從歷史上看，在行動裝置領域中，NAND快閃記憶體(NAND Flash)儲存裝置一直占有獨特的地位與應用場景，這是由行動裝置對微型球柵陣列(BGA)封裝小型尺寸和低功耗的需求所驅動的。
另一個原因，是行動裝置系統的整合度非常高。它需要確保平台與每個NAND快閃記憶體裝置有可相容的交互操作性和認證。因此，對更快和更強大系統的不斷突破行動裝置和主流PC的性能要求的界限。這推動了開始探索其他解決方案的需求，這些解決方案能帶領行動裝置技術下一次的飛躍。
本文在深入研究之前，有必要先了解有關行動裝置NAND快閃記憶體演變的一些細節。
行動NAND快閃記憶體的演進eMMC、UFS和NVMe BGA SSD
從1990年代的厚重手機到帶有漂亮觸控螢幕和十億位元(Gigabit)網際網路連接的筆記型電腦，智慧型手機的發展是其電子子系統廣泛整合的結果。本文將討論行動裝置快閃記憶體的演變，這些元件為迄今為止最強大、功能最豐富的消費智慧型手機和平板電腦鋪平了道路。
各類行動儲存特性
行動裝置的NAND快閃記憶體子系統由多個NAND Flash晶片(IC)和一個控制器晶片組成，封裝在一個尺寸為11.5mm×13mm的BGA晶片內。BGA封裝就是大多數人認為是晶片的深色石墨矩形。實際上，晶片是BGA封裝內的微小元件。
該產業最重要的性能因素是數據傳輸速度和功耗。這些必須仔細平衡，尤其是在高階智慧型手機中，因為它們必須以非常有限的功率提供具有競爭力的速度，以最佳化電池壽命。
消費者對即時訊息需求的增加和手機遊戲的普及推動了這些設備的持續演進。為了幫助視覺化這對行動快閃記憶體產業的影響，圖1展示了最重要的行動儲存技術，突出了它們的特點和多年來的流行情況。
圖1 行動儲存技術近年發展情況
表1指出eMMC、UFS和NVMe BGA SSD各類特色以及應用。
用於行動裝置儲存eMMC
嵌入式多媒體卡(eMMC)是一種設計用於行動裝置的儲存元件。與普通桌上型電腦SSD或HDD相比，它的功耗與尺寸要小得多。雖然現今有點過時，但eMMC在低階手機或其他優先考慮低成本和較低複雜性的設備中仍然存在，例如低價的筆記型電腦、智慧電視、物聯網設備和可穿戴設備。工業和汽車為兩大市場，且還受益於eMMC的成熟以及穩定、長期供應鏈合作夥伴。
UFS在行動裝置NAND快閃的黃金標準
到2000年代中期，eMMC介面和協定開始出現老化跡象。半雙工介面意謂著它不能同時執行讀寫操作，阻礙eMMC的主要罪魁禍首是它使用並行數據匯流排。此時，大多數其他儲存協定已轉向串列通訊匯流排技術。且與定義全新標準相比，實現eMMC的現代化和保持向後相容性需要更多的努力。
這就是為什麼通用快閃記憶體儲存(UFS)2.1在2010年出現並最終在2016年左右在高階智慧型手機上風靡一時。它與eMMC相比性能有了巨大的提升，具有現代物理串列介面，更加強大和高效協定，同時保持相似的功耗。它是第一個採用全雙工串列連接的行動儲存標準，支援同時雙向傳輸資料。此外，UFS在每個方向最多支援兩條通道(連接)，與使用一條通道的系統相比，資料傳輸量多了一倍。例如，它比當時用於大多數桌電和筆記型電腦的主流SATA III SSD快兩倍，並且至今仍然很受歡迎。
隨著UFS的到來，行動裝置最終可以從與市場上大多數消費類PC相當(或更佳)的儲存性能中受益。兩年後，手機遊戲在2018年出現熱潮，再加上Wi-Fi 6與5G標準的突飛猛進，帶動對手機更高性能的又一波需求。記憶體產業對此反應是UFS 3.0頻寬翻倍，功耗僅略有增加。旗艦應用進階到UFS 3.1，而主流行動裝置如智慧型手機、虛擬實境/擴增實境(VR/AR)、平板電腦、Chromebook則使用UFS 2.2。
UFS 3.1在行動裝置中實現了前所未有的儲存性能，並且可以實現與PCIe NVMe SSD類似的頻寬。發展並不止於此，消費者繼續期待將來性能改進。這就是NVMe BGA SSD可能成為首選的原因。
NVMe BGA固態硬碟
BGA SSD使用Non-Volatile Memory Express(NVMe)協定透過PCIe接口提供數據存取。PCIe匯流排是最流行的介面之一，幾乎可以在所有PC和Arm平台上找到。BGA SSD與UFS具有相同的封裝尺寸11.5×13mm，並在其中包含具有2個PCIe通道的完整NVMe SSD。
