浅谈 SSD,eMMC,UFS

这个时候发这篇文章难免有蹭热点的嫌疑。。但作为一个计算机体系结构的研究生,在这些名词满天飞的时候,我的好奇心是抑制不住的,想一探这几样技术的究竟。本文不对某一特定事件进行点评,仅从技术角度分析对比一下这三种技术。就算是当做自己的技术储备+科普了

首先,这三种技术都是属于闪存(Flash Memory)的不同种类,区别主要在于控制器,接口标准以及更底层的 Flash 芯片标准。它们在电脑/手机等系统中的主要作用是作为存储设备(storage)/文件系统。(注意它们虽然也叫memory,但和运存的 memory是完全两回事儿)


以前电脑系统中的主要的存储设备是机械式磁盘,访问速度慢,体积庞大,功耗高,而且对震动非常敏感,因此很难用于小型化的移动设备里。Flash Memory 出现后,由于没有移动部件,几乎完美解决了以上机械硬盘的各种问题,因此很快在各种移动设备中获得广泛应用。(当然,Flash的写操作和寿命的问题也比较复杂,但这不是本文的讨论重点) 而且基于Flash 的 SSD 硬盘性能普遍好于传统机械硬盘,因此也成为了PC/服务器的主流存储设备。

那么既然 SSD,eMMC,UFS 都是 Flash,它们的区别在哪呢?

想要了解它们的区别,首先要了解他们解决的问题。

SSD 主要作用是取代 PC/服务器 上的 HDD 硬盘,它需要:

  • 超大容量(百GB~TB级别)
  • 极高的并行性以提高性能
  • 对功耗,体积等要求并不敏感
  • 兼容已有接口技术 (SATA,PCI等)

而 eMMC 和 UFS主要都是针对移动设备发明的,它们需要:

  • 适当的容量
  • 适当的性能
  • 对功耗 ,体积的要求极其敏感
  • 仅需遵循一定的接口标准 (稍后解释)

为了直观感受一下区别,我刚才特意找来了一个 PCIe 的 SSD,如下图,上面黑色的芯片就是Flash:

我又拆了一个手机,它里面的 Flash 芯片是这样的(中间那个最大的黑色芯片):

看到区别了吗? (之前写的文章各种被人盗转,只好给图打码了,见谅)

一个SSD,为了达到高并行高性能的要求,有多个Flash 芯片,这样就可以在每个芯片上进行相互独立的读写操作,以并行性来提高硬盘吞吐量,还可以增加冗余备份。而手机中为了节省空间和功耗,通常只有一片密度较高的 Flash 芯片。

管理一个 Flash 芯片,和管理多个 Flash 芯片,策略肯定是不一样的,因此它们的控制器 (controller)就完全不同了。而且 PC 上需要兼容 SATA 或 PCIe 或 m2 接口,这样你电脑硬盘坏了的时候,可以拔下来换上另一块同样接口的硬盘能照样用。而手机上的 Flash 芯片大多是直接焊在主板上的,基本上不需要考虑更换的问题,所以只要遵从一个特定标准,能和CPU正常通讯就好了。因此接口的不同也是 SSD 和 eMMC,UFS 的重要区别之一。

好了,SSD 和 (eMMC, UFS)的区别说完了,下面说一下可能很多人会关心的 eMMC 和 UFS 的区别了。

eMMC 和 UFS 都是面向移动端 Flash 的标准,区别在于,二者的接口技术大相径庭。

eMMC 是一个起源较早的技术,全称叫 embedded MultiMedia Card,为什么单单e是小写呢? 因为先有的MMC啊。所谓MMC,大家可能没听过但可能见过,相机中用得较多,和SD卡长得很像(之前的图片就搞错了,感谢评论中各位的提醒)。


MMC前面加了个embedded,主要就是为了突出现在这个设备是embedded 在电路板上。eMMC 和 MMC一样,沿用了 8 bit 的并行接口。在传输速率不高的时代,这个接口够用了。但随着设备对接口的带宽要求越来越高,想把并行接口速率提高也越来越难。eMMC 的最新 5.1标准理论最高值最高可以达到400 MB/s,再往上提高频率也不是不行,但就未必划算了。

好在这几年接口串行化大潮轰轰烈烈。所谓接口串行化,简单来说就是工程师们发现:与其用一个比较宽的并行接口以较低的速率传输,用一个串行接口用非常高的速率传输似乎更划算一些(带宽,功率,成本各方面综合考虑)。所以这个时候 UFS 应运而生,用高速串行接口取代了并行接口,而且还是全双工的,也就是可以读写同时进行。所以相比 eMMC, UFS的理论性能提高不少,甚至可以达到一些SSD的水准。可以在下图直观感受一下,蓝色的是UFS,红色的是eMMC,当然是越高越好:

(图片引自[1] Micron 的文档)

最后,大家可能比较关心的一个问题:我设计好了一个使用UFS的系统,然后悲伤地发现没有UFS可以用了,那能不能直接换成eMMC呢?

答案是不行的,因为 UFS 和 eMMC 接口完全不兼容,控制器也不可通用。下面两个示意图分别是eMMC和UFS的接口(图片引自[2][3] JEDEC标准)。

即使是示意图,也能看出两者的明显差别。eMMC有两条总线,分别传输指令数据输入和输出,而且因为是并行总线还要有额外的data strobe。而UFS则是有两条差分的数据lane,指令和数据都是以packet的形式发送的。就更不要提二者的信号线的电气特性也有很大差别了。这些将直接导致控制侧(CPU那边)SoC 的控制器和电路设计会有很大不同。

所以一个系统的SoC以及电路板一定要经过重新设计,才能把 UFS 替换成 eMMC,这不是在生产线上换个 Flash 芯片那么简单的事儿,还得经过比较长时间的设计和测试才行。否则想要快速拿出替代方案的话,恐怕从一开始就要设计兼容两套方案了,嗯。

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评论中有很多业内人士的讨论,我们大概可以得到以下新的结论:

一款SoC可以设计为兼容两种标准的。

相应地,电路板也可以用一套方案兼容两种标准,或者即使用两种不同方案,但成本都不高。

两套方案的软件驱动也不一样。

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[1] UFS is here, and it’s very fast!

[2] JEDEC-JESD84-B51

[3] JEDEC-JESD220C

编辑于 2017-04-28

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