閃存技術(shù)正在快速演進。隨著對速度、可擴展性和效率的需求不斷提升，行業(yè)標(biāo)準正從eMMC轉(zhuǎn)向UFS。

如今閃存無處不在，以至于在它成為性能瓶頸之前，人們很容易忽略它的存在。小到基于微控制器的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的固件，大到數(shù)據(jù)中心里為 AI 加速器提供數(shù)據(jù)支撐，所有內(nèi)容都由它存儲。幾十年來，NAND 閃存不斷提升存儲密度、降低成本，催生出從消費級設(shè)備延伸而來的全品類產(chǎn)品，包括固態(tài)硬盤、U 盤、存儲卡、智能手機和云存儲等。

這項技術(shù)的歷史可追溯至 1987 年，當(dāng)時東芝（現(xiàn)已將存儲業(yè)務(wù)獨立為鎧俠）推出 NAND 閃存，作為高容量替代 NOR 閃存的方案。此后，NAND 閃存逐步發(fā)展成包含存儲單元架構(gòu)、控制器和主機接口的完整技術(shù)棧，每一代新產(chǎn)品都朝著更高容量、更高吞吐量的方向升級。

但閃存本身只是問題的一部分。在設(shè)計需要在現(xiàn)場穩(wěn)定運行十年甚至更久的嵌入式系統(tǒng)時，理解非托管 NAND 與托管 NAND 的區(qū)別至關(guān)重要。

在接口層面，長期占據(jù)主導(dǎo)地位的 ** 嵌入式多媒體卡（eMMC）標(biāo)準正逐漸被通用閃存存儲（UFS）** 取代。UFS 采用串行架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高帶寬與更低延遲。

本文將介紹閃存的基本原理，以及推動嵌入式系統(tǒng)向 UFS 轉(zhuǎn)型的技術(shù)驅(qū)動力。

SLC、MLC、TLC 閃存之間有何區(qū)別？

在存儲單元層面，NAND 閃存以離散的電荷電平存儲信息。每個單元存儲的比特位數(shù)，決定了需要區(qū)分的電壓電平數(shù)量：

• SLC（單層單元）：每單元 1 比特（2 個電平）

• MLC（多層單元）：每單元 2 比特（4 個電平）

• TLC（三層單元）：每單元 3 比特（8 個電平）

• QLC（四層單元）：每單元 4 比特，目前已進入樣片階段

非托管 SLC是速度最快、穩(wěn)定性最強的閃存存儲形式，但通常只提供低容量版本。MLC 和 TLC 通過在單個單元中編碼更多比特來提升存儲容量，但其代價是需要更復(fù)雜的信號檢測、糾錯和管理機制，這會給系統(tǒng)中的主處理器帶來額外開銷。

如今，大多數(shù)大批量應(yīng)用都采用3D TLC 閃存，因為它在密度、成本和耐用性上為現(xiàn)代應(yīng)用提供了最佳平衡。

非托管與托管 NAND：區(qū)別在于閃存控制器

閃存主要分為兩種形式：行業(yè)內(nèi)稱為非托管（裸片）和托管。

對于裸 NAND 芯片，存儲供應(yīng)商可在單個封裝內(nèi)放入 1～16 顆裸 NAND 晶粒。系統(tǒng)中的主處理器或外置閃存控制器必須完成以下工作：

• 糾錯編碼（ECC）

• 損耗均衡

• 壞塊管理

• 邏輯到物理地址映射

• 垃圾回收

這種方案給原始設(shè)備制造商帶來了最大的靈活性，但也讓它們承擔(dān)了最大的責(zé)任。構(gòu)建穩(wěn)健的閃存轉(zhuǎn)換層（FTL）并非易事，尤其是在閃存工藝和耐用性約束持續(xù)變化的情況下。

與之相反，托管 NAND在同一封裝內(nèi)集成了一顆或多顆閃存晶粒與專用控制器。內(nèi)部控制器屏蔽了底層復(fù)雜性，向主機提供簡潔的塊設(shè)備接口。NAND 閃存從管理機制中獲益巨大，因此電子行業(yè)正全面向托管閃存轉(zhuǎn)型。

托管閃存采用兩種廣泛應(yīng)用的接口標(biāo)準：eMMC和UFS。這些標(biāo)準讓設(shè)計人員完全不必處理底層閃存管理，可將精力集中在系統(tǒng)級功能上。

2000 年代初期，移動設(shè)備陷入互不兼容的 NAND 接口、廠商專屬指令和定制控制器的混亂局面。每款新手機都需要新驅(qū)動、新啟動代碼，通常還需要新硬件。

電子行業(yè)迫切需要統(tǒng)一的指令集、可預(yù)測的托管行為、跨廠商的直接替換能力，以及簡化的塊設(shè)備存儲視圖。多媒體卡協(xié)會與 JEDEC 為此制定了eMMC 標(biāo)準。

eMMC 首個版本于 2006 年推出，行業(yè)迅速圍繞其整合。到 2010 年，它已成為智能手機、平板和其他消費電子設(shè)備中嵌入式閃存的主流存儲接口。

eMMC 滿足了市場的迫切需求：簡單、標(biāo)準化、行為可預(yù)測。

什么是 UFS？為何該標(biāo)準在高性能系統(tǒng)中取代 eMMC

但隨著智能手機開始拍攝更多視頻、運行更復(fù)雜的操作系統(tǒng)、處理更大的應(yīng)用（且同時運行更多應(yīng)用），eMMC 逐漸出現(xiàn)性能瓶頸。它采用并行、半雙工接口，同一時間只能執(zhí)行讀或?qū)懖僮鳎瑹o法同時進行。即便在最快速度下，eMMC 的峰值吞吐量也僅約400 MB/s，在數(shù)據(jù)密集、多任務(wù)環(huán)境中形成瓶頸。

