如今閃存已經無處不在，以至于在它成為性能瓶頸之前，人們很容易忽略它的存在。小到物聯網微控制器里的固件，大到數據中心里為 AI 加速器提供的數據，全都靠它存儲。幾十年來，NAND 閃存不斷提升密度、降低成本，催生出從消費級設備到云端存儲的一整條產品生態，包括 SSD、U 盤、存儲卡、智能手機與云存儲等。

這項技術最早可追溯到 1987 年，當時東芝（如今其存儲業務獨立為鎧俠 KIOXIA）推出 NAND 閃存，作為高密度替代 NOR 閃存的方案。從那以后，NAND 閃存逐步發展成一套完整的技術棧，涵蓋存儲單元架構、控制器與主機接口，每一代都朝著更高容量、更高吞吐量的方向演進。

但存儲芯片本身只是問題的一部分。在設計需要在現場穩定運行十年甚至更久的嵌入式系統時，理解非管理型 NAND 與管理型 NAND 的區別至關重要。

在接口層面，長期占據主導地位的嵌入式多媒體卡（eMMC）標準，正越來越多地被通用閃存存儲（UFS）取代。UFS 采用串行架構，支持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向 UFS 遷移的技術驅動力。

SLC、MLC、TLC 閃存的區別是什么？

在存儲單元層面，NAND 閃存以離散的電荷電平來存儲信息。每個單元存儲的比特數，決定了需要區分的電壓等級數量：

• SLC（Single-Level Cell）：1 bit/cell（2 個電平）

• MLC（Multi-Level Cell）：2 bits/cell（4 個電平）

• TLC（Triple-Level Cell）：3 bits/cell（8 個電平）

• QLC（Quad-Level Cell）：4 bits/cell，目前已開始送樣

非管理型 SLC 是速度最快、最穩定的閃存形式，但通常只能做到較低密度。

MLC 和 TLC 通過在單個單元里存入更多比特來提升容量，但代價是需要更復雜的信號檢測、糾錯與管理邏輯，這會給系統中的主處理器帶來額外開銷。

如今，大多數大批量應用都采用 3D TLC 閃存，因為它在密度、成本與壽命之間為現代應用提供了最佳平衡。

非管理型 vs 管理型 NAND：區別在于閃存控制器

閃存分為兩種形態：行業內所說的非管理型（原始 NAND）與管理型 NAND。

對于原始 NAND，存儲廠商可以在一個封裝內放入 1～16 顆裸片。系統中的主處理器或外置閃存控制器必須負責：

• 錯誤校正編碼（ECC）

• 損耗均衡（wear leveling）

• 壞塊管理

• 邏輯 — 物理地址映射

• 垃圾回收

這給 OEM 帶來了最大的靈活性，但也帶來了最大的開發責任。構建穩健的閃存轉換層（FTL）絕非易事，尤其是在閃存工藝與壽命限制持續變化的情況下。

與之相對，管理型 NAND 在同一個封裝內集成了一顆或多顆閃存裸片 + 專用控制器（圖 1）。內部控制器屏蔽了底層復雜性，向主機提供一個簡單的塊設備接口。NAND 閃存非常依賴管理，因此整個電子行業正在大范圍轉向管理型閃存。

