UFS称霸手机后，又在车载/SSD领域与eMMC/NVMe混战

UFS (Universal Flash Storage)储存接口规格从一开始就有意被导入车用，预期可在该应用领域取代eMMC (MultiMediaCard)。后来UFS成为众多品牌智能手机爱用的非挥发性储存媒介规格，不过随着车用数据需求变得越来越复杂且严苛，该规格可能会发现开始要与NVMe (Non-Volatile Memory Express)固态硬盘(SSD)竞争。

UFS最新、最强大的一代版本是JEDEC固态技术协会在2022年8月公布的4.0版，而这距离该规格以速度超越eMMC替代方案问世，已经超过十年的时间。UFS储存自问世以来称霸高端智能手机市场，随着成本下降又席卷中端手机市场；在智能手机之外，该技术也被应用于一些平板电脑，并成为车用储存越来越受欢迎的选项。

但UFS能跟着车子“上路”多久还不是很清楚，尽管JEDEC仍对该标准的商机保持乐观，车用信息娱乐系统的储存与呈倍数成长的车载数据的整合，可能在某些应用案例中为NVMe固态硬盘取代UFS开启一扇门。

eMMC也仍是个狠角色

要比较UFS与eMMC，车用是一个很恰当的案例。不同于eMMC的半双工(half-duplex)，比较“年轻”的UFS主要优势在于全双工(full-duplex)；这意味着前者在本质上只能乘载单向流量，也就是可以用eMMC媒介读取或者是写入资料、但不能同时，UFS则能同时乘载读取与写入运作。UFS的平行运作特性被视为能在智能手机储存领域侵蚀eMMC领地的主要原因，其性能会更适合在移动设备上播放更高画质视频与支持更快网络速度的预期中需求。

除了读写性能大幅超越eMMC，值得注意的是UFS规格仍在开发中，而仍在使用中的eMMC规格已经不再更新。尽管如此，厂商并未因此停止运用eMMC的优势来开发设备，例如Western Digital就在2022年针对需要高性能、可靠数据储存、小外观尺寸与省电的应用，推出NAND EM141嵌入式闪存设备。

在向《EE Times》展示EM141产品时，西部数据（Western Digital）闪存事业群的全球产品管理部门副总裁Eric Spanneut表示，eMMC在32与64GB储存应用仍然是非常受欢迎的界面，并广泛应用于像是车载资通讯系统(telematics)、信息讯娱乐系统与先进辅助驾驶系统(ADAS)等设备。而高端智能手机市场主要是UFS的天下，PC闪存储存市场则是由NVMe固态硬盘称霸。

Spanneut指出，因为车用系统朝向更集中化的架构发展，将为UFS指向一条新发展蓝图。就像eMMC，UFS已经证明具备车厂高度需求的可靠度，不过因为该规格的4.0版刚问世，会有UFS 2与3混用的情况，这可能导致市场上会出现某种程度的分散化。他认为，eMMC与UFS之间的选择会是依据不同案例，eMMC对某些应用来说仍然已经够好，成本也更低。

UFS被预期将在多个应用市场侵蚀eMMC的领土，包括车载资通讯系统、资通讯娱乐系统与ADAS。

(来源：Western Digital)

UFS能满足众多应用需求

Western Digital透过其iNAND解决方案来因应储存需求，而三星(Samsung)的方法则是透过一个以UFS为基础的多芯片单封装组件，同时提供闪存储存与LPDDR DRAM内存。三星是第一批推出UFS 4.0解决方案的供应商之一，该规格能达到每信道23.2Gbps的速度，是UFS 3.1的两倍。

UFS 4.0的高传输速度对5G智能手机来说很理想，因为具备需要大量数据处理的功能，包括高分辨率影像与视频、高容量手机游戏、AR/VR应用程序，以及像是三星ADAS解决方案那样结合手机的汽车应用。新增的多任务处理，以及传感器是智能手机内存需求的关键推手，带来对DRAM与闪存储存具备更高性能的期待。

三星针对手机结合汽车的ADAS应用率先推出UFS 4.0规格产品。

(来源：三星)

车用领域的其他供应商，例如美光科技(Micron Technology)拥有涵盖各个应用面的解决方案，包括因应车载计算、内存、储存与人工智能需求的eMMC/UFS与固态硬盘产品。慧荣(Silicon Motion)的Ferri系列也针对包括手机、企业、工业与车用等不同市场领域的三种技术解决方案，如FerriSSD、Ferri-eMMC与Ferri-UFS。

UFS为车载功能提供快速启动时间，必须要与驾驶人按下启动键的速度一样快。然而车用设计的计算需求，在性能与储存容量方面进一步推动了对数据储存的需求，也促进了车用等级固态硬盘的采用，它们的容量能让车用系统内的储存整合，以减少所需储存设备的整体数量。

就像大多数的内存与储存规格，UFS致力于每次改版都将性能提升一倍，4.0版也不例外。在其他进展方面，包括利用更省电的VCC = 2.5V、而非前一代标准支持的3.3V，并为要求更严苛的储存I/O模式导入多循环队列(multi-circular queue)定义；此外系统延迟也能被High Speed Link Startup (HSL)、Out of Order Data Transfer与BARRIER Command等功能的支持改善。

