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UFS像是手机里的SSD,主控有哪些挑战?

来源:中国闪存市场 编辑:Helan 更新:2018/8/7 15:57:41

随着科技的发展,手机已成为当下必不可少的移动设备,其配置从当初的单颗发展到八核甚至是十核,功能也越来越强大,高端旗舰机对存储芯片的标配从eMMC向UFS升级,并开始在千元机机型中普及。

有人说UFS就像是手机里的SSD,但毕竟跟 PC 比起来,手机里的零组件是比较不透明的,那是因为手机尺寸的要求,集成度非常高,UFS不常见到其真容。2018年低阶一点的手机内建16GB,高阶手机会用到64GB或128GB 以上的NAND Flash,除了Apple是自己的规格外,只要是Android手机,基本上嵌入式的NAND Flash的规范与接口不是eMMC,就是UFS。

现在 Android 的手机里面几乎 90% 都是 eMMC 接口。然而,从 eMMC 4.5 的 200MB/s 到 2013 年eMMC 5.0 的 400MB/s 后所定义的接口速度就没有明显的提升了。2015 年的 eMMC 5.1 仅仅支持 Command Queue 来提升随机存取的速度同时,JEDEC 协会的相关厂商早就着手研议新世代闪存接口标准,2011年发布UFS 1.0,2013 发布UFS 2.0,2016年推出了最新的 UFS 3.0规范。

eMMC与UFS在速度和功耗上的较量

手机里对于存储的要求最重要的就是速度和功耗,除了速度,手机尺寸的要求限制了电池的容量,低功耗是存储芯片重要的课题。UFS 与 eMMC 的 8-bit parallelI/F 不同,UFS 数据传输是 Serial 的模式,CMD set 是 SCSI。因此,UFS 可以兼具 SSD 的速度和 eMMC 的低功耗。UFS 从 2.0 版本开始采用 2-lane 的传输模式,传输速率可达 1200MB/s,已经是 eMMC 5.1 版本 400MB/s 的三倍以上。而3.0 版本利用 MIPI m-PHY Gear4,在 2 Lane 的模式下速率可以达到 2400MB/s,是eMMC 5.1 的六倍,UFS 除了当作嵌入式存储芯片外,也同时定义了卡片的标准,这是在 eMMC 规格中被舍弃掉的部分,UFS 卡的规格目前是1.1 版,利用 UFS 2.1 1-lane 达到 600MB/s,也是高于内建的 eMMC 5.1。

NAND Flash控制芯片厂在UFS上的挑战

从eMMC到UFS,门坎只会越来越高,毕竟要设计一颗能符合旗舰手机规格的IC,投入的资源是不同而语的,UFS 提升到3.0规范后,2400MB/s的传输速度,低延迟等要求,意味着控制芯片要以 SSD 架构去设计,必须有个强大的32-bit处理器,很多SRAM可能不像eMMC样单纯的因为成本考虑1-CH(通道),而是2-CH或4-CH。

为了低延迟,很多处理用FW做太慢了,可能需要从硬件上解决,这些对主控IC来讲,复杂度与成本花费相当多。第二,为了电池寿命,功耗或过热的问题,主控IC必须有多种处理手法让不需要工作的模块省电,并要有多种温度的管理,比方说侦测到系统温度过热,需要通过降速等机制来解决。第三,NAND Flash技术变化太快,基本不到1年就更新换代,而且进入3D时代,尤其是64/96 层以上的TLC或QLC,由于单位存储密度增加,出错的频率增多。主控ECC是决定NAND Flash的耐用度,关系到产品的可靠度和竞争力。

UFS的耐用性、数据完整性、平台兼容性等挑战

在支持新的3D NAND上,UFS所需要的ECC硬件能力如LDPC + RAID,已经与 PCIe SSD 相当了。另外,FW对NAND Flash管理的 know-how一直都很重要,需要与NAND Flash原厂的良好合作关系,与技术支持。主控芯片身为手机里存储芯片的主要组件,质量要符合国际大厂的最高要求。例如,如何确保控制芯片里的SRAM不会因为宇宙射线而发生的soft-error 导致FW碰撞或数据错误。即使在这种机率相当低的情况下, 还要设计相关的硬件机制来确保数据的完整性。在测试与验证方面,手机规格与PC比起来相对没有那么开放,因此与手机芯片制造商硬件的兼容性,跟手机系统商OS/driver的测试,都显得相当重要。

嵌入式的NAND Flash最大的应用市场在于手机,不过因为高端智能型手机开始饱和,导致近几年出货几乎个位数增长,随着智能型手机的快速发展,UFS目前不仅仅应用在高端机型,中低端机型也正在由eMMC向UFS转变,从而实现量的增长。此外,平板、OTT盒子、智能硬件等应用不断增加,对于嵌入式NAND Flash的成长有很大的动力。

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