如何快速從eMMC轉(zhuǎn)移到UFS？

在高速數(shù)字接口中，并行總線越來越少。原因很簡單，隨著系統(tǒng)頻率的提升，并行總線在板級建置時(shí)已經(jīng)遭遇到實(shí)體瓶頸，抖動(dòng)、串?dāng)_、信號偏移、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，新式串行總線越來越流行，以USB和PCIe為代表的串行總線在板級以串行方式連接、在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)譯碼成平行數(shù)據(jù)，從而使得板級數(shù)據(jù)線路之間的關(guān)系去耦合，既大幅降低了板級布線難度，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，在手機(jī)儲存接口方面，嵌入式多媒體卡(eMMC)規(guī)格的市占率仍然較高，原因之一是移動(dòng)設(shè)備對于儲存性能的要求較個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)更低。然而，隨著游戲與視頻應(yīng)用在移動(dòng)設(shè)備上的普及，以及手機(jī)處理器性能的提升，eMMC的性能已經(jīng)不能滿足移動(dòng)設(shè)備對于內(nèi)存讀寫性能的要求，新一代的通用閃存儲存(UFS)規(guī)格應(yīng)運(yùn)而生。

UFS的性能優(yōu)勢

多媒體卡(MMC)標(biāo)準(zhǔn)于1997年問世，說來有趣，MMC最初的標(biāo)準(zhǔn)就是一根數(shù)據(jù)線，后來擴(kuò)展到8根數(shù)據(jù)線，eMMC標(biāo)準(zhǔn)則將閃存顆粒和控制器放入更緊密的球門陣列(BGA)封裝，以適應(yīng)移動(dòng)設(shè)備對封裝尺寸的要求。首批eMMC產(chǎn)品于2007年正式推向市場，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，讀寫響應(yīng)也更迅速。根據(jù)東芝(Toshiba)的資料，在連續(xù)讀取、隨機(jī)讀取、連續(xù)寫入與隨機(jī)寫入等操作中，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)，其讀寫性能的大幅提升并未以大量增加功耗為代價(jià)。由于UFS信號電壓擺幅只有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)更簡單。

圖2：第四代以后的UFS內(nèi)存只需要兩個(gè)電源

在固件層面，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)問題時(shí)，用戶只需利用除錯(cuò)工具透過這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)東芝對市場的預(yù)測，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半。

圖3：UFS市場前景

從東芝UFS產(chǎn)品發(fā)展藍(lán)圖來看，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市場的成長曲線將非常陡峭，eMMC在移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域的歷史使命已經(jīng)完成，UFS的時(shí)代即將來臨。