一种能加速超越JEDEC规格所概述之性能的方法，是使用MIPI的M-PHY 5.0物理层通讯协议，大幅增加数据传输速率──这也是铠侠(Kioxia)在2022年初以UFS 3.1规格实现的成果。锁定智能手机、平板电脑，以及超轻薄笔电(ultra-portable notebooks)，该公司宣称这种设计UFS组件的方法能提供媲美入门级PCIe 4.0固态硬盘的性能。

2022年初，铠侠宣布开始提供支持MIPI M-PHY v5.0的UFS 3.1 嵌入式闪存组件样品，宣称此种方法能提供媲美入门级PCIe 4.0固态硬盘的性能。

(来源：Kioxia)

固态硬盘可能取代UFS

但尽管UFS取得了技术进展，群联电子(Phison Electronics)首席技术官Sebastien Jean接受《EE Times》独家专访时表示，PCIe/NVMe固态硬盘可能会随着储存需求成长而在车用领域取代UFS；他指出，PCIe并不仅限于应用在能发动交易(transaction)的主机，这种主机与能用UFS总线所启动的系统大不相同。“它就是没有PCIe的能力。”他说。

Jean还表示，UFS较低的耗电也还不足以成为比NVMe固态硬盘更好的选择：“UFS没有真正的功率或性能优势，它在非常基本的层面上有功能性缺陷。”他补充指出，UFS今日的主要机会在于迎合由五大主流厂商组成的智能手机市场，其中苹果(Apple)还都在做自己的东西。

而他认为，智能手机要处理的储存密度仍相对较低，车用市场则随着储存朝向更复杂的拓扑扩大，变得更“类企业”；智能手机应用需求能以UFS妥善因应，但在车用储存的功能需求上，UFS就得追赶NVMe。举例来说，如果车用案例有大量的I/O虚拟化，NVMe就会是更好的选择。

不过JEDEC仍看好UFS在车用与其他领域的大量潜力，该标准组织的JC-64.1小组委员主席Hung Vuong接受《EE Times》独家专访时就指出，UFS 4.0版的更新反映了今日常见应用案例的需求，包括将数据传输速率加倍：“市场对带宽的需求还在，因此这是UFS 4.0的主要改变，”此外，添加多循环队列定义的目标也是提升随机I/O。

在智能手机的使用案例中，储存性能需要跟上网络速度：设备需要能在接收到数据时就能吞下，无论是今日的5G或是已经在路上的6G。“这是一种平衡动作，特别是对手机来说；”Vuong表示，带宽与功能必须跟上其他技术，同时要留意在可携式、电池供电设备的功耗：“我们不能只是转开阀门让所有东西出来，我们得审慎行动而且节省电池电力。”

Vuong指出，在手机仍是UFS主力市场的同时，JEDEC也看好车用是一个强劲的市场；与他一起接受采访、协助监督JEDEC JC-64委员会的同事Bruno Trematore也呼应了相同看法。Trematore指出，虽然先前版本的UFS因应厂商要求添加了车用规格功能，在4.0版并没有任何为他们量身打造的东西；而现在UFS在车载资通讯系统与巡航控制等驾驶辅助系统都扮演要角，在较小的应用案例像是网关，UFS就太浪费了。

而无论UFS与NVMe固态硬盘如何相互较量，该规格在汽车这样一个重视可靠度与使用寿命的产业领域，都有良好的纪录。Vuong强调，UFS非常适合需要高安全性、可靠度与数据保护需求，以及快速启动的应用。快速启动是在今日的UFS卡应用中被预期的功能，因为消费者都会这么期待他们的手机或车子。而UFS的低功耗特性使其成为物联网(IoT)边缘设备的理想选择，其电源可靠性有助于整体的稳定性。

UFS与eMMC的新竞争对手？

还有另一种可能与UFS与eMMC同台较劲──特别是在车用领域──的竞争技术，是同样由JEDEC掌管的标准：在2021年10月问世的跨界闪存嵌入式与可移除内存设备(Crossover Flash Memory Embedded and Removable Memory Device，简称XFMD)标准。该标准被设计为能在嵌入式内存与SD卡、CF卡等记忆卡之间“跨界”，目标应用涵盖游戏机、虚拟/扩增实境(VR/AR)设备，以及无人机、保全监控系统等视频录制设备。

XFMD的可移除特性对于车用来说颇具吸引力，因为这意味着嵌入式系统中的闪存储存设备，能在需要升级或是因为故障得替换时能轻松替换。这可以做为ADAS储存设备的缓冲存储器，因为该类系统的储存会持续被覆盖，当有比预期更多的数据写入时，可能导致闪存储存在车辆使用年限之前就先耗尽。

在某些需要可移除性的使用案例可能让XFMD标准胜出，包括车用领域。

(来源：JEDEC)

虽然UFS在智能手机应用领域的未来似乎很明确，它走向车用领域的道路仍未明朗，就算那里确实有新商机。“关于整辆车的CPU架构在未来将如何发展，汽车产业有很多的讨论；”Trematore结论指出：“因为想法太多了，还有一个很大的问号在那里。”

(参考原文：Smartphones, Automotive Direct UFS Path，by Gary Hilson)

本文同步刊登于《电子工程专辑》台湾版杂志2023年6月刊