nand闪存寿命 UFS 30快到原地飞起关于存储的二三事

发布时间 : 2024-10-05

作者 : 小编

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UFS 30快到原地飞起关于存储的二三事

上月底，微电子行业标准发展的全球领导者——固态技术协会JEDEC发布了UFS v3.0标准，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。

UFS 3.0快到原地飞起关于存储的二三事

前几天这条新闻见诸各大科技媒体，但不少朋友都看的一脸蒙圈：UFS3.0是什么鬼？23.2Gbps的带宽在手机上意味着什么？UFS3.0都用啥用？用在手机上会给我们带来哪些提升？所以本期发烧学堂，我们就来聊聊UFS 3.0存储技术，给大家答疑解惑。

从UFS说起的手机存储

某品牌发布会上，台上说：我们用的是UFS2.1存储！

旁边大哥一声尖叫吓我一跳。我跟该大哥搭话——

我：我说大哥你尖叫个啥，不会是厂商花钱雇来的托儿吧？不就是个存储么？

某大哥一脸鄙夷：听说过固态硬盘SSD不？着UFS就是手机上的SSD！传输速度更快！

我：那为啥叫UFS不叫SSD？不就是更快么，有个X用？下小电影会更快么？

某大哥瞬间脸色变黑......

（PS：别学我，容易没朋友）

其实这大哥说的没错，现在的UFS存储确实要比以前的eMMC存储传输速度更快。但为啥更快？它们之间又有哪些区别？手机存储经历了哪些发展？我们一起来梳理一下：

eMMC和UFS都是个啥？

准确的说，应该是技术标准，而不是芯片硬件本身。由于存储芯片在封装时运用了这些技术标准，所以习惯上都会用这些字母缩写来称呼这些芯片的类型。

eMMC全称为“embedded Multi Media Card”，即嵌入式的多媒体存储卡 ，由MMC协会所订立。从eMMC4.3一路发展到4.4、4.5直到现在的5.0、5.1，传输速度也从50MB/s一路狂飙到最新eMMC5.1的600MB/s，而常见于手机上的eMMC5.1实际读取速度不会超过300MB/s。

由于单通道的结构性质，eMMC不能同时读写数据，不支持多线程，想提升这种存储单元的性能，只有不断改进eMMC的总线接口，也就是我们刚才说的eMMC的版本升级。这也注定了eMMC存储不会有太高的提升空间。

两种标准的通道区别（图片引自网络）

UFS全称为“Universal Flash Storage”，即通用闪存存储 ，由固态技术协会JEDEC订立。相比于eMMC，其优势就在于使用高速串行接口替代了并行接口，改用了全双工方式，收发数据可以同时进行。

之前厂商们大力宣传的UFS 2.0规范分为两种，强制标准为HS-G2，可选标准为HS-G3。HS-G2 1Lane最高读写速度为2.9Gbps（约为360MB/s），2Lane最高读写速度为5.8Gbps（约为725MB/s）。可选标准HS-G3 1Lane最高读写速度为5.8Gbps（约为725MB/s），2Lane最高读写速度为11.6Gbps（约为1.45GB/s）。

UFS 2.1的闪存存储标准速度标准没有任何变化，主要是在设备健康、性能优化、安全保护三个方面进行了升级。

在文初我们说的UFS3.0在这一个基础上再次升级，带宽是UFS 2.1的2倍，理论的接口最大带宽为23.2Gbps，即传输速度为2.9GB/s。相比于最新eMMC5.1标准，理论上有着接近5倍的性能优势。

苹果用的是哪种协议的存储？

我们经常会听到这样一个说法，苹果的存储特别特别快，所以手机流畅。那么iPhone用的是UFS吗？其实并不是。从iPhone 6s开始，苹果在手机上用的是使用NVMe(Non-Volatile Memory express)接口协议 ，这种协议在电脑的SSD上比较常见。

在当时，iPhone 6s的闪存实际性能就达到了连续读取速度402MB/s，连续写入速度164MB/s的水准。发展到iPhone 8这一代，性能也有了进一步的提升。iPhone 8 Plus实测读取速度为1131MB/s 。而目前除了少数国际旗舰的UFS2.1读取速度能达到1100MB/s以上外，主流安卓机上用的UFS 2.1实际读取速度一般700MB/s出头 ，所以大多读取性能不如iPhone也理所当然。

