比指甲盖还小的存储卡 凭啥速度堪比SSD

存储卡是一种通用型的存储外设，它适用于手机、平板、相机、无人机、行车记录仪、监控摄像头等数码设备。然而，存储卡的读写速度始终是它的最大瓶颈，也是高端智能手机们取消对其支持的最大借口。那么，存储卡都有哪些标准，它有没有机会获得媲美SSD的性能，并重新被高端手机接纳呢？

不断扩容的存储卡

存储卡曾经包括Secure Digital Memory Card（SD）、Micro SD Card（又称TF）、Compact Flash（CF）、Memory Stick（MS）等形态，但如今依旧流行的则只剩下了SD和MicroSD。

其中，随着SD卡容量的不断提升，这两种形态的存储卡还进一步衍生出了SDHC（SD High Capacity）、SDXC（SD eXtended Capacity）和SDUC（SD Ultra Capacity）标准，有关它们的差别请参照下表（表1）。

从容量上来看，SD卡很好地完成了外置存储设备的本职工作，它所提供的容量恰好可以满足同期数码产品的扩容需要。

然而，容量是够用了，但速度呢？

不断提速的存储卡

在讨论存储卡的速度之前，我们不妨先来回顾一下SSD固态硬盘的发展历程。

SSD和存储卡一样，都使用NAND闪存作为存储介质，在使用SATA3.0总线接口时可以取得550MB/s左右的读取和520MB/s左右的写入速度（顺序速度，下同），将HDD机械硬盘远远甩在身后。

然而，作为SSD的消费主力，PC对存储性能的需求是无止境的，SATA总线很快就成为了制约整机性能发挥的瓶颈。

笔记本身上支持SATA/PCIe和仅支持PCIe总线的M.2插槽

因此，SSD开始改换门庭，尝试使用PCI-E总线（包括PCI-E2.0和PCI-E3.0，以及双通道和四通道，比如PCI Express Gen3.0×4就是四通道的PCI-E3.0总线）的M.2接口，再加上NVMe协议的加持（AHCI协议的进阶版本），让NVMe SSD实现了高达3500MB/s的读取和3000MB/s左右的写入速度，是SATA总线时的6倍~7倍！

可见，总线接口的进化，是SSD能不断提速的核心竞争力。

翻回头再来看看存储卡，这种最小只有指甲盖一般大小的NAND衍生外设，其速度的快慢同样取决于总线接口，而相关的规范技术标准则由SD协会（SD Association，简称SDA）制定，时至今日存储卡规范已经从SD1.0、SD2.0……一路升级到了SD7.1标准（表2）。

在存储卡刚诞生时，对应的SD1.0规范很有意思，它是按照CD-ROM的速度作为1X倍速来定义存储卡的性能，此时存储卡最高读取速度只有12.5MB/s，随后在SD 1.1的规范中引入了HS高速模式，将速度进一步提升到了25MB/s。

在数码相机和智能手机先后普及的年代，用户需要存储卡具备稳定的写入速度来满足连续拍摄功能的需要，因此在SD2.x规范时期SD协会引入了Class x的定义方式，最高等级的Class 10要求存储卡具备最低10MB/s的写入速度，录制标清视频毫无压力。

自SD3.0开始，存储卡支持全新的UHS-I超高速总线接口，它可以与DS和HS模式共存，在不改变存储卡针脚的前提下就能实现50MB/s或104MB/s的理论读取速度。

同时，SD3.0规范还加入了U1和U3的定义方式，将存储卡的写入速度进一步提升到了30MB/s，满足了录制FHD全高清视频的基本要求。

随着4K视频录制需求的兴起，存储卡需要更高的速率才能满足发烧用户的需求，于是，SD协会在SD4.0和SD6.0规范中先后引入了UHS-II和UHS-III总线接口，它们和UHS-I最大的差异就是启用了一排额外的针脚，上方的传统针脚兼容DS、HS和UHS-I总线，而下方的新增针脚则用于识别UHS-II新增的FD156和HD312工作模式。

