在高速數位介面中,平行匯流排越來越少。原因很簡單,隨著系統時脈的提升,平行匯流排在板級建置時已經遭遇到實體瓶頸,抖動、串擾、訊號偏移、傳輸路徑不完美等因素,都將大幅降低平行匯流排持續建立時間視窗,從而限制系統頻寬的進一步提升。

在高速串列/解串器(Serdes)技術取得突破後,新式串列匯流排越來越流行,以USB和PCIe為代表的串列匯流排在板級以串列方式連接、在晶片內部將資料解碼成平行資料,從而使得板級資料線路之間的關係去耦合,既大幅降低了板級佈線難度,又突破了系統頻寬限制。因此,新式串列匯流排正如火如荼地進展,在個人電腦(不含工控與特殊用途電腦)領域,PCIe介面已經完全取代PCI介面,SATA介面也完全取代了PATA介面。

不過,在手機儲存介面方面,嵌入式多媒體卡(eMMC)規格的市佔率仍然較高,原因之一是行動裝置對於儲存性能的要求較個人電腦(PC)更低。然而,隨著遊戲與視訊應用在行動裝置上的普及,以及手機處理器性能的提升,eMMC的性能已經不能滿足行動裝置對於記憶體讀寫性能的要求,新一代的通用快閃記憶體儲存(UFS)規格應運而生。

UFS的性能優勢

多媒體卡(MMC)標準於1997年問世,說來有趣,MMC最初的標準就是一根資料線,後來擴展到8根資料線,eMMC標準則將快閃記憶體晶粒和控制器放入更緊密的球閘陣列(BGA)封裝,以適應行動裝置對封裝尺寸的要求。首批eMMC產品於2007年正式推向市場,到目前為止,JEDEC的最新標準為eMMC 5.1。

如前所述,平行匯流排在速度增加到一定值時將無法滿足時序要求,eMMC標準單根資料線的極限速度為400Mbps左右,8位元資料線標準eMMC介面一次傳輸峰值速度為400百萬位元組每秒(400MB/s)。相形之下,UFS2.0單通道峰值速度為5.8Gpbs,現有標準為雙通道,所以速度可達1,160MB/s,將近eMMC標準的3倍。

20170420_Toshiba_TA31P1 圖1:e-MMC與UFS介面比較

而且,由於eMMC是半雙工模式,主、從裝置之間資料不能同時互動,而UFS是全雙工模式,便於傳輸性能的提升。所以採用UFS介面的系統啟動時間更快,讀寫回應也更迅速。根據東芝(Toshiba)的資料,在連續讀取、隨機讀取、連續寫入與隨機寫入等操作中,UFS 2.1產品基本能夠達到eMMC 5.1產品的1-3倍。UFS新一代標準還將大幅提高讀寫性能,但eMMC性能再提升的空間並不大。

UFS規格以先進的Serdes技術為基礎,其讀寫性能的大幅提升並未以大量增加功耗為代價。由於UFS訊號電壓擺幅只有200毫伏(mV),而eMMC標準是1.8伏(V)或3.3V,因此兩種產品待機功耗相差無幾,而且從第三代到第五代,東芝的每一代UFS產品功耗水準都得到了提升。

從eMMC轉向UFS介面

從平行匯流排換到串列匯流排,減少了高速資料線的連接,簡化了硬體工程師的工作。

以東芝的產品為例,UFS封裝與eMMC封裝一致,用戶可以選擇對應的封裝直接取代。相較於第三代UFS產品使用三電源供電,東芝的第四代與第五代UFS產品不必再使用1.2V電源,從而使記憶體模組的電源設計更簡單。

20170420_Toshiba_TA31P2 圖2:第四代以後的UFS記憶體只需要兩個電源

在韌體層面,相較於eMMC產品,新一代的UFS產品已經將除錯、壞塊管理、損耗平衡以及垃圾回收等功能一併封裝,為用戶在快閃記憶體應用開發上節省了大量的時間。

為了方便用戶除錯,有些UFS產品還提供了板級除錯接腳。以東芝第5代UFS產品為例,使用者只需將2個除錯接腳連接到PCB的除錯工具介面即可,不需要額外增加電阻電容。而當出現問題時,用戶只需利用除錯工具透過這2個接腳連到UFS記憶體上進行除錯。

既然UFS較eMMC的性能更大幅提升,更換設計又不複雜,那麼當UFS產品成熟時,產品替代進程將非常快。根據東芝對市場的預測,2017年上半年的旗艦型手機將普遍採用UFS介面。從2017年下半年開始,中階手機也將逐步改用UFS快閃記憶體,UFS介面在高階平板中的普及率也將過半。

20170420_Toshiba_TA31P3 圖3:UFS市場前景

從東芝UFS產品發展藍圖來看,UFS 2.0與2.1產品均已經量產,新一代UFS介面的研發也緊鑼密鼓,預期UFS市場的成長曲線將非常陡峭,eMMC在行動裝置領域的歷史使命已經完成,UFS的時代即將來臨。