5G 5G NR eMMC UFS3.0 JEDEC HPB Write Booster Deep Sleep Mode LPDDR5 μMCP

行動儲存介面改朝換代 UFS 3.1與5G相得益彰

2019-12-17
一腳跨入5G時代,許多東西確實一覺醒來都不一樣了,5G行動網路傳輸速率從數百Mbps起跳,最高速率將達20Gbps,而且網路延遲時間在1ms以內,為了達成這些技術要求,5G硬體需要全面翻新,自然帶動產業鏈商機,這也是近來5G產業動態引發高度關注的原因之一。

5G手機是最重要的行動終端,自從智慧手機崛起,手機內的儲存容量就不斷以翻倍的趨勢增加,近幾年eMMC(Embedded Multi Media Card)則稱職扮演手機內部資料傳輸介面,直到4G後期,業界積極推動新的UFS(Universal Flash Storage)架構取代效能已臻極限的eMMC,不過過程並不十分順利,業界對於eMMC的熟悉度與信賴感很難轉換,直到帶來翻天覆地改變的5G,新款5G手機效能大幅提升,帶動各關鍵零組件規格的升級,因此最新的UFS 3.1可望即位登基。

eMMC 4G時代角色扮演成功

發展多年的eMMC介面,從早期的MMC外接記憶卡轉進手機內建儲存介面,進而成為主流,eMMC 4.4的讀取速度大約104MB/s、eMMC 4.5則為200MB/s;而在2013年7月29日三星開始量產首款eMMC 5.0產品,其讀取速度為400MB/s,但是因為使用的是8位元平行式(Parallel)傳輸,因此性能已經基本到達瓶頸,到了eMMC 5.1再將理論頻寬提升到600MB/s,已是該標準的極限,換算成傳輸速率約4.8Gbps,實際速率打個折扣大概可以支援2Gbps以內的無線行動連結應用。

目前4G LTE的傳輸速率理論上可以超過1Gbps,但在實際應用上,大都還停留在500Mbps以下,目前也沒有很多應用需要長時間使用這麼大的頻寬;不過在5G時代,300~500Mbps傳輸速率應該是常態,大概一~二年後傳輸速率就可以提升到Gbps的水準,未免讓儲存介面成為手機效能的瓶頸,UFS取代eMMC在5G時代應該是勢在必行。

UFS跟eMMC最大的不同點在於它是全雙工序列式(Serial)傳輸,介面可同時寫入和讀取,UFS的序列式傳輸比起eMMC的平行式傳輸,其優勢在於減少外在干擾和使用更小的傳輸空間,而UFS 2.1最高速為Gear 3的6Gbps雙通道,比eMMC 5.0的400MB/s足足快了三倍。UFS在2011年就由電子設備工程聯合委員會(Joint Electron Device Engineering Council, JEDEC)提出,希望能夠替代eMMC。

但在UFS 3.0之前的版本,市場推展都相對辛苦,儘管UFS 2.0版本的傳輸效能已經提升到1,400MB/s,還是只有少數高階旗艦機種支援,除了技術瓶頸還沒完全面臨之外,行動處理器廠商並未全面支援UFS規格也是原因;另外,手機內建記憶體容量也是關鍵之一,群聯電子創新技術發展事業群處長馬中迅提到,64GB是一個明顯的分水嶺,容量小於64GB的手機,就算採用UFS存取速度的差異也很難顯現,再加上64GB以下的記憶體可能會採用較舊的製程,讀寫速度本來就較慢,使用eMMC就已經足夠。

UFS 3.0傳輸頻寬大幅提升

2018年2月JEDEC發表了UFS 3.0標準,單通道頻寬提升到11.6Gbps,是HS-G3(UFS 2.1)性能的兩倍。而由於UFS支援雙通道雙向讀寫,所以UFS 3.0的頻寬最高可達23.2Gbps,也就是2.9GB/s。完全可以支援5G的傳輸速率,5G理論傳輸峰值達20Gbps,約2.5GB/s,慧榮科技產品企劃二部協理謝逸群(圖1)表示,該公司現階段UFS 3.0解決方案實際讀取速度可以達1,500MB/s,2020年將朝2,000MB/s目標發展。

