智慧型手機系統對於記憶體速度和品質的需求提升，UFS(Universal Flash Storage)有機會在未來幾年，逐漸取代eMMC成為主流規格，隨著智慧型手機市場的蓬勃發展，各種行動應用程式的下載量、豐富的多媒體內容，以及照片和視訊擷取產生的資料量正如雪球般地越滾越大，再加上第五代行動通訊技術(5G)、人工智慧(Artificial Intelligence, AI)以及擴增/虛擬實境(AR/VR)等行動裝置新興資訊應用出現，也衍生出新的龐大資料量之儲存需求。
尤其當AI成為科技技術發展之新潮流，手機大廠與晶片廠在2018年幾乎都把AI功能導入智慧型手機中，連帶也激勵手機所搭載的NAND Flash容量需求增加。
事實上，當容量需求快速增加，甚至是倍增之際，成熟的NAND Flash之2D平面生產技術已不能滿足終端應用之需求。以2D之NAND Flash之限縮每個儲存單位、同時增加同一層儲存密度的微縮技術來看，目前已逐漸接近物理極限，因此導致最高容量大多停留在128Gb(16GB)之容量水準。至於3D NAND Flash之技術則是透過垂直立體堆疊儲存單元的方式，運用多層結構之技術突破容量上限的瓶頸，更因為少了複雜的演算法將可防止資料錯誤，而大幅提升讀寫之效能。
根據研調機構TrendForce統計，智慧型手機的快閃記憶體之容量將從2017年的平均40GB提升到2018年的約60GB以上。此外，由於生產技術演進將由目前64層更進一步達96層3D NAND Flash，主流單顆粒之容量將可以達到256Gb(32GB)，而堆疊兩顆可達64GB，甚至若堆疊至四顆容量將可晉升至128GB之境界。
UFS主流趨勢確定
智慧型手機對於快閃記憶體控制晶片的要求越來越高，不論在Android系統或者微軟Windows作業系統，系統設計複雜度也隨之增高。隨著時代的演進，JEDEC也制定了新的NAND快閃記憶體應用的規格，也就是UFS。在2012年UFS 1.1規格問世，然後是2013年的UFS 2.0，持續地演進到UFS 2.1到即將定案的UFS 3.0。
由於3D技術演進發展，eMMC/UFS也將較以往2D技術可以達到倍增的儲存容量，且擁有更低的封測成本。因此，當2018年3D NAND的產能完成擴產，eMMC/UFS的容量也就順理成章從64GB起跳，且成為主流手機廠之首選規格，對於國際一線手機大廠而言，更是紛紛將旗艦機種之eMMC/eMCP/UFS之規格一舉提升至128GB的容量。
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(Parallel)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 5.1的400MB/s足足快了三倍。基於UFS各種規格比eMMC更先進，已成為未來取代eMMC的最佳行動記憶體選擇，另外UFS也可做成外接卡片的形式，因此也有挑戰傳統卡片主流SD規格的可能性。
UFS規格剛發布的前幾年，手持式裝置的記憶體幾乎都仍是eMMC或eMCP，目前支援UFS的手機晶片僅限於最高階的高通、海思、三星等數款，一般中低階的手機晶片還是支援eMMC/eMCP為主流。雖然UFS設計和生產的難度，以及成本都比eMMC/eMCP較高，但隨著市場對速度與規格上的需求，各大記憶體廠都擁有研發與量產的UFS計畫，並致力推廣至一線手機廠的旗艦機型，如圖1所示。
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| 圖1 2015~2020年UFS市場普及率預估 |
資料來源：TrendForce
UFS資料的傳輸是基於SCSI SAM架構模型而來，它透過分層的架構來做溝通，如圖2所示。
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| 圖2 UFS資料傳輸架構模型 |
資料來源：JEDEC
UFS Application Layer應用層包含UFS的指令集(UCS)，裝置管理(Device Manager)和工作管理(Task Manager)，指令集會處理一般的指令，比如讀取和寫入等等。基本上UFS可以支援不只一種指令集，可視功能需要而做擴充，目前此UFS版本支援的是SCSI指令集，而且是專門為適用於UFS精簡過的。工作管理可處理工作序列的排程，裝置管理則控制下層連結的溝通。裝置管理主要負責的工作是處理和管理裝置的配置和操作，裝置的操作包含電源管理，跟資料傳輸相關的參數設定、背景操作執行，和所有跟裝置相關的操作。裝置管理也可透過發出請求，來查詢或修改裝置的參數資訊。
