高性能嵌入式閃存的主流選擇

（本文編譯自Electronic Design）

如今閃存的應(yīng)用無處不在，人們往往對(duì)其視而不見，直至其成為性能瓶頸。從基于微控制器的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備固件存儲(chǔ)，到為數(shù)據(jù)中心人工智能加速器提供數(shù)據(jù)支撐，閃存的應(yīng)用無處不在。數(shù)十年來，NAND閃存的存儲(chǔ)密度持續(xù)提升、成本不斷降低，催生出固態(tài)硬盤、U盤、存儲(chǔ)卡、智能手機(jī)、云存儲(chǔ)等全品類消費(fèi)級(jí)及工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。

NAND閃存技術(shù)最早可追溯至1987年，彼時(shí)東芝（其存儲(chǔ)業(yè)務(wù)現(xiàn)以鎧俠品牌運(yùn)營）推出了這一技術(shù)，作為NOR閃存的高密度替代方案。此后，NAND閃存逐步發(fā)展出一套包含存儲(chǔ)單元架構(gòu)、控制器及主機(jī)接口的完整技術(shù)體系，每一代新品均以更高容量、更高吞吐量為研發(fā)目標(biāo)。

但閃存芯片本身只是整個(gè)存儲(chǔ)方案的一環(huán)。對(duì)于設(shè)計(jì)需長(zhǎng)期（十年及以上）現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)而言，厘清unmanaged NAND與managed NAND的技術(shù)差異至關(guān)重要。

在接口層面，長(zhǎng)期占據(jù)主導(dǎo)地位的eMMC標(biāo)準(zhǔn)正逐步被通用閃存存儲(chǔ)（UFS）取代；UFS采用串行架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)更高帶寬與更低延遲。

那推動(dòng)嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)方案向UFS轉(zhuǎn)型有哪些技術(shù)動(dòng)因呢？

SLC、MLC與TLC閃存的區(qū)別

在存儲(chǔ)單元層面，NAND閃存以離散電荷電平存儲(chǔ)信息，每個(gè)存儲(chǔ)單元的比特?cái)?shù)決定了其需要識(shí)別的電壓電平數(shù)量：

• 單級(jí)單元（SLC）：每個(gè)單元1比特（2種電平）；

• 多級(jí)單元（MLC）：每個(gè)單元2比特（4種電平）；

• 三級(jí)單元（TLC）：每個(gè)單元3比特（8種電平）；

• 四級(jí)單元（QLC）：每個(gè)單元4比特，目前已進(jìn)入樣品階段。

Unmanaged SLC是速度最快、穩(wěn)定性最強(qiáng)的閃存類型，但通常僅提供低存儲(chǔ)密度。MLC和TLC通過為每個(gè)存儲(chǔ)單元編碼更多比特提升存儲(chǔ)容量，但其代價(jià)是需要更復(fù)雜的傳感、糾錯(cuò)及管理機(jī)制，這會(huì)給系統(tǒng)中的主處理器帶來額外開銷。

目前，絕大多數(shù)量產(chǎn)應(yīng)用均采用3D TLC閃存，因其能為現(xiàn)代各類應(yīng)用實(shí)現(xiàn)密度、成本與耐用性的最佳平衡。

Unmanaged與Managed NAND的差異核心在于閃存控制器

閃存主要分為兩種類型：一是unmanaged，行業(yè)內(nèi)稱之為裸片NAND；二是managed NAND。

裸片NAND方案中，存儲(chǔ)廠商可在單個(gè)封裝內(nèi)集成1至16顆裸片NAND芯片，系統(tǒng)中的主處理器或外置閃存控制器需負(fù)責(zé)糾錯(cuò)編碼、磨損均衡、壞塊管理、邏輯-物理地址映射及垃圾回收等全部相關(guān)操作。

該方案雖能為OEM廠商帶來最大化的設(shè)計(jì)靈活性，但也使其承擔(dān)了全部的管理責(zé)任。開發(fā)一套高可靠性的閃存轉(zhuǎn)換層并非易事，尤其是在閃存存儲(chǔ)架構(gòu)與耐用性限制持續(xù)升級(jí)的背景下。

與之相反，managed NAND將一顆或多顆閃存芯片與專用控制器集成在同一封裝內(nèi)。其內(nèi)置控制器可屏蔽閃存的底層復(fù)雜操作，僅向主機(jī)端提供簡(jiǎn)潔的塊設(shè)備接口。閃存的性能與穩(wěn)定性能從專業(yè)化的管理中大幅獲益，這也是電子行業(yè)向managed閃存全面轉(zhuǎn)型的核心原因。