圖1 慧榮科技產品企劃二部協理謝逸群表示,該公司UFS 3.0解決方案實際讀取速度2020年將朝2,000MB/s發展。

而從手機的儲存容量來看,馬中迅認為,128GB是UFS 3.0開始導入的起點,可以使用128Gb加上8層堆疊的解決方案,目前這個技術已經相對成熟,而5G旗艦級與高階機種會搭配256GB的記憶體為主,傳輸介面就至少是UFS 2.1或3.0的規格。至於512GB,由於主要快閃記憶體廠商現在還沒推出單一晶粒(Die)512Gb的解決方案,512GB模組必須採多顆晶片設計,對於「釐土釐金」的手機內部空間來說,不是最佳解決方案。

謝逸群進一步指出,目前在手機內部的記憶體模組慣常使用11.5mm×13mm的封裝規格,已經接近標準化設計,而且受限於手機的厚度與記憶體本身的效能,以採用8層堆疊為主,16層堆疊不僅太厚,也可能因為層數太多造成晶粒邊緣損壞。未來手機內建記憶體儲存容量的發展,還是要透過主要記憶體廠商在製程發展上的推進,待512Gb解決方案成熟之後,預計2020下半年或2021年初的機種才會更普遍導入。

另外,2020年2月的MWC大展,將是手機品牌廠商大秀5G肌肉的主要舞台,多款重要的5G手機即將推出,業界人士也大膽猜測,UFS 3.1版本將是此時多數旗艦手機支援的重點。推測依據是在JEDEC的UFS技術委員會中,原先規畫UFS 3.1標準將在2020年第一季定案,月前開會討論,Samsung提出將該計畫技術規格提前於2019年12月定案,而且獲得包括Qualcomm在內的會員表決通過,有這兩大廠商背書,業界人士多研判,此舉是為了讓Qualcomm即將發表的最新5G SoC Snapdragon 865直接支援UFS 3.1。

UFS 3.1優化存取與省電效率

UFS 3.1版本標準是3.0的優化版,在速度上沒有進一步的提升,謝逸群解釋,UFS 3.1主要改善存取與省電效能,與3.0版本不同的部分包括:HPB(Host Performance Booster)此技術類似SSD的主控端記憶體緩衝(Host Memory Buffer, HMB),讓SSD可以直接把映像表放在主機端的DRAM上,透過PCIe接口來存取主機上的記憶體。這樣一來,便可以直接在主機記憶體上讀寫SSD映射表,速度及效率更高。HPB的運作原理類似,同一筆資料儲存的時候盡量同一區,讀取時透過映像表改善資料效率。

Write Booster技術可以改善資料寫入速度;Deep Sleep Mode則在記憶體沒有讀寫動作時,進入深層睡眠模式,降低耗電量,同時工作的時候UFS的功耗要比eMMC低10%,日常工作中約能節省35%的功耗。尤其在手機容量進入512GB與1TB之後,更多有效管理的技術,除了可以提高記憶體運作效率,也可以降低耗電量。5G的明星應用如線上遊戲、AR/VR都是需要快速讀寫資料與大量記憶儲存的應用,UFS 3.1的高效能表現會更加相得益彰。

在4G時代,iPhone的遊戲運作流暢度與資料存取速度為消費者所稱道,在記憶體介面部分,2015年,蘋果在iPhone 6s/iPhone 6s Plus上導入NVMe協議,大容量版本更支持TLC/SLC混合緩存加速,讓iPhone上的NAND快閃記憶體獲得了媲美SSD的性能。和eMMC所用的SDIO連接埠不同,NVMe使用的是PCIe連接埠,這個PCIe並不是PC上的那個,而是基於MIPI M-PHY物理層的PCIe。相較傳統的SCSI接口協議,NVMe協議具有高效率、低負載的特性,因此性能更高而且低延時。

