高性能嵌入式闪存的未来在于UFS

闪存技术发展迅速，随着对速度、可扩展性和效率的需求不断增长，行业标准正从eMMC转向UFS。

 

如今闪存的应用如此广泛，以至于人们很容易忽视它的存在，直到它成为瓶颈。从基于微控制器的物联网设备的固件到数据中心人工智能加速器所需的数据，闪存几乎无所不包。几十年来，NAND闪存的存储密度不断提升，成本不断降低，从而推动了从消费级设备到云存储等众多产品类别的发展。

这项技术可以追溯到1987年，当时东芝（现以铠侠的名义运营其存储器业务）推出了NAND闪存，作为NOR闪存的高密度替代方案。自那时起，NAND闪存已经发展成为一套完整的单元架构、控制器和主机接口体系，每一代新产品都旨在实现更高的容量和吞吐量。

但存储器本身只是难题的一部分。对于需要在现场运行长达十年甚至更久的嵌入式系统设计而言，理解非托管式NAND闪存和管理式NAND闪存之间的区别至关重要。

在接口层面，长期占据主导地位的嵌入式多媒体卡(eMMC) 标准正日益被通用闪存存储 (UFS)所取代，UFS 采用串行架构，可实现更高的带宽和更低的延迟。

接下来将探讨闪存的基本原理以及推动嵌入式系统向UFS 转变的技术力量。

在单元级别，NAND闪存以离散的电荷电平形式存储信息。每个单元的位数决定了需要分辨的电压电平数：

• SLC（单层单元）：每个单元 1 位（2 层）

• MLC（多级单元）：每个单元 2 位（4 级）

• TLC（三层单元）：每个单元 3 位（8 层）

• QLC（四层单元）：每个单元4位，现已开始采样 

非托管SLC闪存是速度最快、最可靠的闪存存储形式，但通常只提供低密度版本。MLC和TLC闪存通过在每个存储单元中编码更多比特来提高存储容量，但缺点是它们需要更复杂的检测、纠错和管理机制，这会增加系统主机处理器的开销。

如今，大多数大批量应用都采用3D TLC 闪蒸技术，因为它能为现代应用提供密度、成本和耐久性的最佳平衡。

非托管式NAND 与托管式 NAND：区别在于闪存控制器

闪存有两种形式：非托管式（或业内术语中的“原始”）和管理式。

对于裸NAND闪存，存储器供应商可以将1到16个裸NAND芯片封装在一个封装内。系统中的主机处理器或外部闪存控制器必须处理诸如纠错编码（ECC）、损耗均衡、坏块管理、逻辑到物理映射以及垃圾回收等任务。

这赋予了原始设备制造商（OEM）最大的灵活性，同时也让他们承担了最大的责任。创建一个稳健的闪存转换层（FTL）并非易事，尤其是在闪存几何形状和耐久性限制不断变化的情况下。

相比之下，管理型NAND闪存将一个或多个闪存芯片与专用控制器集成在同一封装中。内部控制器抽象了复杂性，向主机提供一个简单的块设备接口。NAND闪存从管理中获益匪浅，因此，电子行业正逐步转向管理型闪存。

可管理闪存有两种广泛采用的接口标准：eMMC 和 UFS。这些标准使设计人员能够完全避免底层闪存管理，从而将注意力集中在系统级功能上。

21世纪初，移动设备深陷于不兼容的NAND接口、厂商特定的指令和定制控制器的泥潭。每款新手机都需要新的驱动程序、新的启动代码，而且通常还需要新的硬件。

电子行业迫切需要一套统一的命令集、可预测的管理行为、跨厂商的即插即用替换能力，以及一种简化的、基于块设备的存储视图。MMC协会和JEDEC通过制定eMMC标准来响应这一需求。

eMMC 的第一代产品于 2006 年问世。业界迅速围绕它进行了整合。到 2010 年，它已成为智能手机、平板电脑和其他消费电子产品中使用的嵌入式闪存的主流存储接口。

eMMC 满足了市场迫切需要的：简单性、标准化和可预测性。

但随着智能手机开始拍摄更多视频、运行更强大的操作系统以及处理更大的应用程序（并且同时运行更多应用程序），eMMC 的性能开始捉襟见肘。其并行半双工接口一次只能进行读取或写入操作，而不能同时进行。即使在最快的速度下，eMMC 的峰值吞吐量也仅为 400 MB/s 左右，这在数据密集型、多任务处理的环境中会造成瓶颈。