為解決這一問題，JEDEC 于 2011 年推出UFS，作為 eMMC 的繼任者。UFS 不使用并行總線，而是采用高速串行接口，實現(xiàn)支持全雙工通信（同時讀寫）的點對點連接，同時具備更低延遲和更高效的指令處理能力。

最新一代 eMMC 與 UFS 之間的性能差距十分顯著：

• eMMC：峰值吞吐量 400 MB/s

• UFS：最高可達 4640 MB/s

性能提升超過10 倍，再加上更低延遲和其他優(yōu)勢，UFS 每比特傳輸?shù)哪苄б泊蠓嵘＿@些特性讓 UFS 不僅速度更快，也更適合當(dāng)今移動和嵌入式系統(tǒng)中持續(xù)的高數(shù)據(jù)負載，包括高分辨率成像、增強現(xiàn)實（AR）、AI 加速、5G 應(yīng)用以及多 GB 級數(shù)據(jù)傳輸。

盡管性能差距巨大，許多人曾預(yù)計 eMMC 會徹底消失并被 UFS 完全取代，但事實并非如此。嵌入式設(shè)計人員仍會在打印機、機頂盒、家庭物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、流媒體設(shè)備、低端移動設(shè)備，以及使用不支持 UFS 接口的老舊處理器的系統(tǒng)中選擇 eMMC。在這些市場中，性能并非首要考量，成本和簡潔性更重要。

不過，eMMC 所使用的 NAND 類型正在發(fā)生變化。4GB、8GB、16GB 低容量 eMMC 產(chǎn)品主要采用 MLC NAND。但隨著存儲行業(yè)全面轉(zhuǎn)向 3D TLC，MLC 的產(chǎn)能正在快速消失。用于 MLC 的先進光刻設(shè)備已不再生產(chǎn)。隨著基于低容量 MLC 的 eMMC 逐漸稀缺，基于 TLC 的 eMMC將成為替代品。

實際最低容量必須提升。未來，64GB 和 128GB 的 TLC eMMC 將成為主流，部分廠商已提供 256GB 版本，尤其面向汽車市場。這形成了一個有趣的交匯點：eMMC 的高端容量現(xiàn)已與 UFS 的低端容量重疊。

eMMC 與 UFS 之間的選擇：真正的決策依據(jù)

存儲廠商與客戶交流時，在這兩種技術(shù)之間做選擇時，經(jīng)常出現(xiàn)以下幾個一致的考量點：

• 處理器接口兼容性：許多傳統(tǒng)處理器只支持 eMMC，大量現(xiàn)代 SoC 只支持 UFS，部分中端產(chǎn)品兩者都支持。隨著時間推移，處理器廠商在新設(shè)計中逐步淘汰      eMMC 接口，導(dǎo)致升級處理器的企業(yè)只能默認使用 UFS。

• 應(yīng)用類別：總體而言，UFS 在智能手機、平板、AR/VR、汽車 ADAS、無人機、機器人、安防攝像頭、工廠自動化和新興 AI 邊緣平臺中占據(jù)主導(dǎo)；而 eMMC 仍存在于打印機、機頂盒、低成本物聯(lián)網(wǎng)、媒體播放器和老舊嵌入式設(shè)計中。

• 容量趨勢：隨著應(yīng)用需要更大存儲空間，且低容量 MLC 消失，如今選擇 64GB 或 128GB 產(chǎn)品的設(shè)計人員會發(fā)現(xiàn)自己已站在轉(zhuǎn)向 UFS 的門檻上。

• 性能：所有客戶都承認 UFS 在吞吐量、延遲和可擴展性上更優(yōu)，抵觸通常只源于：“我的 SoC 不支持 UFS。”

為何 UFS 正成為下一代嵌入式閃存的默認選擇

目前，eMMC 和 UFS 仍擁有穩(wěn)定的市場。eMMC 仍很好地服務(wù)于成本敏感、長生命周期和傳統(tǒng)應(yīng)用，廠商將在未來多年繼續(xù)支持主流容量（64GB、128GB）。

但行業(yè)發(fā)展軌跡已十分明確：

• 低容量 eMMC 正在消失

• MLC 生產(chǎn)近乎停止

• 處理器廠商逐步淘汰 eMMC 支持

• UFS 的容量、性能和生態(tài)勢頭持續(xù)增長

曾經(jīng)完全依賴 eMMC 的智能手機、平板和 PC 市場，未來路線圖已明確指向僅支持 UFS的設(shè)計。

對于新的系統(tǒng)設(shè)計，工程師應(yīng)考慮這一趨勢。雖然 eMMC 不會一夜之間消失，但UFS 正日益成為主流、面向未來的嵌入式存儲選擇。