1. 橫截面視圖顯示一個管理型NAND設備，帶有控制器和NAND芯片線接地。

目前主流的管理型閃存接口有兩個標準：eMMC 和 UFS。這兩個標準讓設計者完全不必處理底層閃存管理，而可以專注于系統級功能。

什么是 eMMC？它如何解決嵌入式存儲碎片化問題

2000 年代初，移動設備陷入了互不兼容的 NAND 接口、廠商自定義指令與定制控制器的混亂局面。每款新手機都需要新驅動、新啟動代碼，甚至常常需要新硬件。

行業迫切需要統一的指令集、可預期的管理行為、跨廠商的直接替換能力，以及簡化的塊設備存儲視圖。

MMC 協會與 JEDEC 聯合推出了 eMMC 標準。

eMMC 首個版本于 2006 年面世，行業迅速圍繞它整合。到 2010 年，它已成為智能手機、平板與其他消費電子中嵌入式閃存的主導存儲接口。

eMMC 滿足了市場最迫切的需求：簡單、標準化、行為可預測。

什么是 UFS？為何它在高性能系統中取代 eMMC

但隨著智能手機開始拍攝更高清視頻、運行更復雜的操作系統、處理更大更多的并發應用，eMMC 逐漸出現性能瓶頸。

它采用并行、半雙工接口，同一時間只能讀或只能寫，不能同時進行。

即便在最快模式下，eMMC 的峰值吞吐量也僅約 400 MB/s，在數據密集、多任務環境中成為明顯瓶頸。

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（圖 2），實現點到點連接，支持全雙工通信—— 讀寫同時進行 —— 并帶來更低延遲與更高效的指令處理。

2. 本圖表比較了eMMC和UFS閃存存儲能力。

最新一代 eMMC 與 UFS 的性能差距非常顯著：

• eMMC：峰值吞吐量 400 MB/s

• UFS：最高可達 4,640 MB/s（提升 10 倍以上）

除了更低延遲，UFS 每比特傳輸的能效也大幅提升。

這些特性讓 UFS 不僅更快，而且更適合當前移動與嵌入式系統中持續的高負載數據任務，包括：

• 高分辨率成像

• AR 增強現實

• AI 加速

• 5G 應用

• 多 GB 級數據傳輸

eMMC 為何依然重要：嵌入式系統的成本與生命周期

盡管性能差距巨大，很多人原本以為 eMMC 會迅速消失，被 UFS 完全取代，但事實并非如此。

嵌入式設計者仍然會在以下場景選擇 eMMC：

• 打印機

• 機頂盒

• 家庭 IoT 網關

• 流媒體設備

• 低端移動設備

• 使用老款處理器、不支持 UFS 接口的系統

在這些市場中，性能不是首要目標，成本與簡潔性更重要。

不過，eMMC 所使用的 NAND 類型正在發生變化：

• 過去 4/8/16 GB 低密度 eMMC 主要使用 MLC NAND。

• 但隨著行業全面轉向 3D TLC，MLC 產能正在快速消失，用于 MLC 的先進光刻設備也已不再生產。

• 隨著基于 MLC 的低密度 eMMC 逐漸稀缺，基于 TLC 的 eMMC 成為替代品。

實際可用的最低容量必須提升。未來，64 GB、128 GB 的 TLC eMMC 將成為主流，部分廠商已提供 256 GB 版本（尤其面向汽車領域）。

這形成了一個有趣的交匯點：eMMC 的高端容量區間，已經與 UFS 的低端區間重疊。

eMMC 與 UFS 之間如何選擇？真正的決策依據

當存儲廠商與客戶交流時，選擇這兩種技術的決策因素通常集中在幾點：

• 處理器接口兼容性

許多老款處理器只支持 eMMC，許多現代 SoC 只支持 UFS，部分中端芯片兩者都支持。

隨著時間推移，處理器廠商在新設計中逐步淘汰 eMMC 接口，升級處理器的系統將默認轉向 UFS。

• 應用類別

UFS 主導：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、AI 邊緣平臺。

eMMC 仍在使用：打印機、機頂盒、低成本 IoT、媒體播放器、老款嵌入式設計。

• 容量趨勢

隨著應用需要更大存儲、低密度 MLC 消失，如今選擇 64/128 GB 的設計者已經站在了 UFS 的門口。

• 性能

所有客戶都承認 UFS 在吞吐量、延遲、擴展性上更優秀。

不選用的理由通常只有一個：“我的 SoC 不支持 UFS。”

為什么 UFS 正成為下一代嵌入式閃存的默認選擇

目前，eMMC 與 UFS 仍擁有各自健康的市場。

eMMC 仍然很好地服務于成本敏感、長生命周期、 legacy 類應用，廠商未來多年仍會支持主流容量（64/128 GB）。

但行業軌跡已非常明確：

• 低密度 eMMC 正在消失

• MLC 產能基本退出

• 處理器廠商逐步淘汰 eMMC 支持

• UFS 的容量、性能、生態勢頭持續增長

曾經完全依賴 eMMC 的智能手機、平板、PC 市場，未來路線圖已經明確指向僅支持 UFS 的設計。

對于新系統設計，工程師應當考慮這一趨勢。

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。