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快速从eMMC转移到UFS的解决方案

时间:2017-04-02 作者:Toshiba 阅读:
高速数字接口中,并行总线越来越少。原因很简单,随着系统时钟提升,并行总线在板级实现时已经遇到了物理瓶颈,抖动、串扰、信号偏移(skew)、传输路径不完美等因素将大幅降低并行总线的保持建立时间窗口,从而限制系统带宽的进一步提升。随着游戏与视频应用在移动设备上的普及,以及手机处理器性能的提升,eMMC的性能已经不能满足移动设备对存储读写性能的要求,UFS(通用快闪存储)应运而生。
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高速数字接口中,并行总线越来越少。原因很简单,随着系统时钟提升,并行总线在板级实现时已经遇到了物理瓶颈,抖动、串扰、信号偏移(skew)、传输路径不完美等因素将大幅降低并行总线的保持建立时间窗口,从而限制系统带宽的进一步提升。EtXEETC-电子工程专辑

在串并转换(Serdes)技术取得突破以后,新式串行总线越来越流行,以USB和PCIe为代表的串行总线在板级以串行方式连接,在芯片内部将数据解码成并行数据,这样将板级数据线之间的关系解耦,既大幅降低了板级布线难度,又突破了系统带宽限制,因此,新式串行总线发展风风火火,在个人电脑(不含工控与特殊用途电脑)里面,PCIe接口已经完全取代PCI接口,SATA接口也完全取代了PATA接口。EtXEETC-电子工程专辑

不过在手机存储接口方面,eMMC(嵌入式多媒体卡)的市占率仍然较高,原因之一是移动设备对于存储性能的要求相比个人电脑要低。但随着游戏与视频应用在移动设备上的普及,以及手机处理器性能的提升,eMMC的性能已经不能满足移动设备对存储读写性能的要求,UFS(通用快闪存储)应运而生。EtXEETC-电子工程专辑

UFS的性能优势

MMC(多媒体卡)标准于1997年问世,说来有趣,MMC最初的标准就是单根数据线,后来扩展到8根数据线,eMMC标准将闪存颗粒和控制器放入更紧凑的BGA(球栅阵列)封装,以适应移动设备对封装尺寸的要求。首批eMMC产品于2007年正式推向市场,到目前为止,JEDEC的最新标准为eMMC5.1。EtXEETC-电子工程专辑

如前所述,并行总线在速度增加到一定值时将不能满足时序要求,eMMC标准单根数据线的极限速度为400Mbps左右,8位数据线标准eMMC接口一次传输峰值速度为400兆字节每秒(400MB/s)。相比之下,UFS2.0单通道峰值速度为5.8Gpbs,现标准为双通道,所以速度可达1160MB/s,是eMMC标准的近3倍。EtXEETC-电子工程专辑

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图1:e-MMC与UFS接口区别。EtXEETC-电子工程专辑

而且由于eMMC是半双工模式,主、从设备之间数据不能同时交互,而UFS是全双工模式,便于传输性能的提升。所以采用UFS接口的系统,启动时间更快,读写响应更迅速。根据东芝的数据,在顺序读、随机读、顺序写、随机写操作中,UFS2.1产品基本能够达到eMMC5.1产品的1-3倍。UFS新一代标准还将大幅提高读写性能,但eMMC性能提升的余地已经不大。EtXEETC-电子工程专辑

依靠先进的串并转换技术,UFS读写性能的大幅提升并不是以功耗的大幅提升为代价得到的。由于UFS信号电压摆幅只有200毫伏,而eMMC标准是1.8伏或3.3伏,因此两种产品待机功耗相差无几,而且从第三代到第五代,东芝的每一代UFS产品功耗水平都得到了提升。EtXEETC-电子工程专辑

从eMMC接口移植到UFS接口容易吗?

从并行总线换到串行总线,减少了高速数据线的连接,简化了硬件工程师的工作。EtXEETC-电子工程专辑

以东芝的产品为例,UFS封装与eMMC封装一致,用户可以选择对应的封装直接替换。相比第三代UFS产品使用三电源供电,东芝的第四代与第五代UFS产品不再需要1.2伏电源,从而使存储模块的电源设计更简单。EtXEETC-电子工程专辑

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图2:第四代以后UFS存储器只需要两个电源。EtXEETC-电子工程专辑

在固件层面,与eMMC产品类似,东芝的UFS产品已经将纠错、坏块管理、损耗平衡(wear leveling)、垃圾回收等都已经封装好,为用户在闪存应用开发上节省了大量的时间。EtXEETC-电子工程专辑

为了方便用户调试,东芝在UFS产品中还提供了板级调试管脚。以第5代UFS产品为例,用户只需将2个调试管脚连接到PCB的调试工具接口即可,不需要额外加电阻电容。当出现问题时,用户利用调试工具通过这2个管脚连到UFS存储器上进行调试,正常模式这2个管脚浮空。EtXEETC-电子工程专辑

既然UFS相对eMMC在性能上提升了这么多,更换设计又不复杂,那么当UFS产品成熟时,产品替代进程将非常快。根据东芝对市场的判断,在2017年上半年旗舰手机将普及UFS接口。2017年下半年开始中端手机也将逐步改用UFS闪存,UFS接口在高端平板中的普及率也将过半。EtXEETC-电子工程专辑

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图3:UFS市场前景。EtXEETC-电子工程专辑

从东芝UFS产品路线图来看,UFS2.0与2.1产品均已经量产,新一代UFS接口的研发也紧锣密鼓,可以预期,UFS市场的增长曲线一定非常陡峭,eMMC在移动设备领域的历史使命已经完成,UFS的时代即将来临。EtXEETC-电子工程专辑

本文来自《电子工程专辑》2017年4月刊,版权所有,谢绝转载EtXEETC-电子工程专辑

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