标准UHS-II SD卡

UHS-II Micro SD卡和标准Micro SD卡对比

两排针脚，让UHS-II从此就有了两条数据传输的线路，一条线路可分配给主机到存储卡，另一条线路则可用于存储卡到主机，并获得了双通道半双工的工作方式。

在“全双工模式”（FD）时，两条线路分别用于传输数据和接收数据，此时其理论传输速率为156MB/s，即FD156。在双通道的“半双工模式”（HD）下，数据可以在两个方向上同时发送或接收数据，从而获得带宽翻番、总线性能加倍的增益效果，让理论传输速率提升到312MB/s，也就是HD312。

SD6.0规范中新增的UHS-III总线接口更厉害，虽然它仅支持以全双工的方式运行，但却将速度提升到了FD312（312MB/s）和 FD624（624MB/s），同时该总线还减少了存储卡从省电状态转变为活动状态所需的时间。

没错，UHS-III总线接口其实更像是专门针对专业摄像机和智能设备定制的新方案，安装在里面的APP不仅运行飞快/连拍和4K视频录制无延迟，从待机到唤醒的延迟更低，还不耽误存储卡长时间处于省电状态。

可以说，从UHS-II总线接口开始，存储卡就具备了挑战手机专用的eMMC5.1闪存的实力，而UHS-III总线接口则可媲美UFS2.0闪存和SATA总线接口SSD固态硬盘的速度。

可惜，虽然SD6.0规范和UHS-III总线技术2017年就已经制定发布，但至今市面上最高档的存储卡却依旧停留在UHS-II总线接口层面。

随着2018年SD7.0规范的推出，存储卡很有可能跳过UHS-III总线，直接拥抱最新的PCI-E总线接口和NVMe协议。

扩展阅读：三星UFS存储卡

除了SD协会规范的UHS-III总线接口可提供媲美SSD的性能以外，由JEDEC（固态技术协会）主导的UFS标准也是给存储卡提速的不二法门，2018年推出UFS v1.1标准的最高存储速度可达1.5GB/s（UFS1.0标准顺序读写速度分别为530MB/s和170MB/s）。UFS存储卡的大小和Micro SD相似，只是外观更像“鲨鱼鳍”，金手指也经过了重新设计。

SD7.x向SSD宣战

2018年6月，SD协会正式公布了SD7.0规范，它主要包括两个全新的特性：第一是让存储卡能通过用PCIe Gen3.0×1总线接口和NVMe协议传输数据，将理论传输（读取）速度从UHS-III总线最高的624MB/s提升到了985MB/s；第二则是定义了全新的“SDUC”标准，将存储卡容量从2TB扩容到最高128TB。

符合SD7.0规范的存储卡将被称为“SD Express”（存储卡表面会增加Express或EX的标识），它的外观样式和现有的SD卡相同，只是和UHS-II/III一样，在原有的金属接点下方增加了10个新针脚。

2019年初，SD协会更新了SD7.1规范，加入Micro SD Express来满足手机等小尺寸设备在未来的应用需求，通过PCI-E总线接口提供985MB/s理论频宽，同时运用NVMe v1.3通讯协定来提升数据吞吐量。

小提示： SDUC只是容量标准，采用UHS总线接口的存储卡要是容量超过你2TB也能被称为SDUC存储卡。现阶段SD Express存储卡的容量还停留在GB级别，所以未来很长一段时间里，SD Express还都属于SDXC存储卡的范畴。

和过去一样，SD Express存储卡同样向下兼容所有的SD读卡器（或手机、无人机、数码相机等终端设备，下同），但要想获得985MB/s的理论值需要搭配SD Express专用的读卡器，在支持UHS-II/III总线接口的读卡器（或设备）上则仅能取得104MB/s的传输速度。同理，UHS-II/III存储卡碰到SD Express专用的读卡器（或设备）时也会被限速到104MB/s。

目前，瑞昱和群联都已发布支持SD7.x的主控，为这种超高速存储卡的普及奠定了基础。 其中，瑞昱符合SD 7.0规范的主控制器型号为“RTS5261”，其读取速度最高为985MB/s。群联的SD 7.1规范主控型号为“PS5017”，完全支持SD 7.0和SD 7.1，也是当前第一款同时实现了SD Expess、Micro SD Express的方案。PS5017支持3D TLC/QLC闪存，支持ONFI、Toggle 2.0接口，读/写速度最高分别为900MB/s和500MB/s，同样堪比PC领域入门级的PCIe NVMe SSD。

