都说它是顶级手机的专利 UFS闪存到底是个什么鬼？

随着麒麟970、骁龙845和三星Exynos 9810等新一代旗舰处理器的出现，2018年高端智能手机有望迎来准5G的网络体验（下行速率可达1.2Gbps，但还需运营商基站支持）。等到了2020年，5G网络还将带来更极致的10Gbps到20Gbps的联网速度，秒下高清视频不是梦想。然而，网络性能的飞跃也将给手机硬件带来极大的压力，而闪存芯片，就是最大的受力点。

手机网络的不断提速

如今哪怕是千元智能手机的下行速率都达到了Cat.7，也就是300Mbps的标准，而中高端手机则已享受Cat.12（600Mbps）或Cat.16/18（1.0Gbps/1.2Gbps）的速度。要知道，很多地区的家庭宽带也不过20Mbps到100Mbps之间，在不考虑运营商基站限速的情况下，智能手机的下载速度已经远远超过了有线网络。

未来5G的下行峰值速度可达20Gbps

以即将兴起的Cat.18为例，其1.2Gbps的下行速率理论的下载速度为150MB/s。而到了2019年5G网络商业化试运营时，10Gbps起步下行速率对应的下载速度就将达到1.25GB/s。如果将这个速度放在PC端，那就唯有支持NVMe协议的PCIe SSD才不会成为速度上的拖累（主要看SSD的写入性能），而无论是HDD机械硬盘还是SATA3.0接口的SSD都将成为“拖油瓶”。

在PC都感觉“亚历山大”的当下，智能手机又该如何应对更高速网络的挑战呢？

读写性能的重要性

不成为下载瓶颈只是对闪存提出的基础要求，而闪存性能在实际操作中的影响还表现在更多方面。比如安装超过GB大小的APP、录制生成4K视频、拍照连拍、相册中大量图片的预览图刷新，在这些应用环境下，只有更高速的闪存才能告别卡顿和延迟，缩短APP的安装和启动时间。

从eMMC到UFS的进化

好消息是，如今智能手机的存储性能已经足够应对Cat.18网络的挑战了，哪怕是低端手机采用的eMMC 5.1，也可提供100MB/s以上的持续写入速度，而UFS闪存的高端手机哪怕是4K写入速度也都能超过150MB/s。但是，面对未来5G网络的来袭，现有的闪存技术就都将抓瞎了。

我们不妨再来回顾一下智能手机常用的闪存技术标准：

eMMC：Embedded Multi Media Card，它是在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，从而减少了对PCB主板的空间占用，也是移动设备中普及度最高的存储单元。eMMC的性能会随着总线接口的升级而提升，而目前最新的标准就是eMMC 5.1。

还有很多手机会选择将CPU和闪存芯片堆叠封装

UFS：Univeral Flash Storage，我们可以将它视为eMMC的进阶版，是由多个闪存芯片、主控、缓存组成的阵列式存储模块。UFS弥补了eMMC仅支持半双工运行（读写必须分开执行）的缺陷，可以实现全双工运行，所以性能得以翻番。

目前UFS又被细分为UFS 2.0和UFS 2.1，它们在读写速度上的强制标准都为HS-G2（High speed GEAR2），可选HS-G3标准。而两套标准又都能运行在1Lane（单通道）或2Lane（双通道）模式上，一款手机能取得多少读写速度，就取决于UFS闪存标准和通道数，以及处理器对UFS闪存的总线接口支持情况。

比如，采用UFS 2.1闪存的手机大都可以获得800MB/s的持续读取性能。但是，魅族PRO 7官方表示配备了UFS 2.1闪存，但实际测试的持续读取速度却只有500MB/s左右。这并非魅族虚标，而是PRO 7搭载的联发科Helio X30处理器仅支持单通道UFS总线接口，所以无法100%发挥出UFS 2.1闪存的性能。

需要注意的是，虽然UFS 2.1相较eMMC 5.1在持续读取速度上实现了2.5倍左右的提升，但持续写入速度却没有太大变化（200MB/s左右）。但是，如果我们仔细留意4K写入速度一项，就会发现UFS 2.1的实测速度能领先eMMC 5.1十倍有余，这对于下载提速可有着更加实际的意义。

