PCIE技术与芯片

PCIE技术与芯片
PCIe NVMe SSD特性及测试
随着国内越来越多的从事企业级SSD controller设计以及使用第三方控制器开发企业级SSD的公司逐步开始实现VDM, ZNS, SRIS, TCG, dual port等企业级的特性，对于这些功能的了解以及测试的问题也越来越多。

1. NVMe-MI Over PCIe VDM测试
   NVMe-MI的两种管理方式以及如何针对两种方式进行测试。
   • NVMe-MI的带外和带内管理
   NVMe-MI 规范为 NVMe 存储设备的带外和带内管理定义了架构和命令集，参见下图中的两种实现方式。
   

本文主要参考文献链接
https://mp.weixin.qq.com/s/aoPbIJAh9EUibqcKm5AyFQ
https://mp.weixin.qq.com/s/hC-qZJsgtMlincno0ZWZKQ
《国外集成电路企业在华布局》SIMIT战略研究室
《U.S. chipmakers push for CHIPS Act funding to close gap with Asia》日经亚洲
• MCTP over PCI Express Vendor Defined Message (VDM) 的packet格式
下图是VDM的packet格式。

2. ZNS(Zoned Name Space)测试
   NVMe™ 分区命名空间 (ZNS) 是 NVM Express™ 组织标准化的技术提案。将命名空间的逻辑地址空间划分为区域。每个区域都提供一个逻辑块地址 (LBA) 范围，该范围必须按顺序写入，如果再次写入，必须明确重置。此操作原理允许创建的命名空间暴露设备的自然边界，将内部映射表的卸载管理提供给主机。
   ZNS 引入了一种新型 NVMe 驱动器，与传统 SSD 相比具有多项优势。将一个命名空间划分为多个区域，每个区域只允许顺序写入。
   

3. SRIS测试
   SRIS是什么，实现了SRIS的SSD应该如何进行测试。

4. TCG Opal测试
   TCG的基本知识以及相关测试。TCG（Trusted Computing Group）存储工作组（SWG）制定了Core Specification，正式名称为TCG Storage Architecture Core Specification，为TCG存储设备提供了TCG相关功能的全面定义。核心规范可以进一步分解为安全子系统类 (SSC) 的多个功能子集。SSC 明确定义了特定“类”中存储设备的最低可接受核心规范功能，并可能扩展超出核心规范中定义的功能。
   Opal SSC规范以易于实施和集成为前提，称为“Opal SSC”或“Opal”，一种存储设备的安全管理协议。Opal 系列 SSC 包括 Opal、Opalite、Pyrite 和 Ruby，定义了在存储设备上实现核心规范的功能，如存储设备上的文件管理。Opal 系列 SSC 定义了用于存储和检索文件的类级别权限，保护用户数据。符合 Opal SSC 规范的设备可称为 TCG Opal 设备。
   Opal 存储规范是一组用于将基于硬件的加密应用于存储设备的安全规范。一种自加密驱动器 (SED) 规范，驱动器上的所有数据始终加密，无需使用第三方加密解决方案。一些 NVMe SSD 可能会采用纤薄的 Opal，Opalite 或 Pyrite。