前不久西部数据也曾在ComputeX2019上展示了Micro SD Express标准的存储卡，在现场 DEMO测试中，其连续读取速度为888.9MB/s，写入速度也达到了428.2MB/s，传输一份12GB容量的文件不足30秒。同时，JMicro（智微科技）也表示将和西部数据同步推出相应的SD7.x读卡器，让这种新一代高速存储卡能有用武之地。

实际应用路漫漫

当PC都用上SSD，手机集成UFS闪存之后，再使用传统存储卡作为数据的周转无疑就是一种体验上的倒退。当SD7.1规范和Micro SD Express存储卡诞生后，则为整个移动行业提供了一个引人注目的新选择——手机等移动设备终于可以用上能随时安装或取出的“移动SSD”了，接近1000MB/s的传输速度，足以满足手机上具有高速要求的应用程序、不断发展的游戏系统、多信道物联网设备、众多汽车应用、更高分辨率的移动视频、动作相机、360度视频和VR等应用场景的交互需求。

小提示： 最新的SD7.1规范还有一个隐藏卖点，那就是使用的PCI-E 3.1总线包含低功耗子状态（L1.1， L1.2），可进一步降低存储卡待机时的耗电。

但是，就好像UHS-II存储卡至今也没能在手机和PC圈普及一样，（Micro）SD Express存储卡虽然拥有更极致的速度表现，但周边生态并不完善，生产成本也相对高昂，短时间内它主要的应用领域还是4K/8K视频摄像机、无人机等高端领域，什么时候我们新买的笔记本和手机都标配支持SD Express的读卡器，它才具备真正的普及机会。

此外，存储设备在长时间运行时都会遭遇一个严峻的考验，那就是发热。PC上的PCIe NVMe SSD往往需要搭配金属散热片（或借助笔记本底盖散热）才能保证不掉速，超过200MB/s速度的闪存盘在全速运行时表面也非常烫手。

作为速度接近1000MB/s、尺寸只有指甲盖大小、使用塑料材质基板且无任何散热措施的SD Express存储卡，你能想象它的“热情”吗？

Flash闪存原理、区别与分类

Flash（即闪存）是不需要Vpp电压信号的EEPROM，属于非易失性存储器（NVM）。Flash的类型主要分两种，nand flash和nor flash，这种分类方式是根据存储单元在矩阵中的排列方式来分类的。

基本原理：

Floating Gate

Flash存储单元基于浮栅(Floating Gate, FG)技术。MOS晶体管由两个重叠栅极CG（Control Gate）和FG（Floating Gate）构成。FG被隔离孤立在中间，像是浮在空中的小岛，这也就是“浮栅”名字的由来。 FG被氧化物包围，在无外力作用下，电子能在其中长期保留。从浮栅中注入和去除电子的操作分别称为编程（program）和擦除（erase）。这些操作修改了存储单元的阈值电压Vth，存储单元是一种特殊类型的MOS晶体管。在CG端上施加一个固定的电压，就可以区分两个存储级别:当栅极电压高于电池的Vth时，电池是开的(“1”)，否则是关的(“0”)。

NOR Flash 和NAND Flash主要区别：

1，物理结构：

NOR Flash采用并行阵列架构，其中每个cell都可以通过触点直接访问，这也是NOR闪存具有卓越随机性能的原因。

NOR Flash结构

NAND Flash采用串行结构，存储单元以32个或64个为一组进行串联，如图所示。两个选择晶体管被放置在行边缘，以确保与源线(通过Msl)和位线(通过Mdl)的连接。每个NAND行与另一个行共享位行联系。控制门通过字线(wordlines, WLs)连接。

