eMMC的接班人 UFS能为移动设备带来什么

健圣2016-04-26 09:10产品 标签:技术 闪存

早在2015年,三星Galaxy S6就凭借UFS2.0技术获得了媲美SSD的读写速度。如今,包括魅族Pro5、Galaxy S7、小米5在内的更多新品都将UFS2.0纳为己用,UFS2.0的普及指日可待。那么,UFS2.0和我们熟悉的eMMC相比有着哪些差异,它真的有资格被列入“黑科技”名单吗?

 

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eMMC成就单芯片

相信“eMMC”(Embedded Multi Media Card)这个单词大家不会陌生,所有搭载IntelAtom处理器(如Atom Z3735、Atom X5 Z8300等)的Windows平板电脑,以及绝大多数智能手机,它们都以eMMC作为存储单元,用于安装Android系统、APP以及保存各种数据和缓存文件。那么,eMMC和我们熟悉的NAND闪存又是一个什么关系?

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如果我们将智能手机/平板电脑拆解,你会发现eMMC的外观和NAND闪存芯片没什么差异(图1 图注:中间印有三星logo的芯片就是eMMC),但二者在本质上却存在云泥之别。简单来说,eMMC是在NAND闪存芯片的基础上,额外集成了主控制器,并将二者“打包”封装封成一颗BGA芯片,从而大幅降低多芯片的空间占用和布线难度问题,是帮助移动设备瘦身的不二法门(图2)。

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小提示

为了帮移动设备减肥,现在还有将eMMC和RAM(内存)或是eMMc和CPU两颗芯片合二为一的“ePoP”(embeddedpackage on package,嵌入式封装)一体式SOC封装技术,这种SoC颗粒的体积最小仅有15mm×15mm×1.4mm,和五毛硬币相仿(图3)。

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eMMC的先天缺陷

eMMC的速度取决于总线接口。目前,eMMC的总线接口主要以eMMC4.4、eMMC 4.5、eMMC 5.0(市场主流)、eMMC 5.1(最新技术)为主,它们的“理论带宽”分别为104MB/s、200MB/s、400MB/s和600MB/s,看起来还不错。

小提示

本文涉及eMMC的读写速度并非是测试将手机与PC连接时的数据传输速度,而是通过AndroBench等APP,检测数据在手机内部存储空间中的读写效率。

请注意,这只是理论值,eMMC在实际应用中的速度会大打折扣。以配备eMMC 5.0的手机为例(如魅族MX5),它们实际测试的读取速度仅有180MB/s左右,而那些以eMMC 4.5为主的早期手机实测读取速度更是很难突破130MB/s大关。

总之,eMMC的读写性能并不优秀,受限于8位并行接口和半双工模式的先天缺陷,eMMC的潜力已经基本挖掘殆尽,成为了拖累移动设备整体体验的瓶颈所在。比如,影响了开机速度、APP启动速度、相机存储速度。此外,eMMC的半双工模式导致其读写必须分开执行,在实际应用中的影响就是,当我们将手机与PC连接,在拷贝照片的同时将无法访问手机存储空间内的其他文件夹,也无法同时往手机里拷贝数据(图4 图注:eMMC手机在拷贝数据时进行其他操作会报错),只有等照片传输完毕后才能进行其他操作。

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UFS:eMMC中的SSD

eMMC的孱弱,让我们不得不羡慕起SSD的强悍。虽然SSD也是由NAND闪存芯片构成,但它的物理结构却是由多个闪存芯片、主控、缓存组成的阵列式存储模块,自然具备秒杀eMMC的资质。可惜,哪怕是最新M.2接口的SSD也需要占用至少22mm×42mm的空间(图5),想将它塞进智能手机里无疑痴人说梦。

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那么,有什么方法可以让单芯片的eMMC获得SSD的高速特性呢?答案就是“UFS”(Univeral Flash Storage,通用闪存)超快嵌入式闪存技术。

从外表来看,UFS芯片和eMMC芯片长得差不多(图6),但它却采用了“命令队列”(Command Queue)技术:通过一个串行接口收发类似SSD的指令,与基于8位并行接口的eMMC相比,其数据处理速度得到极大的提升。我们可以将UFS和eMMC理解为硬盘领域从IDE并口向SATA串口的进化,它支持全双工运行(可同时进行读写操作)(图7),电源管理也更为高效(更省电)。