5. Dual Port SSD测试
   dual port SSD的基本概念，如何搭建dual port SSD测试环境，以及如何测试dual port SSD。
   简单接一些针对NVMe SSD进行测试过程中各种reset测试，以及如何协同PCIe analyzer快速定位测试中的问题。
   • NVMe Power and Reset测试
   PCIe 重置 (PERST) 与电源ASSERTED时间相关的时序因平台而异，NVMe 设备在执行初始代码和固件初始化时潜在问题的根源。如何控制电源和 PERST 的Assert，可以改变彼此相关的两个信号的时序，以模拟复杂的电源和复位时序组合。
   • 测试过程中碰到问题何配合PCIe Gen4/5协议分析仪进行问题分析
   使用业内知名的测试工具，在测试过程中碰到严重问题的时候如何送出trigger pakcet来触发PCIe Gen4/5协议分析仪进行触发分析仪，协同问题的定位和分析。
   半导体市场
   2022年4月6日报道，2021年，国产半导体正热，但在中国大陆排名靠前的十大芯片制造企业中，有五家都是英特尔、三星、SK海力士、台积电、联电等国际芯片制造巨头在中国大陆设立的子公司。这使得所生产的“国产”芯片，与人们普遍理解成“由中国本土企业自主研发生产制造”的“国产”概念稍有区别。近日，在美国参议院的听证会期间，美国共和党籍参议员Rick Scott指责英特尔于中国设有工厂，并希望其关闭厂区并撤离中国。英特尔CEO帕特·基辛格（Pat Gelsinger）回应，如果英特尔想要成为全球最大的半导体供应商，就必须加入中国。在华建厂也并非英特尔一家公司特有的做法，三星、SK海力士、台积电、联电这些国际巨头在中国大陆开设子公司、建厂的时间都已有近20年历史。这些国际芯片巨头不断加码在中国的企业，中国大陆子公司甚至比国产半导体玩家发展得更快、更好。根据中国半导体行业协会集成电路分会理事长叶甜春此前的演讲，2016年-2020年中国大陆前十大晶圆制造企业中，内资企业销售收入的整体占比从44%降低到了27.7%，余下的份额均由外企、台企贡献。梳理这些国际芯片巨头在中国大陆的制造、封测布局。
   01.晶圆制造内资占比降至27%内资芯片龙头仅排名第三
   在芯片的国产化趋势下，中国半导体行业在销售额和晶圆厂建设上都取得了很大的成绩。中国半导体行业协会的数据显示，2020年，中国集成电路产业的销售额达到8848亿元，集成电路制造业近年保持着23%的增长率，在2020年营收达到了2560亿元。根据国家统计局数据，2021年中国集成电路产量增长了33.3%。在晶圆厂建设方面，中国的增长领先于欧美、韩国、日本等地区。据国际半导体产业协会（SEMI）报告，中国预计将在2021年和2022年新建16座晶圆厂，中国大陆将新建8座晶圆厂，高于美洲的6座、欧洲+中东的3座、日本的2座和韩国的2座。
   

▲2021年、2022年各地区新增晶圆厂数量
尽管销售额和产能在快速增长，但很大程度上国产半导体产能、销售额增长的驱动者，并非都是通常认知中的国产玩家。第一张表是“十三五”期间中国大陆集成电路晶圆制造业前十大企业的排序。

▲“十三五”期间中国集成电路晶圆制造业前十大企业
这张表中，行业龙头中芯国际在大陆晶圆制造业中实际只能排到第三名。其余的十大企业，外资的三星、英特尔、SK海力士三大国际巨头的中国公司位列第一、第二和第四名；台资的台积电（中国）、联芯/和舰芯片（控股股东为联电）分别位列第六名和第八名。纯粹的内资企业只有排名第三的中芯国际、排名第五的上海华虹、排名第七的华润微电子，以及分别排名第九和第十的西安微电子所和武汉新芯。第二张表则是中国大陆集成电路晶圆制造业前十大企业的销售收入占比。在2016年-2020年期间，前十大公司中内资晶圆制造企业的销售收入从364.4亿元上涨到567.4亿元，但整体占比却从44%降低到了27.7%。

▲“十三五”期间中国集成电路晶圆制造业前十大企业及分布情况
外资晶圆制造企业贡献的销售收入份额，从2016年的49.1%已经变为了61.3%；台资企业贡献的收入占比也从6.9%涨到了11%。行业在增长，虽然内资企业的制造也在增长，但制造增长速度远远低于外资和台资企业。不仅在晶圆制造业存在，同样出现于集成电路封测行业。根据2020年中国半导体行业协会封装分会的调研报告，以销售额计算，前30大中国大陆封测厂商中仅有13家是内资或合资封测厂商，其余封测厂商均属于外资或台资。不过和晶圆制造业不同，2019年大陆集成电路封测销售额前三名分别为长电科技、华达微电子（通富微电控股股东）和华天电子，均为内资企业。

