【经验】浅析HDD和SSD的相同与不同

HDD（Hard Disk Drive, 硬盘）和SSD（Solid State Drive，固态硬盘）是存储领域乃至整个信息技术领域举足轻重的两种设备。本专题大普微电子会从产品形态、数据传输接口类型、产业布局、制造和测试流程等这四个方面浅析HDD和SSD的特性，以及两者的相同和不同之处。

产品形态（相似指数30%）

相对于SSD来说，HDD的产品形态要精简很多。目前市场上主流的HDD形态基本上就两种：3.5”和2.5”, 当然2.5英寸形态有三种不同厚度：7mm, 9.5mm和15mm。历史上也出现过其他不同形态的HDD，如1.8英寸和1英寸的HDD。但是存在的时间都比较短，没能成为主流的产品形态，现在也基本上销声匿迹了。注意，我们所说2.5或3.5英寸的HDD，这里说的尺寸都是指的HDD磁盘的直径。下图是HDD主流的产品形态。

 图1：HDD主流的产品形态

SSD的产品形态则让人有点眼花缭乱。除了有和HDD相同的2.5英寸7mm，9.5mm，15mm的形态。常见的还有M.2(有30mm，42mm，60mm，80mm，110mm等不同长度)，U.2, AIC, E1.s, E1.L, 以及未来会推出的E3.S, E3.L等等。下图是东芝、Intel和WD的SSD产品形态介绍材料，基本涵盖了市场上主流的SSD产品形态。目前PCIe接口的企业级SSD的主流产品形态是U.2和AIC。目前DapuStor已量产产品的形态也主要是这两种，未来也会推出E1.s, E3.s, E1.L, E3.L等新的产品形态。

图 2 常见的SSD产品形态

数据传输接口类型（相似指数30%）

HDD的数据传输接口类型的发展是一路打怪升级的过程，一路经历了PATA1 ~ PATA7, SATA1，SATA2, SATA3, SCSI, SAS等接口类型。目前主流的接口类型是SATA3和SAS，它们的数据传输速率分别是：6Gbps和12Gbps 。

按照接口的速率，理论上HDD的数据带宽能达到600MB/s或1.2GB/s, 但是，前面也说到，由于HDD的数据带宽的瓶颈在磁头和磁碟之间，接口传输速率的50%也还没用到，目前还没有升级接口速率的需求。

SSD的数据传输接口类型比HDD要丰富一些，而且接口类型迭代的需求和速度比HDD要快很多。目前消费级SSD主要用的是SATA 6Gbps的接口；企业级SSD主要选择的是PCIe接口，也有一小部分使用SAS接口。目前在飞速迭代的是PCIe接口，市场上主流产品还是基于PCIe3.0协议，但是PCIe4.0和5.0的产品也已经面市了。可以说是出现了三代同堂的现象。在传输速率上，PCIe3.0, 4.0，5.0也有大幅的提升。

下图是从PCIe1.0到6.0的接口传输速率和吞吐量，从中可以看出随着PCIe版本的迭代，数据传输速率有着成倍的提升。另外，不同于HDD由于自身的机械部件对性能的限制无法最大限度利用接口速率，SSD是纯粹的电子设备，可以通过提升主控性能、Nand并发度、DRAM速率，以及优化固件设计来最大限度利用接口速率。比如，PCIe4.0接口传输速率为7.88GB/s, 第三节我们看到DapuStor PCIe4.0x4 SSD(R5100)的读带宽能达到7.45GB/s, 几乎把接口传输速率跑满。这也是PCIe接口需要快速迭代支持更高速率的重要原因。

表 1 PCIe接口速率

产业布局（相似指数30%）

从1955年IBM发明HDD之后，一直要到18年后的1973年，IBM推出了温彻斯特型HDD，HDD才算成为了一款真正意义上商业化的产品。在之后近五十年的发展历程中，经历了以下几个阶段，到目前形成了全球只有三家大厂垄断的格局。

表 2

这些大厂在做水平整合的同时，也对上下游做了深度的垂直整合。磁头和磁碟这些核心部件的供应，大厂也基本掌握在自己手上。下图是近几年HDD营收的占比。只有西数、希捷和东芝三家在玩三国杀，没有Others。

图 3 HDD Revenue Share

相对于HDD产业三家大厂垄断的格局，SSD产业的竞争还是比较激烈。消费级SSD方面，预计全球有100+的消费级SSD厂商，是充分竞争的红海市场。企业级SSD方面，相对门槛较高，主要市场份额还是掌握在英特尔，三星，西部数据，铠侠，镁光等国际大厂手中。

近些年，国内也有不少厂商进入企业级SSD市场领域，DapuStor也是其中的佼佼者。另外，在企业级SSD产业上游的两大核心部件Nand Flash和主控方面，则现成了相对集中的垄断格局。首先，在Nand Flash方面，主要市场份额由三星，铠侠，西部数据，镁光，SK海力士，英特尔所垄断，国内厂商长江存储的128层3D Nand也已经量产，相信未来可以抢占一部分企业级Nand市场。

其次，企业级SSD主控方面，主要市场份额也是由英特尔，三星，Marvell等国际厂商占有。国内也有一些企业进入企业级SSD主控市场领域。DapuStor是为数不多的有能力研发企业级SSD产品和企业级SSD主控芯片，且同时都实现了量产的国内企业。总体来说，SSD产业布局比HDD要复杂很多。

以DapuStor所在的企业级SSD细分市场来说，主导地位还是被英特尔、三星、西数等国际大厂占据。近些年，Others的占比在逐步提升，说明有许多像Dapustor这样的新兴企业在开始抢占国际大厂的市场份额。另外，从接口类型上来说，PCIe接口成为了企业级SSD的主流接口类型。

