健圣

eMMC成就單芯片

相信“eMMC”（Embedded Multi Media Card）這個(gè)單詞大家不會(huì)陌生，所有搭載Intel Atom處理器（如Atom Z3735、Atom X5 Z8300等）的Windows平板電腦，以及絕大多數(shù)智能手機(jī)，它們都以eMMC作為存儲(chǔ)單元，用于安裝Android系統(tǒng)、APP以及保存各種數(shù)據(jù)和緩存文件。那么，eMMC和我們熟悉的NAND閃存又是一個(gè)什么關(guān)系？

如果我們將智能手機(jī)/平板電腦拆解，你會(huì)發(fā)現(xiàn)eMMC的外觀和NAND閃存芯片沒什么差異（圖1），但二者在本質(zhì)上卻存在云泥之別。簡單來說，eMMC是在NAND閃存芯片的基礎(chǔ)上，額外集成了主控制器，并將二者“打包”封裝成一顆BGA芯片，從而大幅降低多芯片的空間占用和布線難度問題，是幫助移動(dòng)設(shè)備瘦身的不二法門（圖2）。

eMMC的先天缺陷

eMMC的速度取決于總線接口。目前，eMMC的總線接口主要以eMMC 4.4、eMMC 4.5、eMMC 5.0（市場主流）、eMMC 5.1（還未正式進(jìn)入市場）為主，它們的“理論帶寬”分別為104MB/s、200MB/s、400MB/s和600MB/s，看起來還不錯(cuò)。

請注意，以上數(shù)據(jù)只是理論值，eMMC在實(shí)際應(yīng)用中的速度會(huì)大打折扣。以配備eMMC 5.0的手機(jī)為例（如魅族MX5），它們實(shí)際測試的讀取速度僅有180MB/s左右，而那些以eMMC 4.5為主的早期手機(jī)實(shí)測讀取速度更是很難突破130MB/s大關(guān)。

總之，eMMC的讀寫性能并不優(yōu)秀，受限于8位并行接口和半雙工模式的先天缺陷，eMMC的潛力已經(jīng)基本挖掘殆盡，成為了拖累移動(dòng)設(shè)備整體體驗(yàn)的瓶頸，如它影響了開機(jī)速度、APP啟動(dòng)速度、相機(jī)存儲(chǔ)速度。此外，eMMC的半雙工模式導(dǎo)致其讀寫必須分開執(zhí)行，在實(shí)際應(yīng)用中的影響就是，當(dāng)我們將手機(jī)與PC連接，在拷貝照片的同時(shí)將無法訪問手機(jī)存儲(chǔ)空間內(nèi)的其他文件夾，也無法同時(shí)往手機(jī)里拷貝數(shù)據(jù)（圖4），只有等照片傳輸完畢后才能進(jìn)行其他操作。

UFS：eMMC中的SSD

eMMC的孱弱，讓我們不得不羨慕起SSD的強(qiáng)悍。雖然SSD也是由NAND閃存芯片構(gòu)成，但它的物理結(jié)構(gòu)卻是由多個(gè)閃存芯片、主控、緩存組成的陣列式存儲(chǔ)模塊，自然具備超越eMMC的資質(zhì)?？上?，哪怕是最新M.2接口的SSD也需要占用至少22mm×42mm的空間（圖5），想將它塞進(jìn)智能手機(jī)里無疑癡人說夢。

那么，有什么方法可以讓單芯片的eMMC獲得SSD的高速特性呢？答案就是“UFS”（Univeral Flash Storage，通用閃存）超快嵌入式閃存技術(shù)。

從外表來看，UFS芯片和eMMC芯片長得差不多（圖6），但它卻采用了“命令隊(duì)列”（Command Queue）技術(shù)：通過一個(gè)串行接口收發(fā)類似SSD的指令，與基于8位并行接口的eMMC相比，其數(shù)據(jù)處理速度得到極大的提升。我們可以將UFS和eMMC理解為硬盤領(lǐng)域從IDE并口向SATA串口的進(jìn)化，它支持全雙工運(yùn)行（可同時(shí)進(jìn)行讀寫操作）（圖7），電源管理也更為高效（更省電）。

目前UFS正處于2.0時(shí)代，它提供了HS-G2和HS-G3兩個(gè)傳輸信道，理論帶寬分別為5.8Gbps（725MB/s）和11.6Gbps（1450MB/s），速度上完爆eMMC 5.0的400MB/s理論帶寬，哪怕是還未普及的eMMC5.1也無法望其項(xiàng)背（見表）。

