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一文看懂UFS 3.1

2020-03-06  懒人葛优瘫

海量信息的到来,推动着存储产品不断进步。手机作为现代最常用的电子设备之一,其中所用到的存储产品也在不断更迭。从最早先的SD,到eMMC,再到UFS,手机闪存的改变,加快了数据写入和读取速度,也提升了手机的用户体验。

如今,SD卡几乎已经退出了手机市场的舞台。 在这之后,eMMC和UFS相继被手机用于其闪存当中。eMMC和UFS 都是面向移动端 Flash 的标准,早期的智能手机闪存标准多数采用eMMC,而到了2019年,这种情况发生了改变,不少智能手机开始采用UFS标准下的UFS 2.1标准。

一个月前,JEDEC(固态技术协会)发布了关于UFS的最新标准——UFS 3.1新标准。而后,铠侠(Kioxia)和西部数据(WD)就已经推出了首款适用于智能手机的UFS 3.1兼容存储器。有市场猜测,UFS 3.1有望在下月实现商用,而这正好可以赶上 5G 主流智能机厂商的新品发布。

UFS 3.1是什么?

根据目前市场情况来看,UFS已经开始渐取代eMMC,成为未来一段时间内的主流手机存储。那么什么是UFS,最新发布的UFS 3.1新标准,又会带来哪些性能上的提升?

UFS(Universal Flash Storage)即通用闪存存储。UFS 1.0标准诞生于2011年,但是,UFS1.0相较于eMMC并没有实质上的优势,所以并没有得到大规模的使用。2013年9月,JEDEC发布了UFS 2.0,2.0版本提供了更高的链路带宽以提高性能,扩展了安全功能并提供了其他省电功能。按照数据来看,UFS 2.0提供了HS-G2和HS-G3(可选)两个传输信道,理论带宽分别为5.8Gbps(725MB/s)和11.6Gbps(1450MB/s),速度上大大超过了eMMC 5.0的400MB/s理论带宽。从2016年开始,随着UFS2.0实现量产以及手机处理器逐渐加入对UFS2.0的支持,UFS2.0闪存开始被主流旗舰手机所青睐。同年,JEDEC又发布了UFS 2.1的通用闪存标准,2017年UFS 2.0开始向UFS 2.1标准升级,其可选的HS-G3通道也逐渐成为了“必选”。

2018年1月30日JEDEC发布了UFS标准3.0版,该版本是针对需要高性能、低功耗的移动应用和计算系统而开发的。此外,UFS 3.0还使用MIPI M-PHY v4.1和UniProSM v1.8,具有更高的每通道11.6 Gbit / s数据速率(1450 MB / s)。其中,UFS 3.0是第一个引入了MIPI M-PHY HS-Gear4标准的闪存存储,单通道带宽提升到11.6Gbps,由于UFS的最大优势就是双通道双向读写,所以接口带宽最高23.2Gbps,也就是2.9GB/s,这个数据也是HS-G3(UFS 2.1)性能的2倍。2019年下半年大多数的主流旗舰机,也都选用了UFS 3.0。由此可见,通用闪存存储产品开始渐入佳境。

2020年1月30日JEDEC发布了UFS 3.1标准,相比于之前的版本,UFS 3.1更新了三个部分。包括“ Write Booster”——SLC非易失性缓存,可提高写入速度。“DeepSleep”——增加了一种新的低功耗状态,降低UFS的工作压力和减少对稳压器的唤醒来达到降低功耗的目的,延长设备的电池续航时间。以及“Performance Throttling Notifications(性能节流通知)”——当高温导致存储性能下降时,UFS设备可以通知主机,主机性能增强器功能是可选的。在该标准宣布不到2个月的时间内,Kioxia和WD就推出了相关产品,另外,还有外媒爆料称,预计UFS 3.1的芯片将会在今年开始量产,或在三星手机上首发。

UFS的竞争

据相关统计数据显示,在2017年至2023年之间,用于大容量存储应用程序的通用闪存市场将以最快的速度增长。全球通用闪存存储市场估计将从2017年的165万美元增长到2023年的450万美元,在2017年至2023年之间的复合年增长率为18.3%。目前,三星、SK海力士、美光、东芝等公司都在UFS上有所成就。

就手机方面来看,全球目前手机厂商能够选择闪存生产厂家主要集中在美光、海力士以及三星这三家,而且绝大多数还是在三星手里。

三星方面,在2018年高通香港4G/5G峰会上,三星就曾宣布将于2019年起推行UFS 3.0存储芯片的商用进程。据悉,其全新的UFS3.0闪存将于2019年上半年推出,首批将有128GB、256GB、512GB三种大小的存储容量,最大数据传输速率为2000MB/s,2021年出货1TB存储容量。去年三星所推出的其首款折叠屏手机Galaxy Fold就用上了UFS 3.0。2019年2月,三星电子在官网宣布,全球首发量产512GB eUFS3.0闪存芯片,这也让三星成为了全球唯一一家可以量产512GB eUFS3.0闪存芯片的公司。今年2月,realme也用上了三星的UFS 3.0,据快科技报道显示,realme官方表示,realme x50 pro采用的是三星标准的UFS 3.0+turbo write技术。

