，生产的产品比现有技术的第4代产品的密度高四分之一。 这对中国来说弥补差距是400k wpm，这不太可能。
　　DRAM呢？ 鉴于3D XP Gen2和Gen3路线图以及其他电阻存储器的预期商业化，DRAM将不会为那些能够更好地满足IoT设备需求的替代品而痛苦。 （例如，新的内存是不挥发的。）底线是，物联网不太可能推动增量的DRAM需求，除非我们预计在20世纪初期将要上线的新内存不能像预期那样出现。否则，我预计DRAM需求将在2021年的时间内开始下滑，因为3D XPoint Gen2 / 3引领的这些新内存，将从以前的DRAM配置中脱颖而出。这是Micron在上一次分析阶段对这些新内存的定位。
　　请注意，这种定位是否意味着IM XP产品系列的市场份额以及Micron“新内存”的市场份额。如你所见，XP的后代将比20世纪20年代期望的新一代ReRAM技术更快、更廉价。即使如此，Micron在这张幻灯片中清楚地表明，XP将永远不会成为NAND的替代品——它仍然太贵了。取而代之的方案是，以介于NAND和DRAM之间的中间位置替代和增加DRAM。尚未公布的“新内存”的成本略低于DRAM，但速度并不是那么快。那么为什么要使用它？它的持续性，可能对于IoT应用来说将具有更大的吸引力，因为它的功率负载系数应该远低于DRAM。
　　留给Micron的是什么？两个词总结——增长和盈利。诚然，该公司将不得不在2020年的发展中管理DRAM的下滑，但是3D XPoint及其即将到来的下一代内存应该会随着DRAM的下降而上升。随着需求方面重大问题的解决，制造商的定价能力将会很强。那么这种情况下的风险在哪里呢？一个词——执行。 Micron仍然存在的核心问题是执行。具体来说，我们什么时候可以看到XP Gen 2的发布和升级？我们什么时候会看到Micron掀开“新内存”的幕布？ 我们不知道这些问题的答案，直到我们做了这样的事，并且获得市场信心，TAM可用于这些内存，陪审团将继续留在外面，不管NAND这个行业有多好。
　　为什么必须建设自主存储
　　目前，紫光旗下的长江存储已经研发出了国产32层堆栈的3D NAND Flash，预计2018-2019年间量产，2020年技术上有望赶超国际先进水平。2016年3月，长江存储启动了武汉存储器基地建设，总投资240亿美元，计划2018年投产，2020年形成月产能30万片的规模。但是与三星等国际先进企业相比，无论是在技术上还是产能上，长江存储都还存在这不小的差距。
　　正如之前所说，在即将到来的物联网的世界里，NAND的应用会非常广泛，作用也会愈发重要，出现的各种装置和新兴应用都会用到NAND。中国，为了迎接即将到来的物联网时代，与世界携手共同推动物联网技术的进步，实现物联网的产业化与生态化，就必须重视NAND技术，这也是中国必须建设自主存储的原因。否则，技术上的受制于人，也将带来物联网产业的受制于人！