昨晚手机大厂新机发布会，提到对存储这块创新了一个功能，作为存储行业的搬运工总觉得哪里有问题。我们先看下原文。
Ultra Space
文中也提到了是将存储芯片中预留的额外空间，选取部分空间给用户，那么我们现在就来了解下预留空间。
在了解预留空间前我们先普及下目前手机存储里面的主流芯片eMMC和UFS。
此前也有写文章介绍不同存储芯片的区别：一文看懂NAND、eMMC、UFS、eMCP、uMCP、DDR、LPDDR及存储器和内存区别
eMMC ( Embedded Multi Media Card) 采用统一的MMC标准接口， 把高密度NAND Flash以及MMC Controller封装在一颗BGA芯片中。针对Flash的特性，产品内部已经包含了Flash管理技术，包括错误探测和纠正，flash平均擦写，坏块管理，掉电保护等技术。用户无需担心产品内部flash晶圆制程和工艺的变化。同时eMMC单颗芯片为主板内部节省更多的空间。
简单地说，eMMC=Nand Flash+控制器+标准封装
eMMC的整体架构如下图片所示：
eMMC 则在其内部集成了 Flash Controller，用于完成擦写均衡、坏块理、ECC校验等功能，让 Host 端专注于上层业务，省去对 NAND Flash 进行特殊的处理。
UFS：Univeral Flash Storage，我们可以将它视为eMMC的进阶版，是由多个闪存芯片、主控、缓存组成的阵列式存储模块。UFS弥补了eMMC仅支持半双工运行（读写必须分开执行）的缺陷，可以实现全双工运行，所以性能得以翻番。
UFS早前被细分为UFS 2.0和UFS 2.1，它们在读写速度上的强制标准都为HS-G2（High speed GEAR2），可选HS-G3标准。而两套标准又都能运行在1Lane（单通道）或2Lane（双通道）模式上，一款手机能取得多少读写速度，就取决于UFS闪存标准和通道数，以及处理器对UFS闪存的总线接口支持情况。
UFS 3.0引入了HS-G4规范，单通道带宽提升到11.6Gbps，是HS-G3（UFS 2.1）性能的2倍。而由于UFS支持双通道双向读写，所以UFS 3.0的接口带宽最高可达23.2Gbps，也就是2.9GB/s。此外，UFS 3.0支持的分区增多（UFS 2.1是8个），纠错性能提升且支持最新的NAND Flash闪存介质。
为了满足 5G 设备的需求，UFS 3.1 的写入速度是上一代通用闪存存储的 3 倍。此驱动器的 1,200 百万字节/秒 (MB/s) 速度可增强高性能，有助于防止下载文件时缓冲，从而在连接频繁的世界中享受 5G 的低延迟连接性。
2022年8月JEDEC（固态存储协会）正式公布了JESD220F标准文档，也就是UFS 4.0正式版。
新一代UFS 4.0在互连层上遵循MIPI联盟的通用规范，其中物理层基于M-PHY v5.0、传输层基于UniPro v2.0。由此，接口带宽翻番到23.2Gbps，允许最大4.2GB/s的读写速度。
同时，UFS 4.0引入VCC=2.5V的新电压规范，比之前的3.3V效率更高，也就是更省电。
此外，UFS 4.0标准还在循环队列、数据安全保护、错误记录等多方面有了改进，延迟更低，且向下兼容UFS 3.0/3.1。
UFS的一些关键特点：
高性能：UFS提供了高速的数据传输速度，可达到Gb级别的传输速率。它采用高速串行接口，实现了快速的读写操作，支持多通道操作以提高并发性能。
2.大容量：UFS支持多个存储芯片的并行操作，从而实现了高容量的存储解决方案。它的容量范围从几十GB到几TB不等。
3.低功耗：UFS在设计上考虑了低功耗，以满足移动设备等电池供电应用的需求。它支持快速进入和退出休眠状态，以降低待机功耗，并优化了数据传输算法以降低活动功耗。
4.可靠性：UFS提供了高度可靠的数据完整性保护和错误检测与纠正（ECC）功能，以确保存储数据的可靠性。它还支持高级闪存管理功能，如坏块管理和写入放大抑制，以延长存储器寿命并提高可靠性。
5.兼容性：UFS具有较高的兼容性，可以与现有的存储接口标准（如eMMC）和文件系统兼容。这意味着现有的设备可以通过简单的硬件和软件更新来支持UFS存储。
