如今閃存已經(jīng)無(wú)處不在，以至于在它成為性能瓶頸之前，人們很容易忽略它的存在。小到物聯(lián)網(wǎng)微控制器里的固件，大到數(shù)據(jù)中心里為 AI 加速器提供的數(shù)據(jù)，全都靠它存儲(chǔ)。幾十年來(lái)，NAND 閃存不斷提升密度、降低成本，催生出從消費(fèi)級(jí)設(shè)備到云端存儲(chǔ)的一整條產(chǎn)品生態(tài)，包括 SSD、U 盤(pán)、存儲(chǔ)卡、智能手機(jī)與云存儲(chǔ)等。

這項(xiàng)技術(shù)最早可追溯到 1987 年，當(dāng)時(shí)東芝（如今其存儲(chǔ)業(yè)務(wù)獨(dú)立為鎧俠 KIOXIA）推出 NAND 閃存，作為高密度替代 NOR 閃存的方案。從那以后，NAND 閃存逐步發(fā)展成一套完整的技術(shù)棧，涵蓋存儲(chǔ)單元架構(gòu)、控制器與主機(jī)接口，每一代都朝著更高容量、更高吞吐量的方向演進(jìn)。

但存儲(chǔ)芯片本身只是問(wèn)題的一部分。在設(shè)計(jì)需要在現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行十年甚至更久的嵌入式系統(tǒng)時(shí)，理解非管理型 NAND 與管理型 NAND 的區(qū)別至關(guān)重要。

在接口層面，長(zhǎng)期占據(jù)主導(dǎo)地位的嵌入式多媒體卡（eMMC）標(biāo)準(zhǔn)，正越來(lái)越多地被通用閃存存儲(chǔ)（UFS）取代。UFS 采用串行架構(gòu)，支持更高帶寬與更低延遲。

本文將介紹閃存的基本原理，以及推動(dòng)嵌入式系統(tǒng)向 UFS 遷移的技術(shù)驅(qū)動(dòng)力。

SLC、MLC、TLC 閃存的區(qū)別是什么？

在存儲(chǔ)單元層面，NAND 閃存以離散的電荷電平來(lái)存儲(chǔ)信息。每個(gè)單元存儲(chǔ)的比特?cái)?shù)，決定了需要區(qū)分的電壓等級(jí)數(shù)量：

• SLC（Single-Level Cell）：1 bit/cell（2 個(gè)電平）

• MLC（Multi-Level Cell）：2 bits/cell（4 個(gè)電平）

• TLC（Triple-Level Cell）：3 bits/cell（8 個(gè)電平）

• QLC（Quad-Level Cell）：4 bits/cell，目前已開(kāi)始送樣

非管理型 SLC 是速度最快、最穩(wěn)定的閃存形式，但通常只能做到較低密度。

MLC 和 TLC 通過(guò)在單個(gè)單元里存入更多比特來(lái)提升容量，但代價(jià)是需要更復(fù)雜的信號(hào)檢測(cè)、糾錯(cuò)與管理邏輯，這會(huì)給系統(tǒng)中的主處理器帶來(lái)額外開(kāi)銷(xiāo)。

如今，大多數(shù)大批量應(yīng)用都采用 3D TLC 閃存，因?yàn)樗诿芏取⒊杀九c壽命之間為現(xiàn)代應(yīng)用提供了最佳平衡。

非管理型 vs 管理型 NAND：區(qū)別在于閃存控制器

閃存分為兩種形態(tài)：行業(yè)內(nèi)所說(shuō)的非管理型（原始 NAND）與管理型 NAND。

對(duì)于原始 NAND，存儲(chǔ)廠(chǎng)商可以在一個(gè)封裝內(nèi)放入 1～16 顆裸片。系統(tǒng)中的主處理器或外置閃存控制器必須負(fù)責(zé)：

• 錯(cuò)誤校正編碼（ECC）

• 損耗均衡（wear leveling）

• 壞塊管理

• 邏輯 — 物理地址映射

• 垃圾回收

這給 OEM 帶來(lái)了最大的靈活性，但也帶來(lái)了最大的開(kāi)發(fā)責(zé)任。構(gòu)建穩(wěn)健的閃存轉(zhuǎn)換層（FTL）絕非易事，尤其是在閃存工藝與壽命限制持續(xù)變化的情況下。