圖1：剖面圖展示了一款managed NAND器件，該器件通過引線鍵合集成了控制器與NAND裸片。

Managed閃存擁有兩種被廣泛采用的接口標(biāo)準(zhǔn)：eMMC和UFS。借助這些標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員可完全省去底層閃存管理的工作，將精力聚焦于系統(tǒng)級(jí)功能的開發(fā)。

什么是eMMC？其如何解決嵌入式存儲(chǔ)的碎片化問題？

21世紀(jì)初，移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域深陷NAND接口不兼容、廠商專屬指令各異、控制器定制化的混亂局面。每一款新手機(jī)的研發(fā)，都需要配套開發(fā)新的驅(qū)動(dòng)程序、新的啟動(dòng)代碼，硬件也往往需要重新設(shè)計(jì)。

彼時(shí)，電子行業(yè)迫切需要一套統(tǒng)一的指令集、可預(yù)判的管理型閃存工作特性、跨廠商的即插即用替換性，以及一套簡(jiǎn)化的塊設(shè)備存儲(chǔ)訪問方式。MMC協(xié)會(huì)與JEDEC協(xié)會(huì)聯(lián)合制定了eMMC標(biāo)準(zhǔn)，以此回應(yīng)行業(yè)需求。

eMMC標(biāo)準(zhǔn)的首個(gè)版本于2006年問世，行業(yè)迅速向該標(biāo)準(zhǔn)靠攏。到2010年，它已成為智能手機(jī)、平板電腦及其他消費(fèi)電子設(shè)備中，嵌入式閃存所采用的主流存儲(chǔ)接口。

eMMC精準(zhǔn)滿足了當(dāng)時(shí)市場(chǎng)的迫切需求：簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以及可預(yù)判的工作表現(xiàn)。

什么是UFS？其為何在高性能系統(tǒng)中可取代eMMC？

但隨著智能手機(jī)開始支持更高清視頻拍攝、運(yùn)行更復(fù)雜的操作系統(tǒng)，且能處理更大體量的應(yīng)用程序（甚至同時(shí)運(yùn)行多款），eMMC的性能逐漸力不從心。其采用的并行半雙工接口同一時(shí)間僅能執(zhí)行讀或?qū)懖僮髦械囊环N，無法同時(shí)進(jìn)行。即便是最高規(guī)格的eMMC，峰值吞吐量也僅能達(dá)到約400MB/s，在數(shù)據(jù)密集型、多任務(wù)處理的應(yīng)用環(huán)境中形成了性能瓶頸。

為解決這一問題，JEDEC協(xié)會(huì)于2011年推出UFS標(biāo)準(zhǔn)，將其定位為eMMC的新一代替代方案。UFS摒棄了并行總線設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)而采用高速串行接口（如圖2所示）。這一設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，支持全雙工通信，可同時(shí)執(zhí)行讀寫操作，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)更低的延遲與更高效的指令處理。

圖2：eMMC與UFS閃存存儲(chǔ)性能對(duì)比。

最新一代eMMC與UFS之間的性能差距十分顯著：

• eMMC：峰值吞吐量400MB/s

• UFS：最高可達(dá)4640MB/s

這一提升幅度超過10倍，加之更低的延遲及其他優(yōu)勢(shì)，UFS的每比特傳輸能效也得到大幅優(yōu)化。這些特性不僅讓UFS擁有更快的速度，更使其能更好地適配當(dāng)下移動(dòng)與嵌入式系統(tǒng)中持續(xù)的高數(shù)據(jù)量工作負(fù)載，包括高分辨率成像、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、人工智能加速、5G應(yīng)用以及數(shù)吉字節(jié)級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景。

為何eMMC仍具價(jià)值？

盡管二者性能差距懸殊，許多人曾認(rèn)為eMMC會(huì)被逐步淘汰并被UFS完全取代，但這一情況并未發(fā)生。嵌入式設(shè)計(jì)人員仍會(huì)為打印機(jī)、機(jī)頂盒、家用物聯(lián)網(wǎng)中樞、流媒體設(shè)備、低端移動(dòng)設(shè)備，以及搭載無UFS接口老舊處理器的系統(tǒng)等應(yīng)用選用eMMC。在這些應(yīng)用市場(chǎng)中，性能并非首要考量因素，成本與簡(jiǎn)潔性才是關(guān)鍵。

