2018年07月26日 | 群联:UFS就像是手机里的SSD

群联电子产品项目管理 / 陈禹任 处长

台湾半导体产业协会(TSIA)于今年7月份假台湾工研院召开「2018年Mobile & IOT Forum」年度论坛，有鉴于物联网带动海量数据的存储需求持续增加，因此相关半导体技术、以及存储装置等演进发展成了产业发展关键引擎，TSIA特别邀请到全球闪存控制芯片技术关键之领导厂商群联电子针对「UFS记忆卡与UFS控制芯片的趋势」发表演说，提供业界前瞻性地产业观察。

群联电子成立迄今18年，历经多次的产业景气循环里屡屡完成典范移转、成功扩大市场版图，不论在闪存芯片技术，或是在传输接口、乃至于在闪存应用产品的相关标准制定上，群联电子多年来不吝为闪存、存储产业付出心力，进而扮演关键技术演进的推手。目前群联电子担任SDA、ONFI、UFSA的董事会成员，并积极贡献JEDEC、PCI-SIG、MIPI、NVMe、IEEE-SA等产业协会，以下是「2018 Mobile & IOT Forum」主讲者—群联电子产品项目处长陈禹任先生现场演说内容摘要:

 UFS就像是手机里的SSD

今天从 NAND Flash 控制芯片厂商的角度, 跟大家来分享一下 UFS 这个手机里最被看好的存储装置规格。

相信各位可能都有听过 UFS，但毕竟跟 PC 比起来，手机里的零组件是比较不透明的，不见得很清楚 UFS 到底是甚么样的东西基本上。基本上，我将之视为手机里的SSD。各位的智能型手机都有 embedded NAND Flash 存 OS 跟数据，这年头低阶一点的手机可能也有内建 16GB，高阶的则会用到64GB或128GB 以上的 NAND Flash，而我们可以说，除了Apple是自己的规格外，只要是 Android 的手机, 基本上这种 embeddedNAND Flash 的 component 与接口不是 eMMC, 就是 UFS，也就是说, 内存是以这两种接口, 跟手机里的处理器所沟通。现在 Android 的手机里面几乎 90% 都是 eMMC 接口。然而, 从 eMMC 4.5 的 200MB/s 到 2013 年 5.0 的 400MB/s 后接口的速度就没有提升了。2015 年的 eMMC 5.1 仅仅支持 Command Queue 来提升随机存取的速度同时，JEDEC 协会的相关厂商早就着手研议新世代内存接口标准，UFS 1.0 标准其实 2011年就 ready UFS 2.0 规格于 2013 完成，UFS 2.1 于 2016年推出，最新的 UFS 3.0 则是在今年初，规格定案 release，手机里内存最重要的就是 speed 及power。

单来说，手机是跑电池的, 因此跟 PC 比起来，除了速度要快、手机用的内存。低功耗是相当重要的课题UFS 与 eMMC 的 8-bit parallelI/F 不同，UFS 数据传输是 Serial 的模式，CMD set 是 SCSI。因此，UFS 可以兼具 SSD 的速度和 eMMC 的低功耗UFS 从 2.0 版本开始采用 2-lane 的传输模式，传输速率可达 1200MB/s，已经是 eMMC 5.1 版本 400MB/s 的三倍以上。而3.0 版本利用 MIPI m-PHY Gear4，在 2 Lane 的模式下速率可以达到 2400MB/s，是eMMC 5.1 的六倍而 UFS 除了当作 embedded memory外，也同时定义了卡片的标准，这是在 eMMC 规格中被舍弃掉的部分，UFS 卡的规格目前是1.1 版，利用 UFS 2.1 1-lane 达到 600MB/s，也是高于内建的 eMMC 5.1。Phison 除了在 JEDEC 参与 spec 的制定外，我们也是 UFSA 其中一个董事会员，在 UFS 接口与卡片的compliance 规范方面有积极参与。

