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NAND技术UFS 3.1 一文看懂UFS 31

发布时间 : 2024-10-09

作者 : 小编

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一文看懂UFS 31

海量信息的到来，推动着存储产品不断进步。手机作为现代最常用的电子设备之一，其中所用到的存储产品也在不断更迭。从最早先的SD，到eMMC，再到UFS，手机闪存的改变，加快了数据写入和读取速度，也提升了手机的用户体验。

如今，SD卡几乎已经退出了手机市场的舞台。在这之后，eMMC和UFS相继被手机用于其闪存当中。eMMC和UFS 都是面向移动端 Flash 的标准，早期的智能手机闪存标准多数采用eMMC，而到了2019年，这种情况发生了改变，不少智能手机开始采用UFS标准下的UFS 2.1标准。

一个月前，JEDEC（固态技术协会）发布了关于UFS的最新标准——UFS 3.1新标准。而后，铠侠（Kioxia）和西部数据（WD）就已经推出了首款适用于智能手机的UFS 3.1兼容存储器。有市场猜测，UFS 3.1有望在下月实现商用，而这正好可以赶上 5G 主流智能机厂商的新品发布。

UFS 3.1是什么？

根据目前市场情况来看，UFS已经开始渐取代eMMC，成为未来一段时间内的主流手机存储。那么什么是UFS，最新发布的UFS 3.1新标准，又会带来哪些性能上的提升？

UFS（Universal Flash Storage）即通用闪存存储。UFS 1.0标准诞生于2011年，但是，UFS1.0相较于eMMC并没有实质上的优势，所以并没有得到大规模的使用。2013年9月，JEDEC发布了UFS 2.0，2.0版本提供了更高的链路带宽以提高性能，扩展了安全功能并提供了其他省电功能。按照数据来看，UFS 2.0提供了HS-G2和HS-G3（可选）两个传输信道，理论带宽分别为5.8Gbps（725MB/s）和11.6Gbps（1450MB/s），速度上大大超过了eMMC 5.0的400MB/s理论带宽。从2016年开始，随着UFS2.0实现量产以及手机处理器逐渐加入对UFS2.0的支持，UFS2.0闪存开始被主流旗舰手机所青睐。同年，JEDEC又发布了UFS 2.1的通用闪存标准，2017年UFS 2.0开始向UFS 2.1标准升级，其可选的HS-G3通道也逐渐成为了“必选”。

2018年1月30日JEDEC发布了UFS标准3.0版，该版本是针对需要高性能、低功耗的移动应用和计算系统而开发的。此外，UFS 3.0还使用MIPI M-PHY v4.1和UniProSM v1.8，具有更高的每通道11.6 Gbit / s数据速率（1450 MB / s）。其中，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，由于UFS的最大优势就是双通道双向读写，所以接口带宽最高23.2Gbps，也就是2.9GB/s，这个数据也是HS-G3（UFS 2.1）性能的2倍。2019年下半年大多数的主流旗舰机，也都选用了UFS 3.0。由此可见，通用闪存存储产品开始渐入佳境。

2020年1月30日JEDEC发布了UFS 3.1标准，相比于之前的版本，UFS 3.1更新了三个部分。包括“ Write Booster”——SLC非易失性缓存，可提高写入速度。“DeepSleep”——增加了一种新的低功耗状态，降低UFS的工作压力和减少对稳压器的唤醒来达到降低功耗的目的，延长设备的电池续航时间。以及“Performance Throttling Notifications（性能节流通知）”——当高温导致存储性能下降时，UFS设备可以通知主机，主机性能增强器功能是可选的。在该标准宣布不到2个月的时间内，Kioxia和WD就推出了相关产品，另外，还有外媒爆料称，预计UFS 3.1的芯片将会在今年开始量产，或在三星手机上首发。

UFS的竞争

据相关统计数据显示，在2017年至2023年之间，用于大容量存储应用程序的通用闪存市场将以最快的速度增长。全球通用闪存存储市场估计将从2017年的165万美元增长到2023年的450万美元，在2017年至2023年之间的复合年增长率为18.3％。目前，三星、SK海力士、美光、东芝等公司都在UFS上有所成就。