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目前UFS正处于2.0时代,它提供了HS-G2和HS-G3两个传输信道,理论带宽分别为5.8Gbps(725MB/s)和11.6Gbps(1450MB/s),速度上完爆eMMC 5.0的400MB/s理论带宽,哪怕是还未普及的eMMC5.1也无法望其项背(见表)。

捕获

UFS2.0的另一大优势就是容量潜力更大(理论可超过2TB)。以三星为例,其刚刚发布了单颗容量高达256GB的UFS 2.0闪存颗粒,拥有850MB/s和260MB/s的顺序读/写速度,而读/写操作IOPS分别可达45K和40K。要知道,这颗UFS 2.0闪存的体积比Micro SD(TF)存储卡的体积还要小(图8 图注:Galaxy S7 Edge内部结构图),但无论是容量还是性能都已经可以和电脑领域的SSD比肩了!

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扩展阅读:eMMC如何实现256GB

在256GB UFS2.0闪存颗粒出现之前,智能手机是如何实现256GB存储空间梦想的呢?以全球首款256GB手机华硕ZenFone 2Deluxe Special Edition为例,它的存储结构实际是由128GBeMMC闪存和128G存储卡两部分结合而成。只是在此基础上还额外提供了1个存储卡插槽,最大可实现256GB(自带)+128GB(存储卡)的扩展空间。

速度太快也尴尬

UFS2.0的读写速度令人振奋,但它也带来了一个较为尴尬的问题:和存储卡有“冲突”。2015年上市的Galaxy S6最大缺陷就是不再支持存储卡,而三星给出的解释则为因UFS 2.0超高速嵌入式闪存的介入而不得不放弃扩展。

这个借口对也不对。之所以说“对”,是因为目前最顶级的128GB UHS-1 Class10 Micro SD存储卡的读取速度也不过95MB/s,和UFS2.0350MB/s的读取速度相比犹如蜗牛(图9 图注:Galaxy S7的读写性能测试截图)。如果让UFS2.0和存储卡共存,后者将严重拖累UFS2.0的速度,从而导致用户体验不佳。之所以说“不对”,是因为随后上市的魅族Pro5在配备UFS2.0闪存的同时依旧支持存储卡扩展,与三星的解释自相矛盾。

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实际上,从技术的层面来说UFS2.0与存储卡共存不是问题,关键是Android的存储机制允许将部分APP或用户数据迁移到存储卡,而存储卡糟糕的读写速度势必导致一定的延迟感。比如我们使用连续快拍多张1600万像素的照片(每张照片容量就达6MB~10MB),哪怕是Class 10存储卡读写速度也会达到瓶颈。如果将照片保存在UFS2.0闪存中的感觉就是“秒存”,但保存到存储卡就有了略微的延迟感。此外,当存储卡插入手机后并非只有一个进程在进行读写操作,我们安装的APP所生成的临时文件和数据时不时就会读写,最终导致文件越多运行越卡。

总之,Galaxy S6因UFS2.0而放弃存储卡是一种“偷懒”的设计,好在三星2016年的旗舰之作Galaxy S7再次让UFS2.0和存储卡共存(图10)。为了避免存储卡拖UFS2.0的后腿,Galaxy S7和魅族Pro5一样,默认都不允许将APP安装路径设置在存储卡,而存储卡的主要用途只是用来存储视频和音乐等多媒体文件。

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小提示

网上有破解GalaxyS7存储机制,允许将APP安装进存储卡的教程。但从实际体验来看,这种破解会严重影响手机的流畅度!

苹果不让UFS2.0独美

UFS2.0并非目前最快的闪存技术,苹果iPhone6S/6S Plus的读写性能就要在其之上。究其原因,是因为iPhone 6S/6S Plus采用了更为先进的NVMe协议。与传统eMMC/SATA/SCSI(UFS的命令层协议就是SCSI)协议相比,NVMe效率更高,对CPU的负载更低。根据实测,iPhone 6S/6S Plus的顺序读取速度可超过400MB/s大关(图11),就连UFS2.0也只能在一旁羡慕嫉妒恨。

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小结

在CPU和GPU性能足够强悍的情况下,提升磁盘性能就是改善使用体验的最有效方式,这一点已经在PC领域的SSD上得到了证明。作为比eMMC 5.1更先进的UFS2.0技术,已经被包括三星和东芝在内的NAND企业列入了重点发展规划,它们在未来1~2年内的成本会出现较为明显的下调,从而进一步拉近与eMMC的距离。因此,你会发现在2016年下半年,UFS2.0也许就会成为2000元以上价位国产手机的标配,让我们共同期待吧。