手機(jī)儲(chǔ)存的未來(lái)：eMMC快速轉(zhuǎn)向UFS

　　隨著游戲與視訊應(yīng)用在行動(dòng)裝置上的普及，以及手機(jī)處理器性能的提升，eMMC的性能已經(jīng)不能滿足行動(dòng)裝置對(duì)于內(nèi)存讀寫(xiě)性能的要求，新一代的通用閃存儲(chǔ)存(UFS)規(guī)格應(yīng)運(yùn)而生。

　　在高速數(shù)字接口中，并行總線越來(lái)越少。 原因很簡(jiǎn)單，隨著系統(tǒng)頻率的提升，并行總線在板級(jí)建置時(shí)已經(jīng)遭遇到實(shí)體瓶頸，抖動(dòng)、串?dāng)_、訊號(hào)偏移、傳輸路徑不完美等因素，都將大幅降低并行總線持續(xù)建立時(shí)間窗口，從而限制系統(tǒng)帶寬的進(jìn)一步提升。

　　在高速串行/解串器(Serdes)技術(shù)取得突破后，新式串行總線越來(lái)越流行，以USB和PCIe為代表的串行總線在板級(jí)以串行方式連接、在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)譯碼成平行數(shù)據(jù)，從而使得板級(jí)數(shù)據(jù)線路之間的關(guān)系去耦合，既大幅降低了板級(jí)布線難度，又突破了系統(tǒng)帶寬限制。 因此，新式串行總線正如火如荼地進(jìn)展，在個(gè)人計(jì)算機(jī)(不含工控與特殊用途計(jì)算機(jī))領(lǐng)域，PCIe接口已經(jīng)完全取代PCI接口，SATA接口也完全取代了PATA接口。

　　不過(guò)，在手機(jī)儲(chǔ)存接口方面，嵌入式多媒體卡(eMMC)規(guī)格的市占率仍然較高，原因之一是行動(dòng)裝置對(duì)于儲(chǔ)存性能的要求較個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)更低。 然而，隨著游戲與視訊應(yīng)用在行動(dòng)裝置上的普及，以及手機(jī)處理器性能的提升，eMMC的性能已經(jīng)不能滿足行動(dòng)裝置對(duì)于內(nèi)存讀寫(xiě)性能的要求，新一代的通用閃存儲(chǔ)存(UFS)規(guī)格應(yīng)運(yùn)而生。

　　UFS的性能優(yōu)勢(shì)

　　多媒體卡(MMC)標(biāo)準(zhǔn)于1997年問(wèn)世，說(shuō)來(lái)有趣，MMC最初的標(biāo)準(zhǔn)就是一根數(shù)據(jù)線，后來(lái)擴(kuò)展到8根數(shù)據(jù)線，eMMC標(biāo)準(zhǔn)則將閃存晶粒和控制器放入更緊密的球門(mén)陣列(BGA)封裝，以適應(yīng)行動(dòng)裝置對(duì)封裝尺寸的要求。 首批eMMC產(chǎn)品于2007年正式推向市場(chǎng)，到目前為止，JEDEC的最新標(biāo)準(zhǔn)為eMMC 5.1。

　　如前所述，并行總線在速度增加到一定值時(shí)將無(wú)法滿足時(shí)序要求，eMMC標(biāo)準(zhǔn)單根數(shù)據(jù)線的極限速度為400Mbps左右，8位數(shù)據(jù)線標(biāo)準(zhǔn)eMMC接口一次傳輸峰值速度為400兆字節(jié)每秒(400MB/s)。 相形之下，UFS2.0單信道峰值速度為5.8Gpbs，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)為雙信道，所以速度可達(dá)1,160MB/s，將近eMMC標(biāo)準(zhǔn)的3倍。

　　圖1：e-MMC與UFS接口比較

　　而且，由于eMMC是半雙工模式，主、從裝置之間數(shù)據(jù)不能同時(shí)互動(dòng)，而UFS是全雙工模式，便于傳輸性能的提升。 所以采用UFS接口的系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間更快，讀寫(xiě)響應(yīng)也更迅速。 根據(jù)東芝(Toshiba)的數(shù)據(jù)，在連續(xù)讀取、隨機(jī)讀取、連續(xù)寫(xiě)入與隨機(jī)寫(xiě)入等操作中，UFS 2.1產(chǎn)品基本能夠達(dá)到eMMC 5.1產(chǎn)品的1-3倍。 UFS新一代標(biāo)準(zhǔn)還將大幅提高讀寫(xiě)性能，但eMMC性能再提升的空間并不大。

　　UFS規(guī)格以先進(jìn)的Serdes技術(shù)為基礎(chǔ)，其讀寫(xiě)性能的大幅提升并未以大量增加功耗為代價(jià)。 由于UFS訊號(hào)電壓擺幅只有200毫伏(mV)，而eMMC標(biāo)準(zhǔn)是1.8伏(V)或3.3V，因此兩種產(chǎn)品待機(jī)功耗相差無(wú)幾，而且從第三代到第五代，東芝的每一代UFS產(chǎn)品功耗水平都得到了提升。

　　從eMMC轉(zhuǎn)向UFS接口

　　從并行總線換到串行總線，減少了高速數(shù)據(jù)線的連接，簡(jiǎn)化了硬件工程師的工作。

　　以東芝的產(chǎn)品為例，UFS封裝與eMMC封裝一致，用戶可以選擇對(duì)應(yīng)的封裝直接取代。 相較于第三代UFS產(chǎn)品使用三電源供電，東芝的第四代與第五代UFS產(chǎn)品不必再使用1.2V電源，從而使內(nèi)存模塊的電源設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單。

　　圖2：第四代以后的UFS內(nèi)存只需要兩個(gè)電源

　　在韌體層面，相較于eMMC產(chǎn)品，新一代的UFS產(chǎn)品已經(jīng)將除錯(cuò)、壞塊管理、損耗平衡以及垃圾回收等功能一并封裝，為用戶在閃存應(yīng)用開(kāi)發(fā)上節(jié)省了大量的時(shí)間。

　　為了方便用戶除錯(cuò)，有些UFS產(chǎn)品還提供了板級(jí)除錯(cuò)接腳。 以東芝第5代UFS產(chǎn)品為例，用戶只需將2個(gè)除錯(cuò)接腳連接到PCB的除錯(cuò)工具接口即可，不需要額外增加電阻電容。 而當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，用戶只需利用除錯(cuò)工具透過(guò)這2個(gè)接腳連到UFS內(nèi)存上進(jìn)行除錯(cuò)。

　　既然UFS較eMMC的性能更大幅提升，更換設(shè)計(jì)又不復(fù)雜，那么當(dāng)UFS產(chǎn)品成熟時(shí)，產(chǎn)品替代進(jìn)程將非常快。 根據(jù)東芝對(duì)市場(chǎng)的預(yù)測(cè)，2017年上半年的旗艦型手機(jī)將普遍采用UFS接口。 從2017年下半年開(kāi)始，中階手機(jī)也將逐步改用UFS閃存，UFS接口在高階平板中的普及率也將過(guò)半。

　　圖3：UFS市場(chǎng)前景

　　從東芝UFS產(chǎn)品發(fā)展藍(lán)圖來(lái)看，UFS 2.0與2.1產(chǎn)品均已經(jīng)量產(chǎn)，新一代UFS接口的研發(fā)也緊鑼密鼓，預(yù)期UFS市場(chǎng)的成長(zhǎng)曲線將非常陡峭，eMMC在行動(dòng)裝置領(lǐng)域的歷史使命已經(jīng)完成，UFS的時(shí)代即將來(lái)臨。