但eMMC所采用的NAND閃存類型正發(fā)生轉(zhuǎn)變。以往4GB、8GB、16GB等低密度eMMC產(chǎn)品主要采用MLC NAND閃存，而隨著存儲(chǔ)行業(yè)全面轉(zhuǎn)向3D TLC閃存，MLC閃存的產(chǎn)能正快速縮減，相應(yīng)地，用于生產(chǎn)MLC閃存的高端光刻設(shè)備也已停止新增投產(chǎn)。受此影響，基于MLC的低密度eMMC產(chǎn)品日漸稀缺，基于TLC的eMMC產(chǎn)品則持續(xù)留存并完成替代。

eMMC的實(shí)際最低可用容量勢(shì)必向上提升。未來，64GB和128GB的TLC eMMC產(chǎn)品將成為主流，部分廠商還推出了256GB規(guī)格的產(chǎn)品，這類大容量產(chǎn)品尤其適用于汽車電子領(lǐng)域。這也形成了一個(gè)值得關(guān)注的融合點(diǎn)：當(dāng)前eMMC的容量高端區(qū)間，已與UFS的容量低端區(qū)間形成重疊。

如何選擇eMMC與UFS？

存儲(chǔ)廠商為客戶提供技術(shù)咨詢時(shí)，發(fā)現(xiàn)客戶在二者間選型的考量因素呈現(xiàn)出明確的共性：

• 處理器接口兼容性：眾多傳統(tǒng)處理器僅支持eMMC，而多款新的SoC僅適配UFS，部分中階產(chǎn)品則實(shí)現(xiàn)雙接口支持。近年來，處理器廠商在全新設(shè)計(jì)中逐步淘汰eMMC接口，這也使得對(duì)系統(tǒng)處理器進(jìn)行升級(jí)的企業(yè)，默認(rèn)選擇UFS方案。

• 應(yīng)用品類：總體而言，UFS在智能手機(jī)、平板電腦、AR/VR設(shè)備、汽車ADAS、無人機(jī)、機(jī)器人、安防攝像頭、工廠自動(dòng)化設(shè)備及新興的邊緣人工智能平臺(tái)中占據(jù)主流；而eMMC則持續(xù)應(yīng)用于打印機(jī)、機(jī)頂盒、低成本物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、媒體流媒體設(shè)備及傳統(tǒng)嵌入式設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

• 容量發(fā)展趨勢(shì)：隨著各類應(yīng)用的存儲(chǔ)需求不斷提升，且低密度MLC閃存逐步退出市場(chǎng)，如今選擇64GB或128GB存儲(chǔ)方案的設(shè)計(jì)人員，已然邁入U(xiǎn)FS的適用范疇。

• 性能表現(xiàn)：所有客戶均認(rèn)可UFS在吞吐量、延遲性及可擴(kuò)展性上的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，對(duì)UFS的應(yīng)用顧慮往往僅集中于一點(diǎn)：自身使用的SoC不支持UFS。

為何UFS正成為下一代嵌入式閃存的默認(rèn)選擇

目前，eMMC與UFS仍各自擁有穩(wěn)定的市場(chǎng)需求。eMMC在成本敏感型、長(zhǎng)生命周期及傳統(tǒng)遺留應(yīng)用場(chǎng)景中仍能充分發(fā)揮作用，廠商也將在未來數(shù)年持續(xù)支持64GB、128GB這類主流容量的eMMC產(chǎn)品。

但行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)已十分明確：低密度eMMC產(chǎn)品逐步退場(chǎng)，MLC閃存的產(chǎn)能幾近耗盡，處理器廠商正逐步取消對(duì)eMMC的支持，而UFS在容量、性能上的表現(xiàn)及生態(tài)體系的發(fā)展勢(shì)頭則持續(xù)攀升。在曾完全依賴eMMC的智能手機(jī)、平板電腦和個(gè)人電腦市場(chǎng)，其未來的技術(shù)規(guī)劃已明確指向純UFS架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

對(duì)于全新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，工程師們理應(yīng)順應(yīng)這一發(fā)展方向。盡管eMMC不會(huì)在一夜之間退出市場(chǎng)，但UFS正日益成為嵌入式存儲(chǔ)領(lǐng)域兼具主流性與未來兼容性的優(yōu)選方案。