UFS && eMMC 科普信息收集

reference
http://www.10tiao.com/html/609/201806/2652241154/1.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/26551438
https://www.eettaiwan.com/news/article/20170420TA31-moving-emmc-to-ufs-in-mobile


常见三种闪存技术

SSD, eMMC, UFS, 这三种闪存技术的不同主要区别在于控制器,接口标准,以及底层的flash芯片标准。

历史

以前电脑主要采用机械硬盘,进行数据的存储工作,访问速度慢,体积大,功耗高,且对震动非常敏感,难以用于小型的移动设备。后面flash memory出现后,解决了以上机械硬盘的各种问题,因此很快在各种移动设备中获得广泛应用。

SSD: 基于flash的ssd硬盘性能好于机械硬盘,所以成为了pc和服务器的主流存储设备。

SSD 主要作用是取代 PC/服务器 上的 HDD 硬盘,它需要:
超大容量(百GB~TB级别)
极高的并行性以提高性能
对功耗,体积等要求并不敏感
兼容已有接口技术 (SATA,PCI等)

而 eMMC 和 UFS主要都是针对移动设备发明的,它们需要:
适当的容量
适当的性能
对功耗 ,体积的要求极其敏感
仅需遵循一定的接口标准 (稍后解释)

结构特点

一个SSD,为了达到高并行高性能的要求,有多个Flash 芯片,这样就可以在每个芯片上进行相互独立的读写操作,以并行性来提高硬盘吞吐量,还可以增加冗余备份。而手机中为了节省空间和功耗,通常只有一片密度较高的 Flash 芯片。

接口的不同,在电脑端需要兼容的STAT, PCIE, M2等接口,主要满足硬盘的插拔,而在移动端就不需要,flash被焊接到主板上,只需要遵从一个特定的标准,能和cpu通讯就可以了。

MMC
以前的相机就是用的mmc,如下图


mmc.png

接口设计

emmc 采用了8bit的并行接口。emmc5.1达到400MB/s的速度。----半双工
ufs采用了高速串行接口设计。-----全双工

速度对比.png

ufs与emmc的接口不兼容,且控制器也不通用,所以不能互插。

emmc.png
ufs.png

2018年1月31日上午消息,固态技术协会(JEDEC)发布了Universal Flash Storage v3.0标准。UFS也就是我们通常所说的通用闪存存储,UFS 3.0是针对需要高性能、低功耗的移动应用和计算系统而开发的。简单来说,UFS 3.0是第一个引入了MIPI M-PHY HS-Gear4标准的闪存存储,单通道带宽提升到11.6Gbps,是HS-G3(UFS 2.1)性能的2倍。

对比.png
image.png

市场统计

趋势.png

UFS协议是JEDEC(www.jedec.org)组织制定的,三星、海力士、东芝等公司力捧

发展历史.png

传输速度为什么快?

首先,它在数据信号传输上,使用的是差分串行传输。这是UFS快的基础。所有的高速传输总线,如SATA,PCIe,SAS,都是串行差分信号。串行,可以使用更快的时钟(时钟信息可以嵌在数据流中);差分信号,即用两根信号线上的电平差表示0或者1。与单端信号传输相比,差分信号抗干扰能力强,能提供更宽的带宽(跑得更快)。打个比方,假设用两个信号线上电平差表示0和1,具体来讲,差值大于0,表示1,差值小于0,表示0。如果传输过程中存在干扰,两个线上加了近乎同样大小的干扰电平,两者相减,差值几乎不变,你大爷还是你大爷。但对单端信号传输来说,就很容易受干扰,比如0-1V表示0,1-3V表示1,一个本来是0.8V的电压,加入干扰,变成1.5V,相当于0变成1,数据就出错了,你大妈已经不是你大妈了。抗干扰能力强,因而可以用更快的速度进行数据传输,从而能提供更宽的带宽了。

UFS的前辈是eMMC,使用的是并行数据传输。并行最大的问题是速度上不去,因为一旦时钟上去,干扰就变大,信号完整性无法保证。

其次,UFS和PCIe一样,支持多通道数据传输,目前最多支持两个通道。多通道可以让UFS在成本、功耗和性能之间做取舍。

还有,它是全双工工作模式,就是读写可以并行。它的前辈eMMC是半双工,读写不能同时进行。

传输接口.png
半双工.png
全双工.png

如果说eMMC是手机中的HDD,那么UFS就是手机中的SSD。UFS取代eMMC成为主流手机存储协议,这是毫无疑问的。不过,UFS一统天下的道路上还有一个拦路虎,那就是NVMe。有人说,NVMe不是SSD的协议标准吗?没错,不过,我要提醒大家的是,苹果现在手机中存储协议是NVMe而不是UFS。在短期,UFS和NVMe会分别在安卓和苹果手机中存在。长期来说,UFS和NVMe是二分天下,还是合二为一,我们只能拭目以待了。

大小如大拇指手指盖大小。麻雀虽小,五脏俱全。UFS存储芯片内部封装了UFS控制器和闪存阵列,和SSD结构很相似。不过和SSD相比,由于它的容量更小,因此闪存die比较少,闪存的通道数也少。另外,出于功耗和成本考虑,UFS芯片一般是不带DRAM的架构。

架构.png
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