就手机方面来看，全球目前手机厂商能够选择闪存生产厂家主要集中在美光、海力士以及三星这三家，而且绝大多数还是在三星手里。

三星方面，在2018年高通香港4G/5G峰会上，三星就曾宣布将于2019年起推行UFS 3.0存储芯片的商用进程。据悉，其全新的UFS3.0闪存将于2019年上半年推出，首批将有128GB、256GB、512GB三种大小的存储容量，最大数据传输速率为2000MB/s，2021年出货1TB存储容量。去年三星所推出的其首款折叠屏手机Galaxy Fold就用上了UFS 3.0。2019年2月，三星电子在官网宣布，全球首发量产512GB eUFS3.0闪存芯片，这也让三星成为了全球唯一一家可以量产512GB eUFS3.0闪存芯片的公司。今年2月，realme也用上了三星的UFS 3.0，据快科技报道显示，realme官方表示，realme x50 pro采用的是三星标准的UFS 3.0+turbo write技术。

在UFS 3.0方面，东芝在2019年宣布已经试产了全球首个符合UFS 3. 0 标准的闪存芯片，主要面向智能手机等移动设备，东芝UFS 3. 0 闪存芯片容量有128GB、256GB和512GB三种规格，其512GB产品于2019年3月发布。据悉，据悉，东芝UFS 3. 0 闪存芯片基于东芝的 96 层堆叠BiCS4 3D TLC闪存技术，使用东芝自研主控。512GB的UFS 3. 0 闪存芯片读写速度要比上代UFS 2. 1 分别提高大约70%、80%，不过东芝并没有披露具体的读写速度。自去年10月后，东芝存储更名为铠侠。在今年当中，铠侠推出了其UFS 3. 1闪存芯片。据悉，该芯片使用最新的 BiCS 3D NAND 闪存，搭配的是铠侠自研的UFS 3.1主控，可选 128 / 256 / 512GB 和 1TB 容量，支持写入加速、深度睡眠和性能节流通知等标准特性。

在UFS 3.1方面，西数也有了最新的产品——iNAND EU521。据相关报道显示，西数UFS 3.1搭配了主控方案+ 96层3D TLC 闪存，可选128 / 256GB容量。西数在其新产品中也同样跟进了本次UFS 3.1标准中的三项主要更新，但其并不支持可选项中的内容，即不支持任何类型的主机性能加速。

此外，还有厂商认为，即便目前3.1规范已经公布了，但想要在今年看到智能手机全面升级到UFS3.1并不现实，除了新标准的普及需要一段时间和成本原因外，还需要手机SoC提供支持。

除了国际厂商外，我国致力于存储产品的企业也在UFS上取得了一些成绩。2018年，紫光存储推出的首个国产UFS系列产品，面向旗舰智能手机和高端平板电脑等领域，采用的是JEDEC UFS2.1协议，支持双线MIPI M-PHY HS-Gear 3物理层，传输速度可达11.6Gbps。

此外，宏旺半导体也在其官方微博上发表文章称，移动设备闪存毫无疑问都会走向更有未来的UFS接口标准，尤其是5G网络即将带来的数据狂潮，则会让UFS更有用武之地。宏旺半导体推出的UFS采用串行数据传输技术，以及全双工运行模式，同一条通道允许读写传输，而且读写能够同时进行，带宽已达1.5GB/s以上。

UFS不仅让存储厂商迎来了新的发展机会，还让主控厂商有利可图。据相关报道显示，台湾厂商群联电子（Phison）曾公布在UFS闪存上的研发进程。据雷科技报道显示，群联的UFS 2.1分为2代产品，吞吐量分别为800MB/s和1333MB/s，据悉，其UFS 2.1主控产品曾经获得了高通和华为的认可。而群联最新的UFS 3.0的吞吐量更是高达2666MB/s，相比UFS 2.1基本是成倍增长。