群聯(Phison)的BGA SSD基於Gen 4×2配置的E21T控制器，並提供達3.5GB/s的性能。這是市場上最快的UFS 3.1性能的1.5倍。PCIe迭代始終至少領先一代。到下一個UFS達4.5GB/s，超過當前PCIe Gen4×2頻寬時，PCIe很可能會再次提高標準Gen 5×2(達7GB/s)。
鑑於行動裝置生態系統中非常緊密的整合，採用不同標準的最大挑戰是相容平台(即：手機CPU)。
有趣的是，一些底層平台正在淘汰eMMC，進而推動了對NVMe BGA的興趣。Phison也開始透過其NVMe SSD的Lite版本探索這一領域，它旨在提供更小的記憶體密度，重點關注低功耗和具有競爭力的成本，非常適合低階行動市場。
為什麼要將PCIe NVMe BGA SSD放在手機上？
PCIe匯流排用途廣泛，如今它是幾乎所有類別的設備(包括行動裝置)中CPU和擴充卡、網路、儲存和周邊設備之間互連的主要形式。
在行動應用中，PCIe通常用於將CPU與無線電模組，如Wi-Fi、藍牙和蜂巢式調變解調器(Cellular Modem)等連接起來。由於PCIe硬體接口已經是CPU開發、測試和認證計畫的一部分，因此將其用途擴展到儲存設備是一個合乎邏輯的選擇。此外，複製、驗證和測試相同的電路(添加多個PCIe鏈路)比投資完全獨特的設計元素(例如UFS所需的電路)更具成本效益。
行動BGA SSD的驅動力是矽製程節點和NAND快閃記憶體控制器架構的最新進展，BGA SSD現在可以從功率/性能(W/GBps)的角度與UFS競爭。更深入地挖掘後，很明顯需要質疑為什麼行動裝置不使用NVMe BGA SSD。
進化的速度
觀察PCIe和UFS共存幾年所支持的發布時間表和資料傳輸量，PCIe規範已實現比UFS至少早2代的可比資料傳輸量，使用BGA NVMe SSD，下一代手機速度可能會提高3.5倍(圖2)。
圖2 PCIe和UFS發布時間表
當新的UFS規範發布時，整個行動產業都爭先恐後地開發、生產和驗證他們的產品，以趕上下一代旗艦行動裝置。第一個供應商開始發布其產品樣品通常只需要不到一年的時間。
考慮對PCIe採取同樣積極的方法將導致在同一時間範圍內立即和極端地提高性能。它甚至可以允許減少通道(1通道)，這有助於改善主板布線並占用更少的PCB面積，這在如此小型和密集的系統中至關重要。如果這種變化發生在2019年，本可以讓具有1或2個通道(3.5或7GB/s)的PCIe Gen5 NVMe BGA SSD直接與UFS3.1(限制為2GB/s)競爭。
但同樣重要的是，BGA SSD縮短了上市時間，因為手機受益於經過測試、大規模生產並在各種平台上採用的組件。例如PCIe Gen3×2通道(1.6GB/s)規範比UFS 2.1(1GB/s)早一年發布，Gen4×2通道(3.5 GB/s)比UFS 3.0(2GB/s)早一年發布。
行動儲存企業生態規模經濟
一個NAND快閃記憶體控制器IC包含許多不同的功能組，通常被稱為IP模組(Intellectual Property Blocks)或只是IP。共享相同介面但針對不同性能設計的兩個快閃控制器可以共享IP，包括主機介面(PCIe、UFS)和NAND快閃I/O的高速模擬電路。 BGA SSD受益於整個PC和企業生態系統。例如用於PC的入門級DRAM-less NVMe M.2 SSD可以簡單地重新封裝為BGA SSD。兩個SSD將共享相同的快閃控制器、大部分韌體，及其他開發和測試資源。這使NVMe BGA SSD可以從規模經濟中受益，進而降低產品線的成本並加快上市時間。
加速互連元件接口 提升系統流程運作
由於行動裝置的緊密整合度，絕對不能有相容性問題。主機CPU和裝置製造商都投入了大量精力，以確保AVL(Approved Vendor List)中列出的所有零件都經過全面測試和認證。這意謂著，一旦產業確定了互連元件的接口，就需要有強有力的理由來證明進行更改是合理的。雖然PCIe不是儲存解決方案子系統官方採用的標準，但已經被用於連接其他子系統，簡化了將儲存遷移到PCIe的過程。
(本文作者為群聯電子產品經理)