▲2019年前30家大陆封测厂商
02.三星最早1993年设立合资公司英特尔50%微处理器在成都封测
三星、英特尔、SK海力士、台积电、联电，这些在中国集成电路晶圆制造业前十大企业中占据一席之地的国际芯片巨头，在中国的制造、封测业务均早有布局。三星最早进入中国，早在1993年就创建了合资公司；最晚进入中国的SK海力士早在2004年就在无锡设立了存储芯片厂，距今已有18年。从重要程度上，英特尔在成都的封测基地为全球一半的微处理器进行封装和测试；SK海力士更是凭借无锡芯片厂甩掉了高额债务，起死回生。1、三星：1993年进入中国，一期投资达百亿美元三星早在1993年4月就在天津成立了合资企业，半导体业务则于1994年在苏州展开了布局。1994年三星电子（苏州）半导体有限公司成立，主要产品有DRAM和闪存等产品，投资总额超过3亿美元。2012年，三星在西安建立自己全资子公司三星（中国）半导体有限公司，生产存储芯片，一期项目总投资达100亿美元，是当时改革开放以来中国电子信息行业最大外商投资项目。2017年8月，三星决定在西安追加70亿美元投资，在西安高新综合保税区内建设三星（中国）半导体有限公司存储芯片二期项目。2、英特尔：1994年英特尔中国成立，在成都建最大封测基地1994年1月英特尔（中国）有限公司在上海成立。时至今日，英特尔在制造和封测等领域在中国均有布局。在芯片制造方面，英特尔2007年宣布投资25亿美元在大连市建设12英寸晶圆制造工厂，这是英特尔在亚洲的第一个晶圆厂。2010年大连晶圆厂投产，在2015年前主要生产65nm制程的产品，之后主要生产3D NAND存储产品，是英特尔闪存业务的主要产线。2020年10月，英特尔同意将闪存业务以90亿美元的价格出售给韩国存储厂商SK海力士，该交易已得到包括中国市场监管总局在内的所有监管部门同意，2022年1月时SK海力士宣布其收购第一阶段程序已完成。此外，英特尔全球最大的封测基地在中国成都。英特尔成都工厂已建设成为英特尔全球晶圆预处理三大工厂之一，全球一半的移动设备微处理器来自英特尔成都。
3、SK海力士：2004年在无锡建厂，成摆脱债务关键
除了三星，韩国另一半导体巨头SK海力士同样重视中国布局，视作拯救公司的秘诀。2004年8月，海力士（当时公司未被SK集团收购）和意法半导体计划在中国南京建设存储芯片厂。在当时海力士被美国和欧盟分别征收高达34%和45%的进口关税，通过在中国投资建厂，用2.5亿美元的现金和价值2.5亿美元的设备获得了价值20亿美元工厂2/3的产能。前海力士首席执行官Eui-Jei Woo将在中国建厂列为海力士从高额债务中起死回生的六大因素之一。

▲Eui-Jei Woo总结的海力士重组成功原因
4、台积电：2002年进入中国，砸30亿美元建12英寸晶圆厂台积电于2002年在成立台积电（上海）公司，开始建厂工作。2004年第四季度，台积电位于中国大陆的首座8英寸晶圆厂投产，所产芯片主要应用于通讯、电脑和其他消费电子产品。2016年3月，台积电宣布和南京市政府共同签订投资协议，将投资30亿美元在南京成立百分之百控股的台积电（南京）有限公司，该公司下设一座生产16nm芯片的12英寸晶圆厂以及一个设计服务中心。台积电创始人张忠谋称，台积电在南京市设立12英寸晶圆厂和设计服务中心，就是为了在大陆半导体市场快速成长时，就近协助客户并进一步增加商机。

▲台积电南京12英寸晶圆厂
5、和舰：2001年成立，曾计划科创板上市联电则在2001年成立了和舰科技（苏州）有限公司，制程包括0.5μm至110nm，产品包括逻辑芯片、混合信号芯片、嵌入式非挥发性存储、高压及影像传感器等。2014年，联电又和福建电子集团共同出资设立了厦门联芯。12英寸晶圆厂2016年第4季起进入量产，已可提供40nm及28nm的晶圆代工服务，规划月产能为5万片12吋晶圆，预计总投资金额达62亿美元。2018年6月，以和舰为主体，和舰和厦门联芯计划在科创板上市，其IPO于2019年3月22日获受理，差点成为科创板的首家台资企业。据悉，由于存在母子公司竞争关系等问题，2019年7月和舰撤回在科创板的上市申请。