总的来说，UFS是一种高性能、高容量和低功耗的闪存存储器解决方案，适用于移动设备和消费电子产品。
所以不管是eMMC还是UFS最重要的存储单元的还是NAND Flash芯片。
NAND Flash是一种非易失存储介质（掉电后数据不会丢失），常见的手机平板存储、U盘、TF卡/SD卡，以及大部分SSD都是由它组成的。
一、Flash基本组成单元：SLC/MLC/TLC
Flash的基本组成单元是浮栅晶体管，其状态可以用来指示二进制的0或1。写操作就是往晶体管中注入电子，使之充电；擦除操作则是把晶体管中的电子排出，使之放电。由于这是个模拟系统，晶体管并不存在绝对的空和满状态，其中的电子数目可以处于空和满之间的任一个状态。
也就是说，量化等级越高，一个晶体管可以表示的状态越多，存储密度就越大，同等数量的存储单元组成的存储介质，存储容量也越大。
NAND Flash的寿命在很大程度上受所用存储单元类型影响，单个晶体管中存放的状态越多，容错性越差，寿命越短。
不同组成单元对Flash性能和寿命的影响
从上面的原理可以看出，SLC、MLC、TLC的性能和寿命是递减的，存储密度是递增的。 下面是一组具体的数据：
从上图可以看出：
随着每个单元代表的比特数增加，读、写、擦除耗时也在增加
无论是SLC还是MCL、TLC，擦除耗时（ms数量级）都远高于读写耗时(us数量级)
SLC的擦写次数远大于MLC、TLC，也就是说寿命长。
SLC每个晶体管只能代表一个比特，从存储密度看，是最低的，TLC存储密度最高，MLC次之。
总的来看，SLC的性能、寿命、稳定性是优于MLC的，当然价格也更贵，MCL次之，TLC最次。
二、Flash的结构及特点
Flash的结构
Flash中存在下面几个基本概念：package、die、plane、block、page(page对应于普通硬盘HDD中的sector，即常说的扇区)。 下面是一个示意图，我们由大到小拆解下：
package是存储芯片，即拆解固态硬盘或者SD卡后看到的NAND Flash颗粒。
每个package包含一个或多个die。die是可以独立执行命令并上报状态的最小单元。
每个die包含一个或多个plane(通常是1个或2个)。不同的plane间可以并发操作，不过有一些限制。
每个plane包含多block*，block是最小擦除单元。
每个block包含多个page， page是最小的读写单元。
这里我们需要重点关注的是：
读写的操作对象是page，通常是512字节或者2KB
擦除的对象是block，通常包含32或64个page（16KB或64KB）
每个block在写入前需要先擦除
block擦除前，需要保证本block上所有page中都不包含有效数据（如果有些page包含有效数据，需要先搬移到其他地方）
Flash还有一个重要特性：Flash不支持更新操作，严格说应该是不支持原址更新。 如果我们已经往某个page中写入了数据，想修改这个page中的内容，只能通过下面的方法：
先把本page所属block的数据全部读出来，比如先读到内存DRAM
然后修改对应page的内容
接下来擦除整个block
最后把修改后的block数据回写到Flash
Flash芯片上block的擦写次数是有限的，最大擦写次数称为PE Cycles(Program erase cycles, 往Flash写入的过程又称为编程过程，即program)。如果采用上面的方法进行原址更新，Flash很容易就会被用坏的。一个折中的方法是：将新数据写到一个新的page中，并将原来的page标记为无效，如下图所示：
说明：新的page和老的page可以位于同一个block，也可以位于不同的block，甚至位于不同的die。
磨损均衡
每个block的最大擦写次数(P/E Cycles)基本上是一样的，磨损均衡（Wear Levelling）的作用是保证所有block被擦写的次数基本相同。这就要求磨损均衡算法要把擦写操作均摊在所有的block上。
