如何快速從eMMC轉移到UFS？

在高速數字接口中，并行總線(xiàn)越來(lái)越少。原因很簡(jiǎn)單，隨著(zhù)系統頻率的提升，并行總線(xiàn)在板級建置時(shí)已經(jīng)遭遇到實(shí)體瓶頸，抖動(dòng)、串擾、信號偏移、傳輸路徑不完美等因素，都將大幅降低并行總線(xiàn)持續建立時(shí)間窗口，從而限制系統帶寬的進(jìn)一步提升。

在高速串行/解串器(Serdes)技術(shù)取得突破后，新式串行總線(xiàn)越來(lái)越流行，以USB和PCIe為代表的串行總線(xiàn)在板級以串行方式連接、在芯片內部將數據譯碼成平行數據，從而使得板級數據線(xiàn)路之間的關(guān)系去耦合，既大幅降低了板級布線(xiàn)難度，又突破了系統帶寬限制。因此，新式串行總線(xiàn)正如火如荼地進(jìn)展，在個(gè)人計算機(不含工控與特殊用途計算機)領(lǐng)域，PCIe接口已經(jīng)完全取代PCI接口，SATA接口也完全取代了PATA接口。

不過(guò)，在手機儲存接口方面，嵌入式多媒體卡(eMMC)規格的市占率仍然較高，原因之一是移動(dòng)設備對于儲存性能的要求較個(gè)人計算機(PC)更低。然而，隨著(zhù)游戲與視頻應用在移動(dòng)設備上的普及，以及手機處理器性能的提升，eMMC的性能已經(jīng)不能滿(mǎn)足移動(dòng)設備對于內存讀寫(xiě)性能的要求，新一代的通用閃存儲存(UFS)規格應運而生。

UFS的性能優(yōu)勢

多媒體卡(MMC)標準于1997年問(wèn)世，說(shuō)來(lái)有趣，MMC最初的標準就是一根數據線(xiàn)，后來(lái)擴展到8根數據線(xiàn)，eMMC標準則將閃存顆粒和控制器放入更緊密的球門(mén)陣列(BGA)封裝，以適應移動(dòng)設備對封裝尺寸的要求。首批eMMC產(chǎn)品于2007年正式推向市場(chǎng)，到目前為止，JEDEC的最新標準為eMMC 5.1。

如前所述，并行總線(xiàn)在速度增加到一定值時(shí)將無(wú)法滿(mǎn)足時(shí)序要求，eMMC標準單根數據線(xiàn)的極限速度為400Mbps左右，8位數據線(xiàn)標準eMMC接口一次傳輸峰值速度為400兆字節每秒(400MB/s)。相形之下，UFS2.0單信道峰值速度為5.8Gpbs，現有標準為雙信道，所以速度可達1，160MB/s，將近eMMC標準的3倍。

圖1：e-MMC與UFS接口比較

而且，由于eMMC是半雙工模式，主、從之間數據不能同時(shí)互動(dòng)，而UFS是全雙工模式，便于傳輸性能的提升。所以采用UFS接口的系統啟動(dòng)時(shí)間更快，讀寫(xiě)響應也更迅速。根據東芝(Toshiba)的資料，在連續讀取、隨機讀取、連續寫(xiě)入與隨機寫(xiě)入等操作中，UFS 2.1產(chǎn)品基本能夠達到eMMC 5.1產(chǎn)品的1-3倍。UFS新一代標準還將大幅提高讀寫(xiě)性能，但eMMC性能再提升的空間并不大。

UFS規格以先進(jìn)的Serdes技術(shù)為基礎，其讀寫(xiě)性能的大幅提升并未以大量增加功耗為代價(jià)。由于UFS信號電壓擺幅只有200毫伏(mV)，而eMMC標準是1.8伏(V)或3.3V，因此兩種產(chǎn)品待機功耗相差無(wú)幾，而且從第三代到第五代，東芝的每一代UFS產(chǎn)品功耗水平都得到了提升。

從eMMC轉向UFS接口

從并行總線(xiàn)換到串行總線(xiàn)，減少了高速數據線(xiàn)的連接，簡(jiǎn)化了硬件工程師的工作。

以東芝的產(chǎn)品為例，UFS封裝與eMMC封裝一致，用戶(hù)可以選擇對應的封裝直接取代。相較于第三代UFS產(chǎn)品使用三電源供電，東芝的第四代與第五代UFS產(chǎn)品不必再使用1.2V電源，從而使內存模塊的電源設計更簡(jiǎn)單。

圖2：第四代以后的UFS內存只需要兩個(gè)電源

在固件層面，相較于eMMC產(chǎn)品，新一代的UFS產(chǎn)品已經(jīng)將除錯、壞塊管理、損耗平衡以及垃圾回收等功能一并封裝，為用戶(hù)在閃存應用開(kāi)發(fā)上節省了大量的時(shí)間。

為了方便用戶(hù)除錯，有些UFS產(chǎn)品還提供了板級除錯接腳。以東芝第5代UFS產(chǎn)品為例，用戶(hù)只需將2個(gè)除錯接腳連接到PCB的除錯工具接口即可，不需要額外增加電阻電容。而當出現問(wèn)題時(shí)，用戶(hù)只需利用除錯工具透過(guò)這2個(gè)接腳連到UFS內存上進(jìn)行除錯。

既然UFS較eMMC的性能更大幅提升，更換設計又不復雜，那么當UFS產(chǎn)品成熟時(shí)，產(chǎn)品替代進(jìn)程將非?？?。根據東芝對市場(chǎng)的預測，2017年上半年的旗艦型手機將普遍采用UFS接口。從2017年下半年開(kāi)始，中階手機也將逐步改用UFS閃存，UFS接口在高階平板中的普及率也將過(guò)半。

圖3：UFS市場(chǎng)前景

從東芝UFS產(chǎn)品發(fā)展藍圖來(lái)看，UFS 2.0與2.1產(chǎn)品均已經(jīng)量產(chǎn)，新一代UFS接口的研發(fā)也緊鑼密鼓，預期UFS市場(chǎng)的成長(cháng)曲線(xiàn)將非常陡峭，eMMC在移動(dòng)設備領(lǐng)域的歷史使命已經(jīng)完成，UFS的時(shí)代即將來(lái)臨。