在UFS 3.0方面,东芝在2019年宣布已经试产了全球首个符合UFS 3. 0 标准的闪存芯片,主要面向智能手机等移动设备,东芝UFS 3. 0 闪存芯片容量有128GB、256GB和512GB三种规格,其512GB产品于2019年3月发布。据悉,据悉,东芝UFS 3. 0 闪存芯片基于东芝的 96 层堆叠BiCS4 3D TLC闪存技术,使用东芝自研主控。512GB的UFS 3. 0 闪存芯片读写速度要比上代UFS 2. 1 分别提高大约70%、80%,不过东芝并没有披露具体的读写速度。自去年10月后,东芝存储更名为铠侠。在今年当中,铠侠推出了其UFS 3. 1闪存芯片。据悉,该芯片使用最新的 BiCS 3D NAND 闪存,搭配的是铠侠自研的UFS 3.1主控,可选 128 / 256 / 512GB 和 1TB 容量,支持写入加速、深度睡眠和性能节流通知等标准特性。

在UFS 3.1方面,西数也有了最新的产品——iNAND EU521。据相关报道显示,西数UFS 3.1搭配了主控方案+ 96层3D TLC 闪存,可选128 / 256GB容量。西数在其新产品中也同样跟进了本次UFS 3.1标准中的三项主要更新,但其并不支持可选项中的内容,即不支持任何类型的主机性能加速。

此外,还有厂商认为,即便目前3.1规范已经公布了,但想要在今年看到智能手机全面升级到UFS3.1并不现实,除了新标准的普及需要一段时间和成本原因外,还需要手机SoC提供支持。

除了国际厂商外,我国致力于存储产品的企业也在UFS上取得了一些成绩。2018年,紫光存储推出的首个国产UFS系列产品,面向旗舰智能手机和高端平板电脑等领域,采用的是JEDEC UFS2.1协议,支持双线MIPI M-PHY HS-Gear 3物理层,传输速度可达11.6Gbps。

此外,宏旺半导体也在其官方微博上发表文章称,移动设备闪存毫无疑问都会走向更有未来的UFS接口标准,尤其是5G网络即将带来的数据狂潮,则会让UFS更有用武之地。宏旺半导体推出的UFS采用串行数据传输技术,以及全双工运行模式,同一条通道允许读写传输,而且读写能够同时进行,带宽已达1.5GB/s以上。

UFS不仅让存储厂商迎来了新的发展机会,还让主控厂商有利可图。据相关报道显示,台湾厂商群联电子(Phison)曾公布在UFS闪存上的研发进程。据雷科技报道显示,群联的UFS 2.1分为2代产品,吞吐量分别为800MB/s和1333MB/s,据悉,其UFS 2.1主控产品曾经获得了高通和华为的认可。而群联最新的UFS 3.0的吞吐量更是高达2666MB/s,相比UFS 2.1基本是成倍增长。

除手机市场外,UFS的价值

UFS非常昂贵,所以在初期它仅适用于高端电子设备。但有调研机构认为,随着连接服务以大幅下降的价格以及新应用程序的出现迅速增长,物联网的安装基础将增加,这将导致对高存储内存设备的需求,为UFS市场创造增长途径。

此外,在UFS市场中,汽车电子领域预计将在预测时间表内实现高速增长。这可以归因于对处理和存储大量数据的需求不断增长。在汽车领域上,也有很多厂商在此进行了布局。其中,三星针对汽车等应用推出了eUFS解决方案。三星电子在2017年9月宣布首款128GB eUFS技术有所突破之后,于2018年又宣布量产了256GB eUFS 2.1车用内存。据悉,该储存设备将为下一代驾驶辅助系统(ADAS)、车用娱乐系统与仪表板应用带来更好的发展。

美光UFS 2.1产品也已经开始接触汽车领域。2019年6月,美光的汽车级存储解决方案UFS 2.1已经向汽车客户开始送样,当时公司预计2019年该产品将于第三季度实现批量生产。该产品基于64层TLC 3D NAND,容量覆盖从32GB到256GB。公司表示,UFS 2.1产品组合满足了快速系统启动和由汽车娱乐系统和仪表盘数据带动的更高数据带宽的需求。

此外,2019年11月,铠侠也宣布已经开始送样汽车级512GB容量的UFS 2.1嵌入式产品。铠侠Automotive UFS 2.1系列产品是在2019年初发布的,有16GB、32GB、64GB、128GB和256GB容量可供选择。据悉,其UFS 2.1车规级产品能够支持汽车温度范围(-40°C至+105°C),以及符合AEC-Q100 Grade2 标准要求,并提供各种汽车应用所需的扩展的可靠性。

结语

目前,UFS产品已经在手机市场上取得了成绩。同时,伴随着5G的爆发,UFS产品还拥有着巨大的市场潜力。JEDEC虽然公布的最新的标准,但相对较早的UFS标准依然还具有较强的竞争力,包括在UFS产品价格不再居高后,非旗舰手机可能会采用UFS,以及物联网和汽车领域为UFS带来的前景机会。

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