为了解决这个问题，JEDEC 于 2011 年推出了 UFS，作为 eMMC 的预期继任者。UFS 没有采用并行总线，而是使用高速串行接口。其结果是实现了点对点连接，支持全双工通信（即同时进行读写操作），同时还具有更低的延迟和更高效的命令处理能力。

最新一代eMMC和UPS之间的性能差距显著：

• eMMC：峰值吞吐量 400 MB/s

• UFS：最高可达 4,640 MB/s

这相当于十倍以上的性能提升，除了更低的延迟和其他优势外，UFS 还显著提高了每比特传输的能效。这些特性使得 UFS 不仅速度更快，而且更适合当今移动和嵌入式系统中持续的数据密集型工作负载。这些工作负载包括高分辨率成像、增强现实 (AR)、人工智能加速、5G 应用以及多 GB 数据传输。

eMMC为何依然重要：嵌入式系统的成本和寿命

鉴于性能差异巨大，许多人曾预期eMMC会逐渐消失，并被UPS完全取代。但这种情况并未发生。嵌入式设计人员仍然选择eMMC用于打印机、机顶盒、家庭物联网中心、流媒体设备、低端移动设备以及使用缺乏UFS接口的旧处理器的系统等应用。在这些市场中，性能并非首要考虑因素，成本和简易性更为重要。

然而，eMMC中使用的NAND类型正在发生变化。容量为4GB、8GB和16GB的低密度eMMC产品主要采用MLC NAND闪存。但随着存储器行业全面采用3D TLC技术，MLC的产能正在迅速萎缩。因此，用于MLC的更先进的光刻设备已不再生产。随着低密度MLC基eMMC的供应日益稀缺，TLC基eMMC存储器将继续存在并取而代之。

实际容量的下限必须提高。展望未来，64GB 和 128GB 的TLC eMMC 芯片将成为主流，而部分厂商，特别是汽车行业，也提供 256GB 的芯片。这就产生了一个有趣的融合点：eMMC 的高端容量如今与 UFS 的低端容量重叠。

eMMC 和 UFS 之间的选择：真正驱动决策的因素是什么

当内存厂商向客户咨询时，在选择这些技术时，总会遇到一些共同的问题：

• 处理器接口兼容性：许多传统处理器仅支持eMMC，而许多现代 SoC 仅支持 UFS。部分中端处理器则同时支持两者。随着时间的推移，处理器厂商已在新设计中逐步淘汰 eMMC 接口，导致升级系统处理器的企业只能默认使用 UFS。

• 应用领域：总体而言，UFS 在智能手机、平板电脑、AR/VR、汽车 ADAS、无人机、机器人、安防摄像头、工厂自动化以及新兴的 AI 边缘平台等领域占据主导地位。与此同时，eMMC 仍然广泛应用于打印机、机顶盒、低成本物联网设备、媒体播放器以及一些较早的嵌入式设计中。

• 容量趋势：随着应用程序需要更多存储空间，以及低密度MLC 的消失，如今选择 64 或 128 GB 部件的设计人员发现自己正站在 UFS 的门槛上。

• 性能：所有客户都承认UFS 在吞吐量、延迟和可扩展性方面都更胜一筹。阻力通常归结为：“我的 SoC 不支持 UFS。”

目前，eMMC 和 UFS 的市场依然健康。eMMC 继续很好地满足对成本敏感、生命周期长以及传统应用的需求。厂商将在未来几年内继续支持主流容量（64GB 和 128GB）。

但行业发展轨迹已然清晰可见。低密度eMMC正在消失，MLC的生产也几乎停滞，处理器厂商正在逐步淘汰对eMMC的支持，而UFS的容量、性能和生态系统发展势头却在持续增长。在智能手机、平板电脑和PC等曾经完全依赖eMMC的市场中，未来的发展路线图明确指向纯UFS设计。

对于新的系统设计，工程师们应该考虑这个方向。虽然eMMC不会在一夜之间消失，但UFS正日益成为嵌入式存储的主流且面向未来的选择。