UFS开发成本垫高成为NANDFlash控制芯片厂的新挑战

接下来, 我们来谈对NANDFlash 控制芯片厂商来讲，从 eMMC 到 UFS 的转换又代表甚么样的挑战呢? 应该是说，门坎只会越来越高，毕竟要设计一颗能符合旗舰手机规格的IC，投入的资源是不同而语的UFS 提升到 3.0 后, 2400MB/s 与高 IOPS, low latency 的要求，意味者控制芯片要以 SSD 架构去设计，必须有个强大的 32-bit 处理器，很多SRAM可能不像eMMC样单纯的是成本考虑 1-CH(通道)，而是 2-CH 或 4-CH另外为了 low latency，很多处理用 FW 做太慢了可能需要从硬件上解决，这些对controller IC 来讲，复杂度与 cost 提升相当多。第二，为了电池寿命，功耗或过热的问题，IC 上必须有多种处理手法让不需要工作的模块省电，并要有多种温度的管理，比方说侦测到系统温度过热，便得降速等机制再来，NAND Flash 是变化最快速的半导体，而现在各 NAND Flash 大厂已进入到 3D 64/96 层以上的 TLC、QLC 制程，在内存容量倍增下，对错误的容忍度更低。ControllerECC 的能力决定了 NAND Flash 的耐用度，关系到成品的竞争力，而在支持新的 3D NAND 上，UFS 所需要的 ECC 硬件能力如 LDPC + RAID, 已经与 PCIe SSD 相当了。另外，FW对 NAND Flash 管理的 know-how 一直都很重要, 得到 NAND Flash 原厂的良好合作关系，与技术支持，更是产品是否能成功的关键在质量方面, Controller 身为手机里 memory 的一个主要组件, dppm 等质量的指针更是国际大厂的最高要求，例如, 如何确保控制芯片里的 SRAM 不会因因为宇宙射线而发生的soft-error 导致 FW crash 或 data 错误。即使在这种机率相当低的情况下, 还是得设计相关的硬件机制来确保数据的完整性在测试与验证方面, 手机规格与 PC 比起来相对下是没有那么开放的

因此与手机芯片制造商硬件的兼容性, 跟手机系统商 OS/driver 的测试, 都显得相当重要。

因为 UFS 也算是一种 NANDmemory大部分是透过 NAND 原厂出货的跟这些大厂多方面的合作与验证, 缺一不可。但或许UFS 最大的挑战来自市场这两年来全球手机出货量也慢慢趋缓虽然内存的容量 bit growth 继续跳跃性成长然而对控制芯片来讲, 数量并不会, 一支手机, 最多就是一组 memory, 一颗 controller, 最多再加上一张卡扩充, 里面再一颗controller, 很难再多了，不像镜头，现在没想到还可以有三镜头…。

因此在更高的规格门坎上，得面临更多的挑战、更多的研发投资，但这些投资是否等于更多的回馈? 对控制芯片厂商来说，其实这也是个问号，因为没人可以确定，UFS能取代掉多少eMMC? 而相关的控制芯片是否能像手机处理器如此一直继续投资往更先进的制程迈进? 因此投资该项技术这也是厂商需要谨慎评估的。

群联嵌入式内存产品一应俱全，备好UFS3.0芯片技术

 Phison(群联电子)目前已具备UFS 2.1 芯片(PS8313)，亦开发下一代 UFS 3.0芯片。在市场规划上，亦延续过去eMCP/eMMC，主要是应用于手机上，由于现在在嵌入式行动装置上的产品多了UFS，因此将可协助手机、平板或是其他移动装置、无人车之类的客户进行多样、差异化的规格设计，并可交叉搭配不同世代包括像3D TLC之类的 NAND，推出多元化的 eMMC 或是UFS芯片以达成一个完整的存储系列。

关于群联电子

群联电子 (Phison Electronics Corp.) (TPEX:8299) 为全球闪存（NAND Flash）主控芯片及储存解决方案领导厂商。身为闪存专家，从IP技术授权、芯片设计、系统架构解决方案、系统整合、成品，提供不同需求的客户最佳的产品及服务。在各项产品类别上，包括SSD (PCIe/SATA/PATA)、eMMC／UFS、SD、或是USB接口皆可提供完整的储存解决方案，客户应用亦遍及各类消费性电子、企业级、以及工业车用。在标准制定上，群联电子担任SDA、ONFI、UFSA的董事会成员，并积极贡献JEDEC、PCI-SIG、MIPI、NVMe、IEEE-SA等规范。