與之相對(duì)，管理型 NAND 在同一個(gè)封裝內(nèi)集成了一顆或多顆閃存裸片 + 專(zhuān)用控制器（圖 1）。內(nèi)部控制器屏蔽了底層復(fù)雜性，向主機(jī)提供一個(gè)簡(jiǎn)單的塊設(shè)備接口。NAND 閃存非常依賴(lài)管理，因此整個(gè)電子行業(yè)正在大范圍轉(zhuǎn)向管理型閃存。

1. 橫截面視圖顯示一個(gè)管理型NAND設(shè)備，帶有控制器和NAND芯片線(xiàn)接地。

目前主流的管理型閃存接口有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：eMMC 和 UFS。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)讓設(shè)計(jì)者完全不必處理底層閃存管理，而可以專(zhuān)注于系統(tǒng)級(jí)功能。

什么是 eMMC？它如何解決嵌入式存儲(chǔ)碎片化問(wèn)題

2000 年代初，移動(dòng)設(shè)備陷入了互不兼容的 NAND 接口、廠(chǎng)商自定義指令與定制控制器的混亂局面。每款新手機(jī)都需要新驅(qū)動(dòng)、新啟動(dòng)代碼，甚至常常需要新硬件。

行業(yè)迫切需要統(tǒng)一的指令集、可預(yù)期的管理行為、跨廠(chǎng)商的直接替換能力，以及簡(jiǎn)化的塊設(shè)備存儲(chǔ)視圖。

MMC 協(xié)會(huì)與 JEDEC 聯(lián)合推出了 eMMC 標(biāo)準(zhǔn)。

eMMC 首個(gè)版本于 2006 年面世，行業(yè)迅速?lài)@它整合。到 2010 年，它已成為智能手機(jī)、平板與其他消費(fèi)電子中嵌入式閃存的主導(dǎo)存儲(chǔ)接口。

eMMC 滿(mǎn)足了市場(chǎng)最迫切的需求：簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)化、行為可預(yù)測(cè)。

什么是 UFS？為何它在高性能系統(tǒng)中取代 eMMC

但隨著智能手機(jī)開(kāi)始拍攝更高清視頻、運(yùn)行更復(fù)雜的操作系統(tǒng)、處理更大更多的并發(fā)應(yīng)用，eMMC 逐漸出現(xiàn)性能瓶頸。

它采用并行、半雙工接口，同一時(shí)間只能讀或只能寫(xiě)，不能同時(shí)進(jìn)行。

即便在最快模式下，eMMC 的峰值吞吐量也僅約 400 MB/s，在數(shù)據(jù)密集、多任務(wù)環(huán)境中成為明顯瓶頸。

為解決這一問(wèn)題，JEDEC 于 2011 年推出 UFS，作為 eMMC 的繼任者。

UFS 不使用并行總線(xiàn)，而是采用高速串行接口（圖 2），實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)連接，支持全雙工通信—— 讀寫(xiě)同時(shí)進(jìn)行 —— 并帶來(lái)更低延遲與更高效的指令處理。

2. 本圖表比較了eMMC和UFS閃存存儲(chǔ)能力。

最新一代 eMMC 與 UFS 的性能差距非常顯著：

• eMMC：峰值吞吐量 400 MB/s

• UFS：最高可達(dá) 4,640 MB/s（提升 10 倍以上）

除了更低延遲，UFS 每比特傳輸?shù)哪苄б泊蠓嵘?/p>

這些特性讓 UFS 不僅更快，而且更適合當(dāng)前移動(dòng)與嵌入式系統(tǒng)中持續(xù)的高負(fù)載數(shù)據(jù)任務(wù)，包括：

• 高分辨率成像

• AR 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

• AI 加速

• 5G 應(yīng)用

• 多 GB 級(jí)數(shù)據(jù)傳輸

eMMC 為何依然重要：嵌入式系統(tǒng)的成本與生命周期

盡管性能差距巨大，很多人原本以為 eMMC 會(huì)迅速消失，被 UFS 完全取代，但事實(shí)并非如此。

嵌入式設(shè)計(jì)者仍然會(huì)在以下場(chǎng)景選擇 eMMC：

• 打印機(jī)