UFS2.0的另一大優(yōu)勢就是容量潛力更大（理論上可超過2TB）。以三星為例，其剛剛發(fā)布了單顆容量高達(dá)256GB的UFS 2.0閃存顆粒，擁有850MB/s和260MB/s的順序讀/寫速度，而讀/寫操作IOPS分別可達(dá)45K和40K。要知道，這顆UFS 2.0閃存的體積比Micro SD（TF）存儲(chǔ)卡的體積還要?。▓D8），但無論是容量還是性能都已經(jīng)可以和PC領(lǐng)域的SSD比肩了！

速度太快也尷尬

UFS2.0的讀寫速度令人振奮，但它也帶來了一個(gè)較為尷尬的問題：和存儲(chǔ)卡有“沖突”。2015年上市的Galaxy S6最大缺陷就是不再支持存儲(chǔ)卡，而三星給出的解釋則為因UFS 2.0超高速嵌入式閃存的介入而不得不放棄擴(kuò)展。

這個(gè)借口對也不對。之所以說“對”，是因?yàn)槟壳白铐敿?jí)的128GB UHS-1 Class10 Micro SD存儲(chǔ)卡的讀取速度也不過95MB/s，和UFS2.0 350MB/s的讀取速度相比猶如蝸牛（圖9）。如果讓UFS2.0和存儲(chǔ)卡共存，后者將嚴(yán)重拖累UFS2.0的速度，從而導(dǎo)致用戶體驗(yàn)不佳。之所以說“不對”，是因?yàn)殡S后上市的魅族Pro5在配備UFS2.0閃存的同時(shí)依舊支持存儲(chǔ)卡擴(kuò)展，與三星的解釋相矛盾。

實(shí)際上，從技術(shù)的層面來說UFS2.0與存儲(chǔ)卡共存不是問題，關(guān)鍵是Android的存儲(chǔ)機(jī)制允許將部分APP或用戶數(shù)據(jù)遷移到存儲(chǔ)卡，而存儲(chǔ)卡糟糕的讀寫速度勢必導(dǎo)致一定的延遲感。比如我們使用連續(xù)快拍多張1600萬像素的照片（每張照片體積就達(dá)6MB～10MB），哪怕是Class 10標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)卡讀寫速度也會(huì)達(dá)到瓶頸。如果將照片保存在UFS2.0閃存中的感覺就是“秒存”，但保存到存儲(chǔ)卡就有了略微的延遲感。此外，當(dāng)存儲(chǔ)卡插入手機(jī)后并非只有一個(gè)進(jìn)程在進(jìn)行讀寫操作，我們安裝的APP所生成的臨時(shí)文件和數(shù)據(jù)時(shí)不時(shí)就會(huì)讀寫，最終導(dǎo)致文件越多運(yùn)行越卡。

總之，Galaxy S6因UFS2.0而放棄存儲(chǔ)卡是一種“偷懶”的設(shè)計(jì)，好在三星2016年的旗艦之作Galaxy S7再次讓UFS2.0和存儲(chǔ)卡共存（圖10）。為了避免存儲(chǔ)卡拖UFS2.0的后腿，Galaxy S7和魅族Pro5一樣，默認(rèn)都不允許將APP安裝路徑設(shè)置在存儲(chǔ)卡，而存儲(chǔ)卡的主要用途只是用來存儲(chǔ)視頻和音樂等多媒體文件。

蘋果不讓UFS2.0獨(dú)美

UFS2.0并非目前最快的閃存技術(shù)，蘋果iPhone 6S/6S Plus的讀寫性能就在其之上。究其原因，是因?yàn)閕Phone 6S/6S Plus采用了更為先進(jìn)的NVMe協(xié)議。與傳統(tǒng)eMMC/SATA/SCSI（UFS的命令層協(xié)議就是SCSI）協(xié)議相比，NVMe效率更高，對CPU的負(fù)載更低。根據(jù)實(shí)測，iPhone 6S/6S Plus的順序讀取速度可超過400MB/s大關(guān)（圖11），就連UFS2.0也只能在一旁“羨慕嫉妒恨”。

小結(jié)

在CPU和GPU性能足夠強(qiáng)悍的情況下，提升磁盤性能就是改善使用體驗(yàn)的最有效方式，這一點(diǎn)已經(jīng)在PC領(lǐng)域的SSD上得到了證明。作為比eMMC 5.1更先進(jìn)的UFS2.0技術(shù)，已經(jīng)被包括三星和東芝在內(nèi)的NAND企業(yè)列入了重點(diǎn)發(fā)展規(guī)劃，它們在未來1～2年內(nèi)的成本會(huì)出現(xiàn)較為明顯的下調(diào)，從而進(jìn)一步拉近與eMMC的距離。因此，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在2016年下半年，UFS2.0也許就會(huì)成為2000元以上價(jià)位國產(chǎn)手機(jī)的標(biāo)配，讓我們共同期待吧。