除手机市场外，UFS的价值

UFS非常昂贵，所以在初期它仅适用于高端电子设备。但有调研机构认为，随着连接服务以大幅下降的价格以及新应用程序的出现迅速增长，物联网的安装基础将增加，这将导致对高存储内存设备的需求，为UFS市场创造增长途径。

此外，在UFS市场中，汽车电子领域预计将在预测时间表内实现高速增长。这可以归因于对处理和存储大量数据的需求不断增长。在汽车领域上，也有很多厂商在此进行了布局。其中，三星针对汽车等应用推出了eUFS解决方案。三星电子在2017年9月宣布首款128GB eUFS技术有所突破之后，于2018年又宣布量产了256GB eUFS 2.1车用内存。据悉，该储存设备将为下一代驾驶辅助系统（ADAS）、车用娱乐系统与仪表板应用带来更好的发展。

美光UFS 2.1产品也已经开始接触汽车领域。2019年6月，美光的汽车级存储解决方案UFS 2.1已经向汽车客户开始送样，当时公司预计2019年该产品将于第三季度实现批量生产。该产品基于64层TLC 3D NAND，容量覆盖从32GB到256GB。公司表示，UFS 2.1产品组合满足了快速系统启动和由汽车娱乐系统和仪表盘数据带动的更高数据带宽的需求。

此外，2019年11月，铠侠也宣布已经开始送样汽车级512GB容量的UFS 2.1嵌入式产品。铠侠Automotive UFS 2.1系列产品是在2019年初发布的，有16GB、32GB、64GB、128GB和256GB容量可供选择。据悉，其UFS 2.1车规级产品能够支持汽车温度范围（-40°C至+105°C），以及符合AEC-Q100 Grade2 标准要求，并提供各种汽车应用所需的扩展的可靠性。

结语

目前，UFS产品已经在手机市场上取得了成绩。同时，伴随着5G的爆发，UFS产品还拥有着巨大的市场潜力。JEDEC虽然公布的最新的标准，但相对较早的UFS标准依然还具有较强的竞争力，包括在UFS产品价格不再居高后，非旗舰手机可能会采用UFS，以及物联网和汽车领域为UFS带来的前景机会。

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

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UFS 31到底是什么？听专业产品经理给您一次讲明白

[PConline 专访]UFS这三个英文字母放在现如今可谓一点也不陌生，越来越多的手机厂商在宣传自家产品适合都会带上一个UFS 2.1/UFS 3.0之类的样式，表示该设备具备高速读写的性能。而现如今UFS 3.1已经开始慢慢与大众见面，那么UFS3.1对比以往的3.0或是2.1到底又有怎样的变化？

今天我们有幸采访到慧荣科技产品企划部协理谢逸群先生，来为大家一一解答UFS 3.1的所有疑问。

UFS 3.1比UFS 2.1感知强吗？体现在哪些方面？

慧荣科技产品企划部协理谢逸群先生表示，UFS 3.1是3.0的优化版，最直观的速度方面是达到了UFS 2.1的两倍，而且相比较主要改善效能存取与省电性能。

UFS 3.1与3.0版本不同的部分包括：

写入增强器(Write Booster)技术： 在符合UFS 3.1标准的设备上，引入一个SLC非易失性缓存，从而进一步提高写入速度。

深度睡眠(Deep Sleep)技术 ：在存储器没有读写动作时，进入深层睡眠模式，从而达到最低耗电量，并且耗电量比UFS3.0 hibernate更低30~50% ，可以利用reset 或重新起电叫醒UFS。

性能调整通知（Performance Throttling Notification）： 该功能可在UFS 3.1设备因为某些情况导致存储性能受到影响时，及时通知主机有关性能限制的信息。

在手机容量进入512GB与1TB之后，更多有效管理的储存技术，除了可以提高存储器的效率，还能降低耗电量。 在5G时代，应用如在线游戏、AR/VR都是需要快速读写数据与大量记忆存储的应用，UFS 3.1的高性能表现会更加相得益彰。