▲2019年和舰股权架构
03.对外贸易500强三星占据12席台积电、SK海力士还加码
英特尔、三星、SK海力士等外国芯片巨头在中国到底有多大的体量呢？根据英特尔最新的2021年年报，全年营收为790.24亿美元，中国大陆提供了211.41亿美元的收入，是英特尔最大的收入来源。海关数据显示，2019年英特尔产品（成都）有限公司进出口额为297.99亿美元，在中国对外贸易500强中排名第四，仅次于中石油、中石化和鸿富锦精密电子（郑州）有限公司；英特尔贸易（上海）有限公司进出口额为120.83亿美元，排名第17；英特尔半导体（大连）有限公司进出口额为56.69亿美元，排名第四十八。

▲全国进出口500强名单前21名
除了英特尔，三星、美光、SK海力士、飞思卡尔（现在的恩智浦）、安靠（Amkor）等国际芯片巨头的多家公司同样在中国进出口额500强之列。三星更是占据了榜单上12个名额，包括进出口额达175.53亿美元的三星电子（苏州）半导体有限公司和进出口额达97.26亿美元的三星（中国）半导体有限公司，这两家公司分别排名第14名和第21名。随着缺芯问题的加剧以及地缘关系的紧张，半导体这一基础产业正成为美国、欧洲、韩国、日本等发达国家和地区政府关注的焦点。在各国芯片法案通过、走向落地时，三星、SK海力士、台积电等国际芯片巨头仍加码在中国的制造布局。2021年4月，台积电宣布，计划投资28.87亿美元在南京扩建28nm产能，扩产完成后其每月产能将新增4万12英寸晶圆。2021年12月，在无锡集成电路产业创新发展高峰论坛上，台积电南京厂扩产正如期推进，第二年开年后会开始安装设备，预计2022年第四季度进入量产，于2023年满产。如今，SK海力士也加大了中国的投资和布局，不仅收购了英特尔位于大连的闪存厂，将原本位于韩国M8晶圆厂搬迁至无锡。这次产能转移预计将于今年上半年完成。2022年3月28日，据台媒报道，三星位于西安的NAND闪存厂区已完成二期扩建，NAND闪存产量或将大幅增加。对于这些国际芯片巨头，中国大陆早已成为其芯片制造、封测、销售等环节的重要节点和市场。台积电、三星、SK海力士仍在加码中国的制造布局。
04.结语：国际巨头或加大中国布局本土市场争夺成关键

随着全球缺芯问题发酵，欧盟、美国、日本、韩国等地区和国家开始更加重视注意保护本土芯片产业，监管部门对大型芯片企业并购越发谨慎，更加希望建设本土芯片制造能力。同时，芯片半导体作为技术要求最高的工业，对芯片制造企业来说，产品良率就是企业的生死线。背靠国际芯片巨头，外资、合资企业在人才和技术上都有着天然的优势。国际巨头在大陆的建厂往往并非最先进的产线，在产品良率提升上有着更加丰富的经验。如今中国是全球最大、增速最快的半导体市场，国际芯片巨头未来或将继续加大在中国的布局。内资半导体企业和国际巨头在本土市场的竞争也将影响、决定未来国产半导体行业的走向。参考信源：《国外集成电路企业在华布局》SIMIT战略研究室、《U.S. chipmakers push for CHIPS Act funding to close gap with Asia》日经亚洲

参考链接
https://mp.weixin.qq.com/s/aoPbIJAh9EUibqcKm5AyFQ
https://mp.weixin.qq.com/s/hC-qZJsgtMlincno0ZWZKQ
《国外集成电路企业在华布局》SIMIT战略研究室
《U.S. chipmakers push for CHIPS Act funding to close gap with Asia》日经亚洲