eMMC的接班人UFS能为移动设备带来什么

eMMC成就单芯片

相信“eMMC”（Embedded Multi Media Card）这个单词大家不会陌生，所有搭载Intel Atom处理器（如Atom Z3735、Atom X5 Z8300等）的Windows平板电脑，以及绝大多数智能手机，它们都以eMMC作为存储单元，用于安装Android系统、APP以及保存各种数据和缓存文件。那么，eMMC和我们熟悉的NAND闪存又是一个什么关系？

如果我们将智能手机/平板电脑拆解，你会发现eMMC的外观和NAND闪存芯片没什么差异（图1），但二者在本质上却存在云泥之别。简单来说，eMMC是在NAND闪存芯片的基础上，额外集成了主控制器，并将二者“打包”封装成一颗BGA芯片，从而大幅降低多芯片的空间占用和布线难度问题，是帮助移动设备瘦身的不二法门（图2）。

eMMC的先天缺陷

eMMC的速度取决于总线接口。目前，eMMC的总线接口主要以eMMC 4.4、eMMC 4.5、eMMC 5.0（市场主流）、eMMC 5.1（还未正式进入市场）为主，它们的“理论带宽”分别为104MB/s、200MB/s、400MB/s和600MB/s，看起来还不错。

请注意，以上数据只是理论值，eMMC在实际应用中的速度会大打折扣。以配备eMMC 5.0的手机为例（如魅族MX5），它们实际测试的读取速度仅有180MB/s左右，而那些以eMMC 4.5为主的早期手机实测读取速度更是很难突破130MB/s大关。

总之，eMMC的读写性能并不优秀，受限于8位并行接口和半双工模式的先天缺陷，eMMC的潜力已经基本挖掘殆尽，成为了拖累移动设备整体体验的瓶颈，如它影响了开机速度、APP启动速度、相机存储速度。此外，eMMC的半双工模式导致其读写必须分开执行，在实际应用中的影响就是，当我们将手机与PC连接，在拷贝照片的同时将无法访问手机存储空间内的其他文件夹，也无法同时往手机里拷贝数据（图4），只有等照片传输完毕后才能进行其他操作。

UFS：eMMC中的SSD

eMMC的孱弱，让我们不得不羡慕起SSD的强悍。虽然SSD也是由NAND闪存芯片构成，但它的物理结构却是由多个闪存芯片、主控、缓存组成的阵列式存储模块，自然具备超越eMMC的资质。可惜，哪怕是最新M.2接口的SSD也需要占用至少22mm×42mm的空间（图5），想将它塞进智能手机里无疑痴人说梦。

那么，有什么方法可以让单芯片的eMMC获得SSD的高速特性呢？答案就是“UFS”（Univeral Flash Storage，通用闪存）超快嵌入式闪存技术。

从外表来看，UFS芯片和eMMC芯片长得差不多（图6），但它却采用了“命令队列”（Command Queue）技术：通过一个串行接口收发类似SSD的指令，与基于8位并行接口的eMMC相比，其数据处理速度得到极大的提升。我们可以将UFS和eMMC理解为硬盘领域从IDE并口向SATA串口的进化，它支持全双工运行（可同时进行读写操作）（图7），电源管理也更为高效（更省电）。

目前UFS正处于2.0时代，它提供了HS-G2和HS-G3两个传输信道，理论带宽分别为5.8Gbps（725MB/s）和11.6Gbps（1450MB/s），速度上完爆eMMC 5.0的400MB/s理论带宽，哪怕是还未普及的eMMC5.1也无法望其项背（见表）。

UFS2.0的另一大优势就是容量潜力更大（理论上可超过2TB）。以三星为例，其刚刚了单颗容量高达256GB的UFS 2.0闪存颗粒，拥有850MB/s和260MB/s的顺序读/写速度，而读/写操作IOPS分别可达45K和40K。要知道，这颗UFS 2.0闪存的体积比Micro SD（TF）存储卡的体积还要小（图8），但无论是容量还是性能都已经可以和PC领域的SSD比肩了！

速度太快也尴尬

UFS2.0的读写速度令人振奋，但它也带来了一个较为尴尬的问题：和存储卡有“冲突”。2015年上市的Galaxy S6最大缺陷就是不再支持存储卡，而三星给出的解释则为因UFS 2.0超高速嵌入式闪存的介入而不得不放弃扩展。

这个借口对也不对。之所以说“对”，是因为目前最顶级的128GB UHS-1 Class10 Micro SD存储卡的读取速度也不过95MB/s，和UFS2.0 350MB/s的读取速度相比犹如蜗牛（图9）。如果让UFS2.0和存储卡共存，后者将严重拖累UFS2.0的速度，从而导致用户体验不佳。之所以说“不对”，是因为随后上市的魅族Pro5在配备UFS2.0闪存的同时依旧支持存储卡扩展，与三星的解释相矛盾。

实际上，从技术的层面来说UFS2.0与存储卡共存不是问题，关键是Android的存储机制允许将部分APP或用户数据迁移到存储卡，而存储卡糟糕的读写速度势必导致一定的延迟感。比如我们使用连续快拍多张1600万像素的照片（每张照片体积就达6MB～10MB），哪怕是Class 10标准的存储卡读写速度也会达到瓶颈。如果将照片保存在UFS2.0闪存中的感觉就是“秒存”，但保存到存储卡就有了略微的延迟感。此外，当存储卡插入手机后并非只有一个进程在进行读写操作，我们安装的APP所生成的临时文件和数据时不时就会读写，最终导致文件越多运行越卡。

总之，Galaxy S6因UFS2.0而放弃存储卡是一种“偷懒”的设计，好在三星2016年的旗舰之作Galaxy S7再次让UFS2.0和存储卡共存（图10）。为了避免存储卡拖UFS2.0的后腿，Galaxy S7和魅族Pro5一样，默认都不允许将APP安装路径设置在存储卡，而存储卡的主要用途只是用来存储视频和音乐等多媒体文件。

苹果不让UFS2.0独美

UFS2.0并非目前最快的闪存技术，苹果iPhone 6S/6S Plus的读写性能就在其之上。究其原因，是因为iPhone 6S/6S Plus采用了更为先进的NVMe协议。与传统eMMC/SATA/SCSI（UFS的命令层协议就是SCSI）协议相比，NVMe效率更高，对CPU的负载更低。根据实测，iPhone 6S/6S Plus的顺序读取速度可超过400MB/s大关（图11），就连UFS2.0也只能在一旁“羡慕嫉妒恨”。

小结

在CPU和GPU性能足够强悍的情况下，提升磁盘性能就是改善使用体验的最有效方式，这一点已经在PC领域的SSD上得到了证明。作为比eMMC 5.1更先进的UFS2.0技术，已经被包括三星和东芝在内的NAND企业列入了重点发展规划，它们在未来1～2年内的成本会出现较为明显的下调，从而进一步拉近与eMMC的距离。因此，你会发现在2016年下半年，UFS2.0也许就会成为2000元以上价位国产手机的标配，让我们共同期待吧。