• 機(jī)頂盒

• 家庭 IoT 網(wǎng)關(guān)

• 流媒體設(shè)備

• 低端移動(dòng)設(shè)備

• 使用老款處理器、不支持 UFS 接口的系統(tǒng)

在這些市場(chǎng)中，性能不是首要目標(biāo)，成本與簡(jiǎn)潔性更重要。

不過(guò)，eMMC 所使用的 NAND 類(lèi)型正在發(fā)生變化：

• 過(guò)去 4/8/16 GB 低密度 eMMC 主要使用 MLC NAND。

• 但隨著行業(yè)全面轉(zhuǎn)向 3D TLC，MLC 產(chǎn)能正在快速消失，用于 MLC 的先進(jìn)光刻設(shè)備也已不再生產(chǎn)。

• 隨著基于 MLC 的低密度 eMMC 逐漸稀缺，基于 TLC 的 eMMC 成為替代品。

實(shí)際可用的最低容量必須提升。未來(lái)，64 GB、128 GB 的 TLC eMMC 將成為主流，部分廠(chǎng)商已提供 256 GB 版本（尤其面向汽車(chē)領(lǐng)域）。

這形成了一個(gè)有趣的交匯點(diǎn)：eMMC 的高端容量區(qū)間，已經(jīng)與 UFS 的低端區(qū)間重疊。

eMMC 與 UFS 之間如何選擇？真正的決策依據(jù)

當(dāng)存儲(chǔ)廠(chǎng)商與客戶(hù)交流時(shí)，選擇這兩種技術(shù)的決策因素通常集中在幾點(diǎn)：

• 處理器接口兼容性

許多老款處理器只支持 eMMC，許多現(xiàn)代 SoC 只支持 UFS，部分中端芯片兩者都支持。

隨著時(shí)間推移，處理器廠(chǎng)商在新設(shè)計(jì)中逐步淘汰 eMMC 接口，升級(jí)處理器的系統(tǒng)將默認(rèn)轉(zhuǎn)向 UFS。

• 應(yīng)用類(lèi)別

UFS 主導(dǎo)：智能手機(jī)、平板、AR/VR、汽車(chē) ADAS、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、安防攝像頭、工廠(chǎng)自動(dòng)化、AI 邊緣平臺(tái)。

eMMC 仍在使用：打印機(jī)、機(jī)頂盒、低成本 IoT、媒體播放器、老款嵌入式設(shè)計(jì)。

• 容量趨勢(shì)

隨著應(yīng)用需要更大存儲(chǔ)、低密度 MLC 消失，如今選擇 64/128 GB 的設(shè)計(jì)者已經(jīng)站在了 UFS 的門(mén)口。

• 性能

所有客戶(hù)都承認(rèn) UFS 在吞吐量、延遲、擴(kuò)展性上更優(yōu)秀。

不選用的理由通常只有一個(gè)：“我的 SoC 不支持 UFS。”

為什么 UFS 正成為下一代嵌入式閃存的默認(rèn)選擇

目前，eMMC 與 UFS 仍擁有各自健康的市場(chǎng)。

eMMC 仍然很好地服務(wù)于成本敏感、長(zhǎng)生命周期、 legacy 類(lèi)應(yīng)用，廠(chǎng)商未來(lái)多年仍會(huì)支持主流容量（64/128 GB）。

但行業(yè)軌跡已非常明確：

• 低密度 eMMC 正在消失

• MLC 產(chǎn)能基本退出

• 處理器廠(chǎng)商逐步淘汰 eMMC 支持

• UFS 的容量、性能、生態(tài)勢(shì)頭持續(xù)增長(zhǎng)

曾經(jīng)完全依賴(lài) eMMC 的智能手機(jī)、平板、PC 市場(chǎng)，未來(lái)路線(xiàn)圖已經(jīng)明確指向僅支持 UFS 的設(shè)計(jì)。

對(duì)于新系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工程師應(yīng)當(dāng)考慮這一趨勢(shì)。

雖然 eMMC 不會(huì)一夜之間消失，但 UFS 正日益成為主流、面向未來(lái)的嵌入式存儲(chǔ)選擇。