NAND Flash结构

2，存储单元面积、单位成本、读取速度、功耗

由于在物理结构上的差异，导致了两种Flash在面积、单位成本、读取速度及功耗的差异：

NOR Flash：存储单元面积大、单位成本高、读取快、功耗高；

NAND Flash：存储单元面积小、单位成本低、读取慢、功耗低；

NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半,由于生产过程更为简单,NAND结构可以在给定的尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格。NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分,而NAND flash只是用在8MB以上的产品当中,这也说明NOR主要应用在代码存储介质中,NAND适合于数据存储。

3，接口及使用

NOR Flash接口类似SRAM接口,有足够的地址引脚来寻址,可以很容易地存取其内部的每一个字节。由于NOR flash接口非常直接地使用基于NOR闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。

NAND Flash器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据,各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚分时用来传送控制、地址和数据信息。在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序或者硬件控制器支持，才能继续执行其他操作。所以使用上并不如NOR Flash方便容易。

4，位交换

位交换也叫位反转（Bit twiddling/bit flip），即存储值由0变1或者由1变0。所有flash器件都受位交换现象的困扰。所以就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存,NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候,同时使用EDC/ECC算法。这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然,如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时,必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。

NOR flash由于物理结构的不同，很小概率出现位反转现象，故无纠错系统。

5，坏块处理

NAND器件中的坏块是随机分布的，需要对介质进行初始化扫描以发现坏块,并将坏块标记为不可用。NOR Flash则几乎无坏块或者很少，所以没有坏块处理模块。

Flash器件：

目前的flash存储器都符合PCMCIA标准，可以方便的用于各种设备上。当前有两种类型的卡：一种为Flash存储器卡，此种卡只有Flash Memory芯片组成的存储体，在使用时还需专门的软件进行管理。另一种称为Flash驱动卡，此种卡中除Flash芯片外还有由微处理器和其他逻辑电路组成的控制电路。

1，Flash存储器卡 ：

Flash存储器卡也称为闪存卡（FlashCard），是利用闪存（FlashMemory）技术达到存储电子信息的存储器，一般应用在数码相机，掌上电脑，MP3等小型数码产品中作为存储介质，所以样子小巧，有如一张卡片，所以称之为闪存卡。根据不同的生产厂商和不同的应用，闪存卡大概有SmartMedia（SM卡）、CompactFlash（CF卡）、MultiMediaCard（MMC卡）、SecureDigital（SD卡）、MemoryStick（记忆棒）、XD-PictureCard（XD卡）和微硬盘（MICRODRIVE）这些闪存卡虽然外观、规格不同，但是技术原理都是相同的。

CF卡

CF卡(Compact Flash)是1994年由SanDisk最先推出的一种闪存卡，它革命性的使用了 闪存技术，对所保存的数据来说，CF卡比传统的磁盘驱动器安全性和保护性都更高。路由器、交换器等大多数的网络及电信设备及数码相机仍以CF卡 为主要的外部储存装置。

SM卡

SM卡(Smart Media)是由东芝公司在1995年11月退出的Flash Memory存储卡，三星公司在1996年购买了生产和销售许可，这两家公司成为主要的SM卡厂商。SmartMedia卡是市场上常见的微存储卡(但是最大容量只有128MB),一度在MP3播放器上非常的流行。SmartMedia卡被视为软磁盘的替代者，曾是数码相机普遍支持的存储格式，如今已是没落消亡之势。这一格式相比其他而言最大的好处是通过一个名为FlashPath的转换器，可以在标准的3.5英寸软盘驱动器内使用任何容量的SM卡。

MMC卡

MMC卡(MultiMedia Card)卡由西门子公司和首推CF的SanDisk公司于1997年联合推出，号称是目前世界上最小的Flash Memory存储卡。近年MMC卡技术已差不多完全被SD卡所代替，但由于MMC卡仍可被兼容SD卡的设备所读取，因此仍有其作用。

MS卡

MS卡(Memory Stick)通常称为记忆棒，是Sony公司研发并于1998年10月推出市场的，采用了Sony自己的外型、协议、物理格式和版权保护的一种闪存卡。MS卡的规格和同一时间上市的MMC很相似。