不同类型的存储价格差异大吗？

既然UFS存储的性能这么牛X，那是不是比eMMC贵上很多？还真不是，其原因要从存储芯片的封装说起。

不同标准的存储价格（数据来源全球半导体观察网）

我们提及存储时，都在说有多大多大容量，事实上，手机储存容量、固态硬盘、U盘和SD卡等使用的都是一种叫做NAND的储存介质，NAND闪存是一种非易失性存储技术，即断电后仍能保存数据。我们刚才所说的存储，都是在NAND存储芯片的基础上，再加上了控制芯片，接入标准接口，进行标准封装而成的。

这样封装的好处就在于可以使结构高度集成化，而且当手机客户选用封装好的存储芯片进行手机硬件堆叠时，不需要处理其它繁琐的NAND Flash兼容性和管理问题。

之前苹果的存储内存混用一事闹得沸沸扬扬，其原因就在于NAND闪存颗粒也有不同。根据单元存储密度的差异，闪存分为SLC、MLC、TLC三种类型：

SLC（单层式存储） ，单层电子结构，写入数据时电压变化区间小，寿命长，读写次数在10万次以上，但造价高。

MLC（多层式存储） ，使用高低电压构建的双层电子结构，寿命长，造价可接受，读写次数在5000左右。

TLC（三层式存储） ，是MLC闪存延伸，存储密度最高，容量是MLC的1.5倍。造价成本最低，但使命寿命低，读写次数在1000~2000左右。

所以，采用eMMC和UFS标准虽然对价格有一定影响，但并不是所有原因，还要看闪存颗粒的类型。据悉，采用UFS3.0标准的存储芯片价格会更高一些。当然，苹果的NVMe接口协议的存储芯片价格也不低。

传输速度会给我们带来哪些影响

说可这么多，相信大家最关心的问题还是存储芯片的传输速度会给我们带来哪些影响。其实这个问题不难回答。相信给电脑加装过SSD的朋友都会有这样的体验：以前机械硬盘开机少说也得三十多秒，用了SSD后，开机时间不到10秒了；加载大型游戏能够明显感觉快出很多。在手机上用高速的存储芯片道理是相同的，就是让手机加载更快。

举个大家都有认知的例子：同时代的iPhone游戏加载速度回明显优于安卓手机，其中原因除了处理器性能和软件系统优化外，很大一部分原因就来自于苹果NVMe接口协议存储芯片的高读取速度。当然，得益于此的还有应用的加载速度。

喜欢用手机拍照的朋友，在以前肯定都有这样的烦恼：拍照时手机反应慢，按快门后得等很长一段时间才能拍摄成功；手机里存的照片太多，照片加载特别慢，稍微一滑动手机就会卡到爆。其原因除了手机处理器和软件的优化外，就是因为存储的写入和读取速度太慢造成的。

所以，在不考虑处理器和软件的情况下，存储拥有了更高写速，拍照片就可以更快响应。另外，也允许了像素更高、帧数更多的视频录制；存储读速更高，多张照片和超高质量视频加载得就更快，操作和播放的卡顿就更少。

另外，相比于eMMC，UFS的优势还在于采用了全双工方式，收发数据可以同时进行。打个比方来说，eMMC就相当于一条只允许一辆车经过的通道，对面的车要等通道内的车出来以后才能进入通道。而UFS则是双向车道，允许来往车辆同时运行。即用UFS存储的手机在执行多任务时，无需等待上一进程结束，效率自然提升不少。

那么UFS3.0会给我们带来什么？

刚才提到有更快的加载速度、允许画面质量更高、帧数更多的视频拍摄和播放。除了这些，还能给安卓手机带来什么呢？

首先，UFS 3.0的接口带宽最高可达23.2Gbps，也就是理论传输速度可达2.9GB/s。当然实际速度会有所折损，但应该不会低于2GB/s，这就远远高于iPhone 8 Plus实际读取速度1131MB/s。所以如果苹果的存储方案没有大幅度升级的话，下一代产品将被采用UFS3.0存储的手机超越，iPhone在游戏加载速度上将不具有优势。

