几种闪存技术:eMMC、UFS2.1、UFS3.0、SSD

它们的区别和作用

SSD 主要作用是取代 PC/服务器 上的 HDD 硬盘,它需要:

  • 超大容量(百GB~TB级别)
  • 极高的并行性以提高性能
  • 对功耗,体积等要求并不敏感
  • 兼容已有接口技术 (如SATA,PCI)

SSD发展历程:https://blog.csdn.net/u012414189/article/details/85063550

而 eMMC 和 UFS主要是针对移动设备发明的,它们需要:

  • 适当的容量、性能
  • 对功耗 ,体积的要求极其敏感
  • 仅需遵循一定的接口标准

eMMC的发展历程

MMC,是一种闪存卡 (Flash Memory Card) 标准,它定义了MMC的架构以及访问Flash Memory的接口和协议。而eMMC(embedded MultiMediaCard)则是对MMC的一个拓展,以满足更高标准的性能、成本、体积、稳定、易用等的需求。

Flash分为两种规格:NOR Flash和NAND Flash,两者均为非易失性闪存模块。
1988年,Intel首次发出NOR flash技术,彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。NOR类似于DRAM, 以存储程序代码为主,可以让微处理器直接读取。因为读取速度较快,晶片容量较低,所以多应用在手机这样的通讯产品中。
1989年,东芝公司发表NAND flash结构,强调降低每比特的成本,更高的性能,并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。因为NAND flash的晶片容量相对于NOR大,更像硬盘,写入与清除资料的速度远快于NOR,所以多应用在小型机以储存资料为主。
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NAND Flash的存储单元发展:从SLC, MLC到TLC,超越摩尔定律
TLC (Triple-Level Cell) , 即3bit/cell,速度慢,寿命短,价格便宜,约500次读写寿命。
MLC (Multi-Level Cell) , 即2bit/cell ,速度一般,寿命一般,价格一般,约3000-10000次读写寿命。
SLC (Single-Level Cell) , 即1bit/cell,读写速度快,寿命长,价格是MLC三倍以上,约10万次读写寿命。

摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为:当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。换言之,每一美元所能买到的电脑性能,将每隔18个月翻两倍以上。而NAND Flash行业的摩尔定律周期则只有12个月。

随着纳米制程工艺和存储单元的发展,使得同样大小的芯片有更高密度和更多的存储单元,Flash得以在容量迅速增加的同时,还大幅降低了单位存储容量的成本,嵌入式存储eMMC即营运而生。

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。

从eMMC到UFS

eMMC的协议因为多年未更新,并且eMMC的数据时序标准到达瓶颈,所以很难再有新的发展。而且并行8总线的eMMC因为需要并行-串行转换,速率很难提升上去。而连接简单、高速率、串行方式的UFS变成新的趋势。

UFS (Universal Flash Storage,通用闪存存储),UFS是一种高性能接口,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。

数据传输形式不同
  • eMMC为半双工结构,同一时间下只能读取或者写入,但是UFS是全双工结构,既可以读取又可以写入。
  • UFS使用的是差分传输结构,而eMMC使用的是单线传输形式需要考虑噪声容限等指标,且信号电平要高于UFS,因此速率受限不如UFS。
eMMC、UFS、SATA速率比较

eMMC与UFS相比,总线数量太多,但最终处理都是要变为串行机器码的,所以如果eMMC协议没有革新,则迟早被UFS取代。况且因为温度导致的时序飘移等情况,在eMMC5.1版本下,为了优化在HS400模式下这个问题,专门增加了strobe这个引脚来自适应时序对其,如果eMMC再升高传输模式,则就需要做出新的改变。
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总线传输形式不同

虽然都是同步传输方式,即都需要时钟信号作为参考,但:

  • eMMC使用8条数据总线做复用(地址和数据,发送和接收),外加命令线以及新增的STROBE线;需要的IO口很多,比较复杂
  • UFS只需要两组差分线,一条是时钟线就可以了,并且是双向数据发送接收,全双工;IO口配置也比较简单,就像USB3.0一样
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UFS2.1到UFS3.0

UFS常见的标准有UFS2.0、UFS2.1,加上最新的UFS3.0。3.0是在2018年初由固态技术协会(JEDEC)正式发布的,采用了全新的HS-G4规范,一年多后,UFS3.0才大量上市。

  • 全新HG-G4规范,带宽翻倍,UFS3.0闪存的单通道带宽提升到11.6Gbps,比之前G3标准的UFS2.1翻了一倍,考虑到UFS3.0支持双通道读写,实际的带宽为11.6*2=23.2Gbps,换算过来就是2.9GB/s。
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  • 高密度的存储器,UFS3.0采用了全新的NAND存储器,降低功耗的同时还提升性能。
    UFS3.0接口带宽高达2900MB/s
    相比UFS2.1的1450MB/s,性能翻倍
    UFS 3.0的接口电压比UFS2.1更低
    给闪存颗粒供电的VCC电源从2.9V降到了2.5V
    给主控供电的VCCQ从1.8V降到了1.2V
    接口电压的降低直接关系功耗和发热
    UFS3.0每GB/s顺序读取功耗比UFS2.1降低了60%
    UFS3.0每GB/s顺序写入功耗比UFS2.1降低了48%
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支持Write Turbo的UFS3.0

UFS3.0的性能瓶颈是写入速度,Write Turbo依靠SLC动态加速,当Host往闪存写入数据时候,首先将数据写入速度更快的SLC,当用户不再需要写入数据时,UFS主控会将SLC的数据写入速度较慢的TLC,类似于PC CPU缓存和内存间的关系。
2020年安卓高端旗舰手机标配:
骁龙865+LPDDR5+Write Turbo UFS3.0
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参考链接:https://blog.csdn.net/LUOHUATINGYUSHENG/article/details/94624348
https://zhuanlan.zhihu.com/p/26551438

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