苹果主打的NVMe闪存

苹果从iPhone 6s开始也引入了超高速闪存，但它却不是我们熟悉的UFS，而是一种名为“NVMe”的闪存芯片。实际上，NVMe和UFS的本质都是NAND，只是协议层面有所差别而已，NVMe协议比UFS协议更高效，所以在绝大多数测试项目中，采用NVMe协议的iPhone总能在读写速度上领先于同期Android手机的UFS。

UFS 3.0为5G保驾护航

问题来了，面对5G网络起步1.25GB/s级别的下载速度，哪怕是UFS 2.1也有些力不从心。怎么办？

好消息是，固态技术协会（JEDEC）在前不久正式发布了UFS 3.0标准（JESD220D、JESD223D），和UFS存储卡V1.1标准（JESD220-2A）。其中，UFS 3.0就刚好可以成为与5G网络搭档的存储技术。

简单来说，UFS 3.0引入了HS-G4规范，单通道带宽提升到11.6Gbps，是HS-G3（UFS 2.1）性能的2倍。而由于UFS支持双通道双向读写，所以UFS 3.0的接口带宽最高可达23.2Gbps，也就是2.9GB/s。此外，UFS 3.0支持的分区增多（UFS 2.1是8个），纠错性能提升且支持最新的NAND Flash闪存介质。

三星已经宣布，将在2018年第一季首发推出UFS 3.0接口的产品。由于麒麟970、骁龙845、Exynos 9810等研发较早，所以并没有赶上UFS 3.0标准的支持，但下半年的麒麟980，将在2019年发布的骁龙85x、Exynos 99xx应该可以对其加以支持，从而满足5G时代的更高速读写需求。

如何辨别手机存储芯片

在过去，只有旗舰级处理器才支持UFS闪存，而如今包括骁龙660和Helio P30在内的新一代中端处理器也支持UFS闪存。虽然现阶段搭载骁龙660/Helio P30芯片的手机为了降低成本选用的都是eMMC 5.1，但不排除未来会有中端机也通过武装UFS闪存提升竞争力。所以，咱们还是有必要学习一下如何辨别手机配备闪存的技术标准。

在网上搜索下载名为“P10Check”的应用，安装运行后就能自动反馈出手机的闪存标准到底是eMMC还是UFS，可惜该软件无法进一步细分UFS的版本（如UFS2.0还是UFS2.1）。

如果你想知道手机闪存的具体性能，则可下载安装名为AndroBench的测试软件，如果测试结果的持续读取速度在700MB/s以上，那就说明手机闪存版本为双通道的UFS2.1，代表当前的顶级存储性能。如果速度在500MB/s左右，那就是运行在双通道模式UFS2.0或单通道下的UFS2.1。

小提示： 受制于闪存芯片可能面临缺货/涨价的风险，部分手机厂商可能会为热销手机准备多家供应商的闪存芯片。比如前几个批次手机的闪存来自三星，后续改为东芝，最后批次为闪迪。不同供应商的闪存芯片在性能上可能存在细微差距，关于这一点大家需要做到心里有数。

我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

【IT168 评论】无论消费者还是企业机构，大多数人在谈到闪存时，首先想到的就是NAND闪存。从一定的现实意义上来讲，NAND闪存可以说已经成为固态硬盘的代名词。基于块寻址结构和高密度，使其成为磁盘的完美替代品。

　　NOR闪存是另一种与NAND不同的闪存类型，它具有不同的设计拓扑结构，某些特定的应用场景下更为适合。在比较NAND和NOR闪存在不同应用中的相对优势和适用性之前，检查其结构差异是很重要的。

　　NAND闪存产品是当今已经达到高水准的存储芯片，是当前市面上嵌入式以及独立式SSD的主要原材料。多层单元(MLC)技术和3D制造工艺的结合，将NAND存储单元垂直蚀刻到硅衬底上，使存储密度和NAND芯片容量呈几何级增长。