我们即将进入网速更快的5G时代（图片来自网络）

另外，我们也将进入5G时代。5G网络最高理论速率可达20Gbps，也就是2.5GB/s左右，按照理论数据一瞬间就可以下载一部高清电影。但问题就在于市面上的手机存储芯片都没有这么高的写入速度。所以，以后制约下载速度的将不再是网速，而是存储。UFS3.0的大带宽显然与5G的高网速更般配。

但近一年内，UFS3.0应该不会投入手机市场。因为麒麟970、骁龙845、Exynos9810等研发较早，暂时没有信息证明这三款旗舰处理器支持UFS3.0标准，所以大概只有等到2019年才能在手机上见到。

写在最后

看到这里，相信大家已经对手机存储有了一定的了解。最后，我们来说一下如何鉴别储存芯片类型：下载一款名为AndroBench，进行速度测试。

标准顺序读取（Sequential Read）MB/s顺序写入（Sequential Write）MB/s eMMC 5.1250 125 eMMC 5.0 250 90 eMMC 4.5140 50

eMMC实际测试参考数值

eMMC速度可以参照表格，一般来说顺序读取速度不超过300MB/s的芯片均为eMMC标准芯片。现在见于主流机型上的UFS标准芯片顺序读取速度在700MB/s左右。当然，如果你碰到顺序读取速度到1100MB/s，那可以说该手机厂商十分良心了。

NAND闪存穷途末路下一代闪存技术百花齐放

由于闪存技术的发展，闪存正从U盘、MP3走向电脑、存储阵列等更广泛的领域。虽然其速度较以往的机械硬盘有了较大幅度的提升，但纵观整个计算架构，闪存仍旧是计算系统中比较慢的部分。况且目前主流的MLC和TLC在写入寿命上都还不尽如人意，并且随着工艺水平的提升，其寿命和良率还有越来越糟的倾向。闪存生产线已经达到15nm的水平，存储密度难在攀升、寿命却大幅下降。所以业界各个巨头都在积极研究下一代非易失性存储技术。

日前，镁光在IEEE IEDM 2014(国际电子设备大会)上就公布了其最新的可变电阻式存储（ReRAM）技术的最新进展。美光在大会上展出了其最新的27nm RAM颗粒，颗粒容量16Gb（2GB），核心面积168平方毫米，采用3层铜互连技术。而展出的芯片使用的是DDR接口，未来可以方便的更换其他接口。

由于只是用了27nm工艺制造，新的ReRAM在DieSize上相对于现在的NAND闪存并无优势，但在性能上，新的ReRAM却非常耀眼。根据镁光透露的消息，新的ReRAM可以承受10万次写入和百亿次读取；而更加难能可贵的是，ReRAM在目前就已经达到了900MB/s的读取速度和180MB/s的写入速度，读写延迟分别为2微秒和11.7微秒。在存储结构上，ReRAM可以在2个cell里存储3个bit，这一点介于目前的SLC和MLC之间。

由于未来的闪存标准还没有最终确定，因此，发力研究下一代闪存的企业和候选技术并不只此一家。

另一家名为Crossbar的新型科技公司正在研究一种名为RRAM的非易失性存储。虽然Crossbar并没有给出他们技术的具体性能，不过公司宣称其RRAM的擦写次数可以达到亿次级，并且可以在300摄氏度以下正常工作。而与目前NAND闪存工艺越高寿命越短行程对比的是，Crossbar的RRAM技术在现有技术演进路径下至少可以发展到4-5nm的水平。

当然，除了这些看似很遥远的技术，同样属于非易失性存储的相变内存（PCM）也是下一代闪存标准的有力竞争者。而且推崇这一技术的IBM已经开始着手研究如何利用相变内存替代现有NAND闪存的方案了。相对于现有NAND闪存，相变内存的擦写次数可以达到百万次级别，并且在速度上交传统闪存有上百倍的提升。当然更重要的是，镁光等厂商已经开始量产地规格的相变内存芯片。并且业界也已经有一些采用相变内存的实际产品。

随着NAND闪存在工艺进步下逐渐达到寿命临界点，新的闪存技术正在不断涌现。而这些技术最大的目标就是要在提高速度和寿命的前提下，继续推动摩尔定律向前发展，并为未来制程演进做好准备。相信2015年更多新类型的非易失性存储新品将出现在市场上和实验室里。

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