手机储存的未来：eMMC快速转向UFS

　　随着游戏与视讯应用在行动装置上的普及，以及手机处理器性能的提升，eMMC的性能已经不能满足行动装置对于内存读写性能的要求，新一代的通用闪存储存(UFS)规格应运而生。

　　在高速数字接口中，并行总线越来越少。 原因很简单，随着系统频率的提升，并行总线在板级建置时已经遭遇到实体瓶颈，抖动、串扰、讯号偏移、传输路径不完美等因素，都将大幅降低并行总线持续建立时间窗口，从而限制系统带宽的进一步提升。

　　在高速串行/解串器(Serdes)技术取得突破后，新式串行总线越来越流行，以USB和PCIe为代表的串行总线在板级以串行方式连接、在芯片内部将数据译码成平行数据，从而使得板级数据线路之间的关系去耦合，既大幅降低了板级布线难度，又突破了系统带宽限制。 因此，新式串行总线正如火如荼地进展，在个人计算机(不含工控与特殊用途计算机)领域，PCIe接口已经完全取代PCI接口，SATA接口也完全取代了PATA接口。

　　不过，在手机储存接口方面，嵌入式多媒体卡(eMMC)规格的市占率仍然较高，原因之一是行动装置对于储存性能的要求较个人计算机(PC)更低。 然而，随着游戏与视讯应用在行动装置上的普及，以及手机处理器性能的提升，eMMC的性能已经不能满足行动装置对于内存读写性能的要求，新一代的通用闪存储存(UFS)规格应运而生。

　　UFS的性能优势

　　多媒体卡(MMC)标准于1997年问世，说来有趣，MMC最初的标准就是一根数据线，后来扩展到8根数据线，eMMC标准则将闪存晶粒和控制器放入更紧密的球门阵列(BGA)封装，以适应行动装置对封装尺寸的要求。 首批eMMC产品于2007年正式推向市场，到目前为止，JEDEC的最新标准为eMMC 5.1。

　　如前所述，并行总线在速度增加到一定值时将无法满足时序要求，eMMC标准单根数据线的极限速度为400Mbps左右，8位数据线标准eMMC接口一次传输峰值速度为400兆字节每秒(400MB/s)。 相形之下，UFS2.0单信道峰值速度为5.8Gpbs，现有标准为双信道，所以速度可达1,160MB/s，将近eMMC标准的3倍。

　　图1：e-MMC与UFS接口比较

　　而且，由于eMMC是半双工模式，主、从装置之间数据不能同时互动，而UFS是全双工模式，便于传输性能的提升。 所以采用UFS接口的系统启动时间更快，读写响应也更迅速。 根据东芝(Toshiba)的数据，在连续读取、随机读取、连续写入与随机写入等操作中，UFS 2.1产品基本能够达到eMMC 5.1产品的1-3倍。 UFS新一代标准还将大幅提高读写性能，但eMMC性能再提升的空间并不大。

　　UFS规格以先进的Serdes技术为基础，其读写性能的大幅提升并未以大量增加功耗为代价。 由于UFS讯号电压摆幅只有200毫伏(mV)，而eMMC标准是1.8伏(V)或3.3V，因此两种产品待机功耗相差无几，而且从第三代到第五代，东芝的每一代UFS产品功耗水平都得到了提升。

　　从eMMC转向UFS接口

　　从并行总线换到串行总线，减少了高速数据线的连接，简化了硬件工程师的工作。

　　以东芝的产品为例，UFS封装与eMMC封装一致，用户可以选择对应的封装直接取代。 相较于第三代UFS产品使用三电源供电，东芝的第四代与第五代UFS产品不必再使用1.2V电源，从而使内存模块的电源设计更简单。

　　图2：第四代以后的UFS内存只需要两个电源

　　在韧体层面，相较于eMMC产品，新一代的UFS产品已经将除错、坏块管理、损耗平衡以及垃圾回收等功能一并封装，为用户在闪存应用开发上节省了大量的时间。

　　为了方便用户除错，有些UFS产品还提供了板级除错接脚。 以东芝第5代UFS产品为例，用户只需将2个除错接脚连接到PCB的除错工具接口即可，不需要额外增加电阻电容。 而当出现问题时，用户只需利用除错工具透过这2个接脚连到UFS内存上进行除错。

　　既然UFS较eMMC的性能更大幅提升，更换设计又不复杂，那么当UFS产品成熟时，产品替代进程将非常快。 根据东芝对市场的预测，2017年上半年的旗舰型手机将普遍采用UFS接口。 从2017年下半年开始，中阶手机也将逐步改用UFS闪存，UFS接口在高阶平板中的普及率也将过半。

　　图3：UFS市场前景

　　从东芝UFS产品发展蓝图来看，UFS 2.0与2.1产品均已经量产，新一代UFS接口的研发也紧锣密鼓，预期UFS市场的成长曲线将非常陡峭，eMMC在行动装置领域的历史使命已经完成，UFS的时代即将来临。