　　NAND与NOR电路基础

　　尽管NAND闪存是这两种非易失性内存技术中相对流行的一种，但NAND和NOR都是由同一名东芝公司的工程师在上世纪80年代中期发明的。要理解这两个种类的区别和命名，需要简要回顾一下逻辑门的基础知识。

　　NAND和NOR分别涉及到布尔逻辑函数中的逻辑“和”（and）以及“或”（or）。如下所示，NAND和NOR都生成响应两个二进制输入的输出。

响应两个二进制输入的NAND和NOR输出

　　NAND和NOR逻辑门仅仅为它们各自的功能实现了上面这个真值表。

　　NAND门在概念上是作为AND门实现的——当两个输入都是1时输出1——后面跟着一个NOT门，这是一个逻辑反转。相应的，NOR门在概念上是一个OR门——有任何一个输入是1时输出1，然后是NOT门，这是一个逻辑倒装。

　　布尔逻辑的背景对于理解NAND和NOR闪存至关重要，因为闪存单元被连接到一个行和列的数组中。在NAND闪存中，一组中的所有单元(通常是一个字节的倍数，取决于芯片的大小)共享一条位线，并以串行方式连接每个单元，每个单元连接到一个单独的字行。同一字行连接一个内存块中的多个字节，通常为4 KB到16 KB。因此，只有当所有的字线都是高或单状态时，位线才会降低或变为零状态，这实际上将内存组转换为一个多输入NAND门。

　　与此相反，NOR闪存并行组织位线的方式是，当位线和字线都处于低或零状态时，内存单元只保持高或单状态。

　　NAND单元的串联结构使得它们可以通过导电层(或掺杂层)连接在衬底上，而不需要外部接触，从而显著减少了其横截面积。

　　NAND闪存单元的串联连接意味着它们不需要单元之间通过金属层进行外部接触——而这正是NOR拓扑结构所需的。使用导电层连接硅衬底上的单元意味着NAND闪存的密度通常比NOR高两个数量级，或100倍。此外，组内单元的串联连接使它们可以垂直地堆积在3D数组中，位线类似于垂直管道。

　　相反，由于NOR闪存单元不能单独寻址，因此它们对于随机访问应用程序更快。

　　NAND与NOR产品类型

　　这两种类型的闪存具有明显的特性和性能差异，它们有各自最适合的应用程序类型。除了容量外，NAND和NOR闪存还具有不同的运行、性能和成本特性，如下图所示。

　　这两种闪存中也有几种不同的产品类型，它们在I/O接口、写入持久性、可靠性和嵌入式控制功能方面有所不同。

　　NAND闪存产品类型

　　NAND闪存以单层（SLC）、多层（MLC）、三层（TLC）或四层（QLC）的形式在每个单元（cell）中存储bit，分别为1 bit/cell、2 bit/cell、3 bit/cell、4 bit/cell。要确定哪种类型的NAND最适合于工作负载，简单来说，每个单元的位数越高，其容量就越大——当然，是以数据持久性和稳定性为代价的。

　　NAND设备只是没有任何外围电路的存储芯片，这些外围电路使NAND闪存可以在SSD、U盘或其他存储设备中使用。相比之下，托管型NAND产品嵌入了一个内存控制器来处理必要的功能，比如磨损调平、坏块管理(从使用中消除非功能性内存块)和数据冗余。

　　NOR闪存产品类型

　　串行设备通过只暴露少量(通常是1到8个)I/O信号来减少包的pin数。对于需要快速连续读取的应用程序来说，这是理想的选择。NOR闪存通常用于瘦客户机、机顶盒、打印机和驱动器控制器。

　　并行NOR产品暴露多个字节，而且通常使用内存页而不是单独的字节进行操作，更适用于启动代码和高容量应用程序，包括数码单反相机、存储卡和电话。

　　两种闪存都是不可或缺的

　　NAND是闪存的主力，广泛用于嵌入式系统和SSD等存储设备的大容量数据存储。不过，NOR 闪存在存储可执行的启动代码和需要频繁随机读取小数据集的应用程序方面起着关键作用。显然，这两种类型的闪存将继续在计算机、网络和存储系统的设计中发挥作用。

　　原文作者：Kurt Marko

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