行動儲存介面改朝換代　UFS 3.1與5G相得益彰

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。

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。

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。

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。