就目前而言，UFS 3.1哪些场景带来的升级最直观？

对此，谢逸群举了简单的例子，在读取4K高清影片时，UFS3.1所需时间更短 ，加载所需要的时间不到eMMC5.1的1/3，相应在体验游戏时，UFS3.1的手机延迟更低，画面更流畅，让我们的手机在应对更多场景时不会卡顿。

而且手机用户在APP启用速度可以感受到大幅提升 ，以前只能开一个App，现在可以支持多任务同时执行进而提供手机用户更顺畅的使用体验，而对于大文件、大视频的传输，在使用者体验可以明显感受到接收/传输文件、打开视频速度都提升许多，这些都是最直观的在使用方面能感受到的升级变化。

前面内容想必让大家对于UFS 3.1有了不少了解，今天之所以选择与慧荣科技的产品企划部协理进行一个采访的交流，也是因为慧荣科技作为目前UFS主控芯片的提供商，对于这方面的了解必然是更专业的。

速度提升中，主控芯片扮演怎样的角色？

慧荣科技作为UFS主控芯片的提供商，今年发布了SM2754主控芯片，谢逸群先生跟我们聊到，在技术方面慧荣科技的SM2754可以同时支持UFS 3.0/3.1规格，领先支持UFS3.1 规格。

实现更高的存取速度

并且支持HS-Gear4-2L标准、SCSI体系结构模型(SAM)和UniPro 1.8标准，可实现高性能存储、更高的性能和更简易的系统设计门坎。SM2754整合了专用硬件和控制器技术，采用了更优秀的算法，以提高随机顺序读与写性能，顺序读取速度可达2,000 MB/s，顺序写入速度在Write Booster的支持下可达1000 MB/s以上，并且在写入增强器(Write Booster)和主机性能提升器(Host Performance Booster)两大特点和不断优化的固件方案的加持下，读写性能还将进一步提高。

从产品企划部协理口中我们了解到，对于芯片的技术研究，慧荣科技真的非常专业。作为一家UFS及SSD主控芯片的提供商，手机UFS和SSD主控是肯定有所不同，而对于两者关注点的不同，协理与我们的交流中表示，UFS主要应用在手机上，所以比SSD更重视功耗及电池续航力。

类SSD的管理技术

例如今年JEDEC发布的UFS 3.1标准新增的技术，在速度、功耗、稳定性上就有新突破，使得UFS存储设备在功能上更接近SSD，大幅度改善用户体验，像是导入HPB(Host Performance Booster) 功能，此技术概念类似SSD的主控端内存缓冲 (Host Memory Buffer， HMB)，让SSD可以直接把映像表放在主机端的DRAM上，透过PCIe接口来存取主机上的内存，这样一来，便可以直接在主机内存上读写SSD映像表，同一笔数据存储的时候尽量同一区，读取时透过映像表以提高性能。

当然作为行动存储应用的UFS主控芯片，性能是毋庸置疑不能省略的地方，兼顾性能和功耗才是使得存储产品寿命延长，慧荣科技控制器会预先规划来支持最新UFS规格及下一代3D NAND，同时也将低功耗(low power)规格放进设计以达到高性能的要求。

量身定制的客制化设计

在面对不同手机厂商的定制化需求，搭配不同的资料连接接口与存储的设定，慧荣会提供量身订做的定制化设计满足手机厂商全方位的需求。

当芯片规格升级之后对于提供商而言，技术力上的要求也是有了相对应挑战，慧荣科技的谢逸群也表示，UFS3.1与UFS2.1相比，接口提升一倍，而对于手机用户来说开启速度更快，场景切换更加流畅，并且保持电池的续航力，能为游戏体验带来不少加分，这在主控设计上必须考虑到速度提升一倍, 功耗需要保持一样或是更低, 效能上要如何去达到目标也是我们在设计IC上的架构需要特别去考虑的地方。