如果所有block上的数据都经常更新，磨损均衡算法执行起来问题不大。如果有些block上存在冷数据（写入之后就很少更改的数据），我们必须根据一定的策略强制搬移这些数据并擦写对应的block，否则这些block就永远不会被擦除。当然这种操作会增加系统负载，同时也加大了整个系统的磨损（产生了不必要的擦写）。
实际上，磨损均衡算法越激进，系统的磨损越严重；但是如果磨损均衡算法太消极，会导致两极分化，部分block被擦除次数较多，部分block被擦除次数较少。
垃圾回收
接下来我们需要处理page的回收问题（Garbage Collection）。Flash的擦除单元是block，这决定了垃圾回收的最小单元也是block。block回收过程中，需要确保待擦除block上无有效数据；如果有的话，需要搬移到其他的block（和磨损均衡一样，这也会增加额外的负担，实际应用中需要找到一个平衡点）。
为什么需要垃圾回收
我们假设一个简单的存储介质只包含5个block，每个block包含10个page。在初始化状态，所有的page都是空的，存储介质的可用空间是100%。
初始化状态
接下来写入一些数据（注意：写入的最小单元是page）。从下图可以看出，有些page已经被占用了，并且由于磨损均衡算法的作用，他们被分散在不同的block上：
写入数据
我们再继续写入一些数据，现在50%的空间被占用了，并且数据分散在各个block上（尽管在物理层面数据是分散在各个block的，FTL对外展现的可能是连续的）：
继续写入数据
如果这时更新数据，FTL会选择一个空的page写入新数据，然后把老的page标记为stale状态（黄色标记块），如下图所示:
更新数据
这时最左边的block包含2个stale状态的page和4个used状态的page，为了回收stale状态的page，必须先把4个used状态的page拷贝到其他的block，然后再把最左边的block整个擦除掉。如果此时不执行该操作，继续写入新数据（或者更新现有数据），会耗尽所有free状态的page，尽管此时还存在stale状态的page，但是已经无法回收了（有效数据没法腾挪了），这时候整个存储介质会进入只读状态。
所以，Flash的FTL层需要执行垃圾回收策略，释放stale状态的page。
写放大因子
从上面的介绍我们了解到，磨损均衡和垃圾回收在一定程度上都会触发后台数据搬运。这些操作是在Flash内部进行的，外部通过任何方法都监控不到，外部唯一能感受到的就是性能受到影响，比如某次写很耗时。
这种现象叫做写放大（Write Amplification），可以通过下面的公式衡量。该值越大说明效率越低，会对存储介质的性能和寿命造成不良影响：
写放大因子定义
公式的分子是实际写入到Flash的数据量，分母是有效数据量。比如一次写入5KB数据，但是由于磨损均衡或者垃圾回收导致后台产生了数据搬运，实际写入数据量是10KB，那么，写放大因子就是2。
预留空间
一般情况下，存储介质的实际存储空间都大于标称空间(一般多7%左右，具体根据各家芯片厂商而定)，多出来的存储空间被称为预留空间（Over-Provisioning），这部分空间用户是无法使用的。它可以被用来进行数据腾挪，保证垃圾回收、擦写均衡的正常进行，如果有坏块产生，还可以作为替补block顶上去（在一定程度上，让用户感知不到坏块的存在）。
所以综上根据NAND Flash的结构和特性。在重度数据随机写入应用中，如果追求一定的性能的话，各家厂商还是倾向于增加一些NAND的OP。
所以如果是用牺牲存储预留空间去当做卖点，研发真的是遇到技术创新的瓶颈了吗？
以上仅个人拙见，或许真的是技术突破，各位如何看待，欢迎留言或者扫码添加微信进群讨论。
性能的计算公式
这个公式是基于一些极端的假设，包括NAND足够优秀、固件足够优秀、测试软件足够“聪明且恶意”等等。实际应用中，控制器、闪存、固件的匹配未必能这么完美，当然用户数据的写入也不会那么“恶意”。从定性的角度来说，存储性能与所有这些参数之间的关系，是不会变的。
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