芯科普 | 闪存标准不断升级,UFS3.1将成为5G智能手机的主流

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芯科普 | 闪存标准不断升级,UFS3.1将成为5G智能手机的主流
2022年02月26日

普通消费者通常认为手机的高性能是更高规格的处理器,但其实要配合更多细分的配置、技术,才能有更高的性能体验,随着5G时代的到来,手机圈热闹了起来,除了芯片、高刷新率屏幕、摄像头、双扬声器以外。UFS闪存也成了大家关注的焦点,手机闪存虽然平时存在感没有那么强,但却能够深刻影响用户体验,不论是安装应用、启动App、传输数据还是日常操作手机,UFS闪存技术都是必不可少的。现阶段,5G智能手机应该配搭怎样的存储芯片方能达到性能提升呢?

在5G时代,在线游戏、AR/VR等都是需要快速读写数据与大量记忆存储的应用,追求其高体验感的情况下,不仅需求大容量存储空间,更是考验影响读写速度的闪存标准。

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手机存储芯片经历了eMMC和UFS 两个时代。早期的智能手机闪存标准多数采用eMMC,如今多数千元旗舰以及中高端的智能手机均采用UFS 2.1和UFS2.2标准,更高端的智能手机则采用UFS3.0和UFS3.1标准。

eMMC全称为“embedded Multi Media Card”,即嵌入式的多媒体存储卡,由MMC协会所订立。从eMMC4.3一路发展到4.4、4.5直到现在的5.0、5.1,传输速度也从50MB/s一路狂飙到最新eMMC5.1的600MB/s,而常见于手机上的eMMC5.1实际读取速度不会超过300MB/s。

由于单通道的结构性质,eMMC不能同时读写数据,不支持多线程,想提升这种存储单元的性能,只有不断改进eMMC的总线接口,也就是我们刚才说的eMMC的版本升级。

这也注定了eMMC存储不会有太高的提升空间。

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两种标准的通道区别(图片引自网络)

UFS全称为“Universal Flash Storage”,即通用闪存存储,由固态技术协会JEDEC订立。相比于eMMC,其优势就在于使用高速串行接口替代了并行接口,改用了全双工方式,收发数据可以同时进行。

UFS 2.0规范分为两种,强制标准为HS-G2,可选标准为HS-G3。HS-G2 1Lane最高读写速度为2.9Gbps(约为360MB/s),2Lane最高读写速度为5.8Gbps(约为725MB/s)。可选标准HS-G3 1Lane最高读写速度为5.8Gbps(约为725MB/s),2Lane最高读写速度为11.6Gbps(约为1.45GB/s)。

UFS 2.1的闪存存储标准速度标准没有任何变化,主要是在设备健康、性能优化、安全保护三个方面进行了升级。

UFS 2.2和UFS 2.1的区别在于增加了Write Booster(写入加速器)功能,比UFS 2.1提高了写入速度。写入速度的提高会带来更快的应用启动速度、缓存加载带来更好的浏览行为、更快的编码时间等诸多良好特性。

2018年,固态技术协会(JEDEC)正式发布了UFS3.0标准,该标准采用HS-G4规范,单通道带宽可达11.6Gbps,性能为UFS2.x的两倍,而UFS为双通道读写,因此实际接口带宽为23.2Gbps,可换算为2.9GB/s。并且电压也比前代UFS2.x更低,对降低设备的功耗和发热有着强大效果,实现了性能再翻倍。

image.png以上数据仅供参考

从上表可以看出,UFS3.0的综合性能,特别是持续读写速度有着秒杀UFS2.1前辈的表现,只是在随机读写和SQLite性能上,却依旧和双通道的UFS2.1持平,有些小遗憾。

UFS 3.1是在UFS 3.0的基础上主要加入了以下几个新特性:写入增强器(Write Turbo)、深度睡眠(Deep Sleep)和性能限制通知(Performance Throttling Notification)、主机性能提升器(Host Performance Booster),进一步带来了性能、功耗、成本等方面的进一步优化。

写入增强器指在符合UFS 3.1标准的设备上,引入一个SLC非易失性缓存,从而进一步提高写入速度。

深度睡眠(Deep Sleep)是让闪存在空闲的时间段进入低功耗睡眠状态,确保闪存在睡眠状态下降低功耗,耗电量比UFS3.0 hibernate更低30~50%。

性能限制通知(Performance Throttling Notification)则是因为某些情况导致存储性能受到影响时,及时通知主机有关性能限制的信息,特别会在设备过热时通知系统限制读写性能以降低闪存温度。简而言之,这是在闪存中加入了根据外部环境实时反馈的控制中心。

主机性能提升器(Host Performance Booster)是利用手机RAM来缓解闪存的硬件压力,提升性能,解决闪存长时间时候后性能衰减的问题,解决手机越用越卡的问题。

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进入5G时代,5G网络最高理论速率可达20Gbps,也就是2.5GB/s左右,按照理论数据一瞬间就可以下载一部高清电影。也就是说手机存储芯片也需要有这么高的写入速度,才能使5G的高网速体现出来。所以,制约下载速度的不单是网速,还有存储。UFS3.0标准的2.9GS/s大带宽显然与5G的高网速更般配。

UFS3.1 标准在传输速度上更快,功耗更低,更适合应用于5G手机上。在实际操作中,这些优势主要体现在多任务执行响应速度更快、玩游戏的延迟更低画面更流畅、照片写入时间更短和带来更佳的省电效果等方面。比如用手机播放4K视频时,UFS 3.1所需要的加载时间更短,加载时间不足eMMC 5.1的三分之一;打开手机游戏、读取游戏场景时,UFS 3.1所需要加载的时间更短,场景过渡更流畅、不等待、不卡顿;App启动速度上,UFS3.1所需要的时间更短。为达到更优异的体验感,UFS 3.1闪存将成为5G智能手机的主流应用。

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