eMMC的接班人UFS能為移動設備帶來什么

健圣

eMMC成就單芯片

相信“eMMC”（Embedded Multi Media Card）這個單詞大家不會陌生，所有搭載Intel Atom處理器（如Atom Z3735、Atom X5 Z8300等）的Windows平板電腦，以及絕大多數智能手機，它們都以eMMC作為存儲單元，用于安裝Android系統、APP以及保存各種數據和緩存文件。那么，eMMC和我們熟悉的NAND閃存又是一個什么關系？

如果我們將智能手機/平板電腦拆解，你會發現eMMC的外觀和NAND閃存芯片沒什么差異（圖1），但二者在本質上卻存在云泥之別。簡單來說，eMMC是在NAND閃存芯片的基礎上，額外集成了主控制器，并將二者“打包”封裝成一顆BGA芯片，從而大幅降低多芯片的空間占用和布線難度問題，是幫助移動設備瘦身的不二法門（圖2）。

eMMC的先天缺陷

eMMC的速度取決于總線接口。目前，eMMC的總線接口主要以eMMC 4.4、eMMC 4.5、eMMC 5.0（市場主流）、eMMC 5.1（還未正式進入市場）為主，它們的“理論帶寬”分別為104MB/s、200MB/s、400MB/s和600MB/s，看起來還不錯。

請注意，以上數據只是理論值，eMMC在實際應用中的速度會大打折扣。以配備eMMC 5.0的手機為例（如魅族MX5），它們實際測試的讀取速度僅有180MB/s左右，而那些以eMMC 4.5為主的早期手機實測讀取速度更是很難突破130MB/s大關。

總之，eMMC的讀寫性能并不優秀，受限于8位并行接口和半雙工模式的先天缺陷，eMMC的潛力已經基本挖掘殆盡，成為了拖累移動設備整體體驗的瓶頸，如它影響了開機速度、APP啟動速度、相機存儲速度。此外，eMMC的半雙工模式導致其讀寫必須分開執行，在實際應用中的影響就是，當我們將手機與PC連接，在拷貝照片的同時將無法訪問手機存儲空間內的其他文件夾，也無法同時往手機里拷貝數據（圖4），只有等照片傳輸完畢后才能進行其他操作。

UFS：eMMC中的SSD

eMMC的孱弱，讓我們不得不羨慕起SSD的強悍。雖然SSD也是由NAND閃存芯片構成，但它的物理結構卻是由多個閃存芯片、主控、緩存組成的陣列式存儲模塊，自然具備超越eMMC的資質。可惜，哪怕是最新M.2接口的SSD也需要占用至少22mm×42mm的空間（圖5），想將它塞進智能手機里無疑癡人說夢。

那么，有什么方法可以讓單芯片的eMMC獲得SSD的高速特性呢？答案就是“UFS”（Univeral Flash Storage，通用閃存）超快嵌入式閃存技術。

從外表來看，UFS芯片和eMMC芯片長得差不多（圖6），但它卻采用了“命令隊列”（Command Queue）技術：通過一個串行接口收發類似SSD的指令，與基于8位并行接口的eMMC相比，其數據處理速度得到極大的提升。我們可以將UFS和eMMC理解為硬盤領域從IDE并口向SATA串口的進化，它支持全雙工運行（可同時進行讀寫操作）（圖7），電源管理也更為高效（更省電）。

目前UFS正處于2.0時代，它提供了HS-G2和HS-G3兩個傳輸信道，理論帶寬分別為5.8Gbps（725MB/s）和11.6Gbps（1450MB/s），速度上完爆eMMC 5.0的400MB/s理論帶寬，哪怕是還未普及的eMMC5.1也無法望其項背（見表）。

UFS2.0的另一大優勢就是容量潛力更大（理論上可超過2TB）。以三星為例，其剛剛發布了單顆容量高達256GB的UFS 2.0閃存顆粒，擁有850MB/s和260MB/s的順序讀/寫速度，而讀/寫操作IOPS分別可達45K和40K。要知道，這顆UFS 2.0閃存的體積比Micro SD（TF）存儲卡的體積還要小（圖8），但無論是容量還是性能都已經可以和PC領域的SSD比肩了！

速度太快也尷尬

UFS2.0的讀寫速度令人振奮，但它也帶來了一個較為尷尬的問題：和存儲卡有“沖突”。2015年上市的Galaxy S6最大缺陷就是不再支持存儲卡，而三星給出的解釋則為因UFS 2.0超高速嵌入式閃存的介入而不得不放棄擴展。

這個借口對也不對。之所以說“對”，是因為目前最頂級的128GB UHS-1 Class10 Micro SD存儲卡的讀取速度也不過95MB/s，和UFS2.0 350MB/s的讀取速度相比猶如蝸牛（圖9）。如果讓UFS2.0和存儲卡共存，后者將嚴重拖累UFS2.0的速度，從而導致用戶體驗不佳。之所以說“不對”，是因為隨后上市的魅族Pro5在配備UFS2.0閃存的同時依舊支持存儲卡擴展，與三星的解釋相矛盾。

實際上，從技術的層面來說UFS2.0與存儲卡共存不是問題，關鍵是Android的存儲機制允許將部分APP或用戶數據遷移到存儲卡，而存儲卡糟糕的讀寫速度勢必導致一定的延遲感。比如我們使用連續快拍多張1600萬像素的照片（每張照片體積就達6MB～10MB），哪怕是Class 10標準的存儲卡讀寫速度也會達到瓶頸。如果將照片保存在UFS2.0閃存中的感覺就是“秒存”，但保存到存儲卡就有了略微的延遲感。此外，當存儲卡插入手機后并非只有一個進程在進行讀寫操作，我們安裝的APP所生成的臨時文件和數據時不時就會讀寫，最終導致文件越多運行越卡。

總之，Galaxy S6因UFS2.0而放棄存儲卡是一種“偷懶”的設計，好在三星2016年的旗艦之作Galaxy S7再次讓UFS2.0和存儲卡共存（圖10）。為了避免存儲卡拖UFS2.0的后腿，Galaxy S7和魅族Pro5一樣，默認都不允許將APP安裝路徑設置在存儲卡，而存儲卡的主要用途只是用來存儲視頻和音樂等多媒體文件。

蘋果不讓UFS2.0獨美

UFS2.0并非目前最快的閃存技術，蘋果iPhone 6S/6S Plus的讀寫性能就在其之上。究其原因，是因為iPhone 6S/6S Plus采用了更為先進的NVMe協議。與傳統eMMC/SATA/SCSI（UFS的命令層協議就是SCSI）協議相比，NVMe效率更高，對CPU的負載更低。根據實測，iPhone 6S/6S Plus的順序讀取速度可超過400MB/s大關（圖11），就連UFS2.0也只能在一旁“羨慕嫉妒恨”。

小結

在CPU和GPU性能足夠強悍的情況下，提升磁盤性能就是改善使用體驗的最有效方式，這一點已經在PC領域的SSD上得到了證明。作為比eMMC 5.1更先進的UFS2.0技術，已經被包括三星和東芝在內的NAND企業列入了重點發展規劃，它們在未來1～2年內的成本會出現較為明顯的下調，從而進一步拉近與eMMC的距離。因此，你會發現在2016年下半年，UFS2.0也許就會成為2000元以上價位國產手機的標配，讓我們共同期待吧。