图 4（a）企业级SSD营收占有率；（b）企业级SSD营收(按接口类型统计) 

制造和测试流程（相似指数15%）

在产品的制造和测试流程方面，HDD和SSD又有哪些相同和不同之处呢？还需要先从两个产品结构上的差异说起。HDD作为机械硬盘，其内部包含了非常多的机械部件（据说近200个机械部件），同时它也包含有PCBA等电子部件。SSD则可以说是纯粹的电子设备，除了外壳之外，其内部包含的几乎100%是电子器件。图12是一张HDD结构爆炸图，从中可以看出，它主要的部件是机械部件。如果按照BOM成本来算，这块HDD的PCBA成本可能只占到总成本的10%左右。所以HDD是一个以机械部件为主的产品。

图 5 HDD结构爆炸图

图13是DapuStor基于自研主控芯片的企业级SSD(R5100)的内部结构图。可以看出其内部主要是主控、Nand、DRAM等芯片和其他电子元器件。产品结构上的差异，导致了HDD和SSD产品制造流程上有非常大的差别。

图 6 DapuStor SSD（R5100）内部结构图

通过上面的分析，我们知道HDD是以机械部件为主的产品，所以HDD的制造过程一定会涉及到很多的机械零部件的组装流程。同时由于HDD产品的特点，对组装精度要求非常高、对组装环境的脏污控制和ESD控制要求也非常严苛。这也导致了HDD制程的难度非常大，整个制程对自动化要求、无尘车间的脏污控制和ESD控制等方面的要求都非常高。HDD的制程可以称得上是工业制造领域的一颗明珠，其制程难度不亚于芯片制造。

如果从wafer(晶圆)和slider(磁头)的加工算起，HDD的制程有200+工序。在这里不会详细介绍HDD具体的工序流程，只对其制程的各阶段简单地做些介绍。

图 7 HDD制程各阶段简介

要完成上面的整个制程，一般需要4-5个工厂来配合(如Wafer工厂，磁头工厂，HGA工厂，磁碟工厂、HDD工厂)。这些工艺流程对保障HDD的质量比较关键，制程难度也较大，HDD厂商一般会自建工厂来完成这些制造流程。而相对来说，HDD PCBA的加工难度相对较低，一般会委托给专业的代工厂进行加工。

相比之下，SSD的制造流程则显得容易很多。从大的流程来说，SSD的制程就只有SMT、组装测试和包装。但是，由于SSD PCBA上BGA芯片数量很多，而且芯片的成本都较高，所以对SMT产线的质量控制，以及元器件报废成本控制等方面需要提出更高的要求。DapuStor的企业级SSD产品的制造是委托给专业代工厂: 深科技。他们有数十年的专业代工经验，在SMT生产线的质量控制和流程控制有非常丰富的经验。图15是目前DapuStor SSD产品的制造流程。

图 8 DapuStor SSD制造流程

本节最后，我们来看一下HDD和SSD测试流程有哪些相同和不同之处，这里所说测试是专指生产测试。HDD的生产测试是保障出货产品质量的最重要的环节，也需要投入大量的人力、物力、财力、以及时间和空间等资源的环节。

几年前，每块10T容量硬盘的生产测试时间就超过了300小时。据此推算，如今18T硬盘的测试时间可能超过500小时。这就需要有大量的测试设备和测试槽位来做测试，同时对场地空间的挑战也很大。像西部数据和希捷这样的大厂，其中任何一家在其全球范围内工厂都有几百万个测试槽位来支撑如此长周期的测试，以满足全球每年4-5亿块HDD的出货需求。SSD也是一样，虽然其介质访问时间比HDD快很多，有助于减少其测试时间。

但是总体来说SSD测试也是非常费时费力的一件事情。以DapuStor 的7.68TB SSD为例，其生产测试时间约为110小时。下面会从测试方式、测试策略、测试重点、测试设备和测试流程这几方面，对HDD和SSD的生产测试进行比较。

综上所述，HDD和SSD在产品的功能、作用与目标，产品迭代的核心驱动力等七个方面，有着相同或者相似之处，但是更多的是在许多方面有着各自的特点和不同。可以说，HDD和SSD是三分相像，七分不同的两种产品。

表 3

经过长达半个世纪的竞争和发展，到今时今日，SSD已经在许多方面实现了对HDD的赶超，包括：年营收额，年出货量，存储密度，能效比，性能等方面；在一些未能赶超HDD的方面，如单GB的成本，年出货的总容量(PB数)等方面也越来越接近。可以说，在存储领域SSD已经从HDD手中接棒领跑。

对HDD目前的处境，可能有一句话比较合适：可能你什么错都没有，错就错在自己太老了！但是我觉得这并不重要！毕竟在过去长达四五十年的时间里，HDD行业通过不断地技术革新和积累，实现了每18个月记录密度翻一倍的奇迹般的增长，满足了信息和数字化时代数据存储的爆炸式增长需求；毕竟时至今日，全世界的数字化信息大多数还是存储在HDD中；毕竟时至今日，HDD行业还在通过不断地技术创新提高记录密度，并且有望在10年内将单盘的容量提高到100TB。诚然，在同SSD的竞争中，HDD是已经败下阵来。但是对于这样一位“失败者”，我们除了赞叹和敬佩还能做什么呢？SSD也是一样，在追赶HDD的过程中，不断突破自身的物理极限，实现指数倍增长。和HDD一起，承担着作为信息和数字化时代重要基础设施的角色。我们完全可以说，HDD和SSD都是了不起的，甚至伟大的产品。而在这背后，其实是这两个行业中千千万万名从业者数十年如一日的默默奉献，造就了两个产品的成功。