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網設備固件存儲，到為數據中心人工智能加速器提供數據支撐，閃存的應用無處不在。數十年來，NAND閃存的存儲密度持續提升、成本不斷降低，催生出固態硬盤、U盤、存儲卡、智能手機、云存儲等全品類消費級及工業級產品。

NAND閃存技術最早可追溯至1987年，彼時東芝（其存儲業務現以鎧俠品牌運營）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、更高吞吐量為研發目標。

但閃存芯片本身只是整個存儲方案的一環。對于設計需長期（十年及以上）現場運行的嵌入式系統而言，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，可實現更高帶寬與更低延遲。

那推動嵌入式系統存儲方案向UFS轉型有哪些技術動因呢？

SLC、MLC與TLC閃存的區別

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決定了其需要識別的電壓電平數量：

• 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，這會給系統中的主處理器帶來額外開銷。

目前，絕大多數量產應用均采用3D TLC閃存，因其能為現代各類應用實現密度、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。閃存的性能與穩定性能從專業化的管理中大幅獲益，這也是電子行業向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，將精力聚焦于系統級功能的開發。

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，都需要配套開發新的驅動程序、新的啟動代碼，硬件也往往需要重新設計。

彼時，電子行業迫切需要一套統一的指令集、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協會與JEDEC協會聯合制定了eMMC標準，以此回應行業需求。

eMMC標準的首個版本于2006年問世，行業迅速向該標準靠攏。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、統一的標準，以及可預判的工作表現。

什么是UFS？其為何在高性能系統中可取代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，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行讀或寫操作中的一種，無法同時進行。即便是最高規格的eMMC，峰值吞吐量也僅能達到約400MB/s，在數據密集型、多任務處理的應用環境中形成了性能瓶頸。

為解決這一問題，JEDEC協會于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）。這一設計實現了點對點的連接，支持全雙工通信，可同時執行讀寫操作，同時還能實現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勢，UFS的每比特傳輸能效也得到大幅優化。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中持續的高數據量工作負載，包括高分辨率成像、增強現實（AR）、人工智能加速、5G應用以及數吉字節級的數據傳輸場景。

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，但這一情況并未發生。嵌入式設計人員仍會為打印機、機頂盒、家用物聯網中樞、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的容量高端區間，已與UFS的容量低端區間形成重疊。

如何選擇eMMC與UFS？

存儲廠商為客戶提供技術咨詢時，發現客戶在二者間選型的考量因素呈現出明確的共性：

• 處理器接口兼容性：眾多傳統處理器僅支持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，這也使得對系統處理器進行升級的企業，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主流；而eMMC則持續應用于打印機、機頂盒、低成本物聯網設備、媒體流媒體設備及傳統嵌入式設計領域。

• 容量發展趨勢：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：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仍各自擁有穩定的市場需求。eMMC在成本敏感型、長生命周期及傳統遺留應用場景中仍能充分發揮作用，廠商也將在未來數年持續支持64GB、128GB這類主流容量的eMMC產品。

但行業發展趨勢已十分明確：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、性能上的表現及生態體系的發展勢頭則持續攀升。在曾完全依賴eMMC的智能手機、平板電腦和個人電腦市場，其未來的技術規劃已明確指向純UFS架構的設計方案。

對于全新的系統設計項目，工程師們理應順應這一發展方向。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選方案。