群聯與慧榮UFS解決方案齊備

eMMC的效能長期落後NVMe,讓Android陣營的部分使用者體驗不如iPhone,進入UFS 3.0世代,可望扭轉這類窘境,謝逸群說,慧榮科技已經發表支援UFS 3.0/3.1規格的控制晶片SM2754,支援HS-Gear4-2L標準、SCSI體系結構模型(SAM)和UniPro 1.8標準,可實現高性能儲存、更高的能效和更簡易的系統設計門檻。SM2754整合了專用硬體和控制器技術,採用了更優秀的演算法,以提高隨機順序讀與寫性能。順序讀速度可達2,000MB/s,順序寫速度可達450MB/s。

資料安全性方面,謝逸群強調,慧榮科技在SM2754解決方案中使用SRAM進行資料錯誤檢測,可防止發生軟錯誤事件,並且提高資料可靠性,此外還採用了該公司自主研發的MIPI M-PHY及高可靠低功耗LDPC算法,多方面提高安全性。

圖2 慧榮科技UFS 3.0/3.1解決方案SM2754
資料來源:慧榮科技

群聯也於2018年8月就推出UFS 3.0解決方案PS8317,支援HS-Gear 4、雙通道介面與傳輸,採用獨特的CoXProcessor 2.0架構承襲PCIe SSD架構的設計理念,減少系統延遲、提升隨機存取速度至PCIe SSD等級;同樣自行開發M-PHY 4.1實體層,UniPro 1.8 & UFS 3.0 IP,支援3D NAND、八組NAND顆粒,容量最大達512GB;另外,其低功耗第四代SMART ECC技術,強化解碼效能,保障96層及次世代的3D NAND可靠度,在四顆3D NAND同時運作下,連續讀/寫速度達到1,800/820MB/s,隨機讀/寫速度達到100K/160K IOPS。

由於UFS 3.1版本主要是效能的優化,不是架構上的更新,馬中迅認為,待2019年12月JEDEC會議拍板,該公司很快就可以推出支援3.1版本的控制晶片。預計UFS 2.1系列的版本會在5G中階機種發展,eMMC雖然已被認為逐步退出智慧手機,但萬元內的入門級智慧手機,還是會繼續採用eMMC規格。另外,隨著物聯網的發展,穿戴式裝置或新興的物聯網終端,如智慧手表、語音助理、機上盒等,這些裝置成本壓力比手機大,儲存容量卻小得多,非常適合使用eMMC介面。

圖3 群聯電子UFS 3.0解決方案PS8317
資料來源:群聯電子

5G手機記憶體直接採用uMCP模組

另外,5G手機的各項效能表現都大幅提升,因此在有限的內部空間中,工程師還要想辦法塞入更多天線、射頻元件、電池等,因此5G手機的記憶體模組可能直接採用高度整合的uMCP,而模組上的 Mobile DRAM也可能因此升級至最新的LPDDR5,

記憶體龍頭三星於2019年7月宣布,量產全球首款12GB LPDDR5 DRAM。該款DRAM針對未來智慧型手機中的5G和AI功能進行優化。

採用第2代10奈米等級製程的12Gb LPDDR5 DRAM,傳輸速度可達到5,500Mbps,是LPDDR4X速率(4,266Mbps)的1.3倍。三星還計畫,在12Gb LPDDR5 DRAM大量生產之後,2020年將量產16Gb的LPDDR5 DRAM顆粒。因此,未來很有可能會出現16GB LPDDR5規格的模組。

展望未來,在5G的帶動之下,智慧手機的各項技術規格都有升級的需求,發展已經進入第三代的UFS介面,跟5G可說是最相得益彰的搭配,尤其是最新的UFS 3.1規格,有機會直接成為未來5G手機記憶體介面的主流,國內的群聯與慧榮都是記憶體獨立控制晶片的主要廠商,也同時看好此一發展趨勢,做好準備,應該可以在5G智慧手機市場有所發揮。

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