高性能嵌入式閃存的主流選擇

（本文編譯自Electronic Design）

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

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

但閃存芯片本身只是整個存儲方案的一環(huán)。對于設計需長期（十年及以上）現(xiàn)場運行的嵌入式系統(tǒng)而言，厘清unmanaged NAND與managed NAND的技術差異至關重要。

在接口層面，長期占據(jù)主導地位的eMMC標準正逐步被通用閃存存儲（UFS）取代；UFS采用串行架構，可實現(xiàn)更高帶寬與更低延遲。

那推動嵌入式系統(tǒng)存儲方案向UFS轉型有哪些技術動因呢？

SLC、MLC與TLC閃存的區(qū)別

在存儲單元層面，NAND閃存以離散電荷電平存儲信息，每個存儲單元的比特數(shù)決定了其需要識別的電壓電平數(shù)量：

• 單級單元（SLC）：每個單元1比特（2種電平）；

• 多級單元（MLC）：每個單元2比特（4種電平）；

• 三級單元（TLC）：每個單元3比特（8種電平）；

• 四級單元（QLC）：每個單元4比特，目前已進入樣品階段。

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

目前，絕大多數(shù)量產應用均采用3D TLC閃存，因其能為現(xiàn)代各類應用實現(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)內稱之為裸片NAND；二是managed NAND。

裸片NAND方案中，存儲廠商可在單個封裝內集成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責糾錯編碼、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操作。

該方案雖能為OEM廠商帶來最大化的設計靈活性，但也使其承擔了全部的管理責任。開發(fā)一套高可靠性的閃存轉換層并非易事，尤其是在閃存存儲架構與耐用性限制持續(xù)升級的背景下。

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。其內置控制器可屏蔽閃存的底層復雜操作，僅向主機端提供簡潔的塊設備接口。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準：eMMC和UFS。借助這些標準，設計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)級功能的開發(fā)。

什么是eMMC？其如何解決嵌入式存儲的碎片化問題？

21世紀初，移動設備領域深陷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。每一款新手機的研發(fā)，都需要配套開發(fā)新的驅動程序、新的啟動代碼，硬件也往往需要重新設計。

彼時，電子行業(yè)迫切需要一套統(tǒng)一的指令集、可預判的管理型閃存工作特性、跨廠商的即插即用替換性，以及一套簡化的塊設備存儲訪問方式。MMC協(xié)會與JEDEC協(xié)會聯(lián)合制定了eMMC標準，以此回應行業(yè)需求。

eMMC標準的首個版本于2006年問世，行業(yè)迅速向該標準靠攏。到2010年，它已成為智能手機、平板電腦及其他消費電子設備中，嵌入式閃存所采用的主流存儲接口。

eMMC精準滿足了當時市場的迫切需求：簡潔的設計、統(tǒng)一的標準，以及可預判的工作表現(xiàn)。

什么是UFS？其為何在高性能系統(tǒng)中可取代eMMC？

但隨著智能手機開始支持更高清視頻拍攝、運行更復雜的操作系統(tǒng)，且能處理更大體量的應用程序（甚至同時運行多款），eMMC的性能逐漸力不從心。其采用的并行半雙工接口同一時間僅能執(zhí)行讀或寫操作中的一種，無法同時進行。即便是最高規(guī)格的eMMC，峰值吞吐量也僅能達到約400MB/s，在數(shù)據(jù)密集型、多任務處理的應用環(huán)境中形成了性能瓶頸。

為解決這一問題，JEDEC協(xié)會于2011年推出UFS標準，將其定位為eMMC的新一代替代方案。UFS摒棄了并行總線設計，轉而采用高速串行接口（如圖2所示）。這一設計實現(xiàn)了點對點的連接，支持全雙工通信，可同時執(zhí)行讀寫操作，同時還能實現(xiàn)更低的延遲與更高效的指令處理。

圖2：eMMC與UFS閃存存儲性能對比。

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，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下移動與嵌入式系統(tǒng)中持續(xù)的高數(shù)據(jù)量工作負載，包括高分辨率成像、增強現(xiàn)實（AR）、人工智能加速、5G應用以及數(shù)吉字節(jié)級的數(shù)據(jù)傳輸場景。

為何eMMC仍具價值？

盡管二者性能差距懸殊，許多人曾認為eMMC會被逐步淘汰并被UFS完全取代，但這一情況并未發(fā)生。嵌入式設計人員仍會為打印機、機頂盒、家用物聯(lián)網(wǎng)中樞、流媒體設備、低端移動設備，以及搭載無UFS接口老舊處理器的系統(tǒng)等應用選用eMMC。在這些應用市場中，性能并非首要考量因素，成本與簡潔性才是關鍵。

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

eMMC的實際最低可用容量勢必向上提升。未來，64GB和128GB的TLC eMMC產品將成為主流，部分廠商還推出了256GB規(guī)格的產品，這類大容量產品尤其適用于汽車電子領域。這也形成了一個值得關注的融合點：當前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？

存儲廠商為客戶提供技術咨詢時，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，部分中階產品則實現(xiàn)雙接口支持。近年來，處理器廠商在全新設計中逐步淘汰eMMC接口，這也使得對系統(tǒng)處理器進行升級的企業(yè)，默認選擇UFS方案。

• 應用品類：總體而言，UFS在智能手機、平板電腦、AR/VR設備、汽車ADAS、無人機、機器人、安防攝像頭、工廠自動化設備及新興的邊緣人工智能平臺中占據(jù)主流；而eMMC則持續(xù)應用于打印機、機頂盒、低成本物聯(lián)網(wǎng)設備、媒體流媒體設備及傳統(tǒng)嵌入式設計領域。

• 容量發(fā)展趨勢：隨著各類應用的存儲需求不斷提升，且低密度MLC閃存逐步退出市場，如今選擇64GB或128GB存儲方案的設計人員，已然邁入UFS的適用范疇。

• 性能表現(xiàn)：所有客戶均認可UFS在吞吐量、延遲性及可擴展性上的絕對優(yōu)勢，對UFS的應用顧慮往往僅集中于一點：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選擇

目前，eMMC與UFS仍各自擁有穩(wěn)定的市場需求。eMMC在成本敏感型、長生命周期及傳統(tǒng)遺留應用場景中仍能充分發(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產品。

但行業(yè)發(fā)展趨勢已十分明確：低密度eMMC產品逐步退場，MLC閃存的產能幾近耗盡，處理器廠商正逐步取消對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)展勢頭則持續(xù)攀升。在曾完全依賴eMMC的智能手機、平板電腦和個人電腦市場，其未來的技術規(guī)劃已明確指向純UFS架構的設計方案。

對于全新的系統(tǒng)設計項目，工程師們理應順應這一發(fā)展方向。盡管eMMC不會在一夜之間退出市場，但UFS正日益成為嵌入式存儲領域兼具主流性與未來兼容性的優(yōu)選方案。