傳輸規格層(UFS Transport Protocol(UTP)Layer)提供所需的服務給應用層，UFS Protocol Information Unit(UPIU)是在UFS host跟裝置的傳輸規格層中交換的封包，舉例來說，當host傳輸規格層收到應用層或裝置管理的請求，它會產生一個UPIU並傳給裝置的傳輸規格層。互連層(UFS Interconnect Layer)是UFS分層架構的最下層，它包含MIPI UniPro和MIPI M-PHY，主要是處理host和裝置的相互連結。
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| 圖3 UFS系統示意圖 |
資料來源：JEDEC
圖3是整個UFS系統的示意圖，可清楚了解host和裝置是如何連結的。UFS host可能是被包含在智慧型手機的晶片組，它透過驅動程式來做host端的一些參數設定，然後透過MIPI UniPro和MIPI M-PHY與裝置溝通，而UFS裝置就是控制器加上快閃記憶體。表1是每一個UFS裝置必須要的訊號。圖4是UFS裝置示意圖。
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| 圖4 UFS裝置示意圖 |
資料來源：JEDEC
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| 表1 UFS裝置的訊號類型示意 |
資料來源：JEDEC
UFS規格總共定義七種電源模式，包含：工作(Active)，休息(Idle)，工作前(Pre-Active)，睡眠(UFS-Sleep)，睡眠前(Pre-Sleep)，關電(UFS-PowerDown)，關電前(Pre-PowerDown)。每一種模式下，所能支援的命令可能不同，而且電源模式的切換也有規定，有這麼多種電源模式的好處在裝置可以隨著各種不同工作狀態，切換成適合環境的模式，如此可達到節能省電的效果。比如當裝置沒有在做資料傳輸時，可視情況切換成UFS-Sleep或是UFS-PowerDown。圖5和表2定義了這七種電源模式的細節。
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| 圖5 UFS 7種電源模式 |
資料來源：JEDEC
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| 表2 UFS 7種電源模式 |
資料來源：JEDEC
UFS除了可以用在嵌入式系統外，也可適用於外接式的UFS卡，基本上兩者的架構是相同的。圖6與圖7分別是外接式UFS卡區塊圖和訊號示意圖。
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| 圖6 外接式UFS卡區塊圖 |
資料來源：JEDEC
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| 圖7 外接式UFS訊號示意圖 |
資料來源：JEDEC
UFS卡的初始化流程(圖8)基本上和嵌入式UFS一樣，作為外接式裝置VCC(3.3V)和VCCQ2(1.8V)，兩個電源是在UFS卡完全插入時才連接，C/D pin可用來偵測卡片是否插入。
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| 圖8 UFS卡的初始化流程 |
資料來源：JEDEC
智慧型手機和平板電腦帶動NAND Flash為儲存的趨勢，在未來的五年內，看來在行動儲存記憶體技術規格上，仍以JEDEC制定的UFS行動記憶體發展最具競爭優勢。UFS延續原本採用之eMMC的客戶需求，並以領先規格拓展市場，鎖定高階機種開發之客戶，進而帶動中低階應用之銷售。隨著各大廠的快閃記憶體3D NAND產能開出，手機內存容量增加，智慧型手機的旗艦機種設計正積極導入5G高速行動網路、8K/4K高畫質多屏串流等技術，高速的UFS將會是業界的首選。
(本文作者為群聯電子產品專案管理處長)