SD卡

SD卡(Security Digital Memory Card,译成安全数码卡) 由松下、东芝和SanDisk联合 推出，1999年8月才首次发布，大小如一张邮票。SD读卡器对计算机来说类似一个USB的软驱的作用，插上SD卡后的读卡器跟U盘功能是一样的，大小也和普通U盘类似。读卡器与电脑主机之间的连接都是采用USB接口，这种产品是配合数码相机而产生的。有外接式和内置式两种，不少新的个人电脑都已经内置了多功能的读卡器。

TF（MicroSD）卡

TF卡(TransFlash)由SanDisk(闪迪)公司发明创立，是一种主要用于手机的极细小的 快闪存储器卡，2004年重命名为MicroSD(顾名思义，就是小SD卡)。几乎只有一片指甲盖的大小，主流台式机、笔记本上均设有直接插槽，通过SD式读卡器连接后可以读写数据。

xD卡

xD卡(eXtreme Digital-Picture Card)是一种专门于数码相机的闪存存储卡，由富士胶 卷与奥林巴斯联合于2002年7月发布，用于取代SM卡(SmartMedia Card)。

miniSD卡

miniSD是闪迪2003年发布的极细小型规格标准SD卡，特别设计于移动电话上，并随卡附上minSD转接器，令它能够兼容所有配置了标准SD卡插槽的设备中。

微硬盘MD

微硬盘MD(Microdrive)最早是由IBM公司开发并于1999年上市的一款体积非常微小的硬盘式数据存储设备，用来对抗市面上主流的闪存产品。IBM将旗下硬盘部门卖给了日立(Hitachi)公司，因此自2003年起MicroDrive的技术与专利是由日立公司拥有。微型硬盘具有记忆容量大、读写速率高有点，缺点是较为耗电、容易发热、使用寿限较短和抗震性能差。

2，Flash驱动卡

eMMC卡

eMMC ( Embedded Multi Media Card) 采用统一的MMC标准接口， 把高密度NAND Flash以及MMC Controller封装在一颗BGA芯片中。针对Flash的特性，产品内部已经包含了Flash管理技术，包括错误探测和纠正，flash平均擦写，坏块管理，掉电保护等技术。用户无需担心产品内部flash晶圆制程和工艺的变化，同时eMMC单颗芯片为主板内部节省更多的空间。

UFS卡

UFS (Universal Flash Storage，通用闪存存储)，UFS是一种高性能接口协议，也代表使用该协议的存储设备，设计用于需要最小化功耗的应用，包括智能手机和平板电脑等移动系统以及汽车应用，其高速串行接口和优化协议可显着提高吞吐量和系统性能。

U盘

U盘(USB flash disk)，据谐音也称“优盘”。U盘是闪存的一种，故有时也称作闪盘。U盘与硬盘的最大不同是，它不需物理驱动器，即插即用，且其存储容量远超过软盘，极便于携带。U盘集磁盘存储技术、闪存技术及通用串行总线技术于一体。相较于其他可携式存储设备，闪存U盘有许多优点：占空间小，通常操作速度较快(USB1.1、2.0、3.0标准)，能存储较多数据，并且性能较可靠(由于没有机械设备)，在读写时断开而不会损坏硬件(软盘在读写时断开马上损坏)，只会丢失数据。这类的磁盘使用USB大量存储设备标准，操作系统如 Linux、 Mac OS X、Unix与 Windows中皆有内置支持。

SSD固态硬盘

SSD（Solid State Drives ，即为固态硬盘），一般由存储单元（Flash或DRAM）和控制单元组成，固态硬盘是目前最主流的一种硬盘，而且在可预见的未来当中，短时间内很难会被其他硬盘替代。SSD读写速度快、防震抗摔性、低功耗、工作温度范围大、轻便。

flash存储器的种类很多，在生活中的应用也越来越广泛，但是价格依然处于昂贵的阶段， 而这也限制了flash存储器的使用，希望flash存储器能够摆脱价格昂贵的缺点，真正完全地进入人们的生活。

后记：

关于半导体存储基础及分类请参考：

《半导体存储发展与分类》

https://www.toutiao.com/article/7166887627948589605/?channel=&source=search_tab

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