而且即将面对是云游戏的来临，代表着资料量更大，游戏业者也会继续成长，传输变更快，对游戏的质量也会更大，所以数据存储的的空间也会变大。

慧荣科技提供不只是针对移动设备，从Edge端到云端慧荣科技都有相对应的解决方案来满全方位的需求。由于每一种应用场景都不相同，搭配不同的资料连接接口与存储的设定，都需要闪存主控芯片来加以量身订做与客制化设计，慧荣正是NAND Flash主控芯片的全球领导者，拥有超过20年的设计开发经验，凭藉丰富的主控芯片经验，慧荣可提供量身订做的客制化设计来满足全方位的需求。

为何每每谈及UFS 3.1技术面世都会与5G时代脱不了干系，对此现象协理谢逸群先生有他的看法，UFS 3.1在SA独立组网后也会更容易发挥5G的速度，延时也会缩短至毫秒级，不会受4G限制，例如下载高清视频数秒钟就可以完成、云游戏、AR/VR影音串流、互联网可以减少卡顿负担。

未来储存的方向在哪？

当我们问及谢逸群，对于未来而言，存储标准的方向在哪？是追求更高速度、更省电或是体积更小？谢逸群对此也没有保留：高规格闪存在手机体验中最显着的不外乎是「快速」、「低延迟」等特性，传输速度越快可以让游戏程序的应用可以更丰富，并且可以改善以往手机游戏常见的延迟问题，手机用户可以在几秒钟内下载整部电影，在没有网络. 延迟的情况下观看 360 度的全景内容和虚拟现实，还可以玩 4K 分辨率的在线游戏。

同时随着手机性能的不断提高，手机功能越来越多，对于手机功耗的压力也越来越重，大家对于手机的续航表现要求也越来越高，行动存储应用的UFS主控芯片，需要重视高性能、低功耗及如何管理3D NAND让整个存储产品寿命延长。

慧荣科技控制器预先规划来支持最新3D NAND接口的速度，同时也将低功耗(low power)规格放进设计以达到高性能的要求。手机厂商也是朝这目标在进行，会针对不同手机应用场景，在内部测试电池时，都会针对电池续航力在不同的场景应用加以调整及优化。

对于5G时代的来临，还有一个关键字“毫米波” 也在其中有着至关紧要的地位，因为毫米波是5G网络一个很重要的技术，通过毫米波的使用，可以极大的扩展频宽资源，从而获得极大的空口带宽，提高通信传输速率和质量，对于储存的标准也会需要更高速及更大的容量才能满足毫米波的发展。

谢逸群表示，对于毫米波技术，慧荣科技一直走在前列，并已努力耕耘数年 ，不只是参加标准协会论坛，也和中国信息通讯研究院有所沟通，我们在5G及云存储市场上将会拥有一定的竞争力。未来的5G及云服务企业需要一些比较特殊性的要求，慧荣科技在UFS主控芯片和固件上有着许多突破和发展，让我们可以在这个市场中站稳脚步，我们也会持续掌握市场脉动，如何让慧荣科技在客户端发挥作用，如何让我们的客户获取到充分的价值，这就是慧荣科技最重要的地方。

除了5G手机之外，UFS 3.1闪存在其他产品应用如何？

谢逸群先生表示，UFS 存储产品已经在手机市场上取得了成绩。同时伴随着 5G 的爆发，UFS 产品还拥有着巨大的市场潜力， UFS存储产品的普及是否只存在手机，是否可以应用在其他发展，是行业对于UFS的运用最关注的事，在其他的应用需要对应的host不同，这对于存储行业来说，都是新的需求和挑战。

慧荣科技透露，已与国内外许多品牌大厂有密切的合作，在不少研发的产品中都有使用到慧荣科技的产品，今年会有产品问巿。如何让我们的客户获取到充分的价值，慧荣科技会做好该做的，持续投入研发并协助合作伙伴，提供更多元化的产品。

通过慧荣科技产品企划部协理谢逸群先生与我们的这次分享，相信大家能对UFS 3.1有更多的了解。

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