蛋蛋读UFS之一：UFS简介

我们知道，我们电脑由三大件组成：CPU，内存和硬盘。CPU用以计算和控制，内存用以临时存储程序运行时所需的数据（掉电数据丢失），而硬盘用以长久保存数据（掉电数据不丢失）。

我们每天使用的手机，其本质是一个移动的小型计算机，同样由三大件组成：CPU，内存和存储设备。其中的存储设备相当于电脑的硬盘，用以长久保存手机上的数据，比如视频、照片、音乐、系统等数据。

电脑的硬盘有机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD），前者是机械存储设备，存储介质是磁盘；而后者是电子存储设备，存储介质是闪存。我们不可能在小小的手机中塞入一个机械设备，所以手机上的存储设备只能是电子存储设备，存储介质也都是闪存。

现在是人手一个手机的时代，手机成了人们身体的一部分，一天不带手机，就感觉缺少了什么，吃嘛嘛不香。

因此，人们对手机的要求也越来越高: 速度要快，容量要大，流畅不卡顿…
为了让手机更快，手机厂商使用更快、更多核的CPU，加大系统内存（4GB不够用6GB，6GB不够用8GB），使用更快的存储设备。无论是电脑还是手机，三驾马车（CPU，内存和存储设备）中，跑得最慢的就是存储设备了。CPU和内存的快步向前，促使最慢的存储设备也需要努力跟上，不然再快的CPU和再大容量的内存，你的手机用起来还是让你觉得不爽。

近年来，由于闪存技术的应用和发展，无论是电脑上的硬盘，还是手机中的存储设备，都在变得越来越快。

电脑上，从HDD 到SSD，从SATA SSD到PCIe SSD，硬盘是越来越快；

手机上，从SD卡，到eMMC卡，再到UFS卡，存储卡的速度也是越来越快。现在一般手机配的是eMMC，旗舰高端手机配的是UFS。

我们这个系列的主角UFS已登场。为什么UFS是主角？为什么我要带大家去了解UFS? 因为，UFS将是未来一段时间内手机存储的主流，我们有必要去了解UFS以及其相关的技术。

那么，什么是UFS？Universal Flash Storage，通用闪存存储。它有两个意思，一是指手机存储接口协议，类似SATA，PCIe/NVMe；二是使用该协议的存储设备。后面文章出现UFS，读者请根据上下文理解。

为什么说UFS是手机存储的未来？无他，快也！

大家感受一下：

UFS最新标准是UFS3.0，于2018年1月30日发布。它最大带宽可以达到2163MB/s！4倍SATA3.0的速度 （600MB/s），超过PCIe3.0x2的速度（2GB/s单向速度）。

不过，目前市面上的UFS产品还是UFS2.0/2.1，其最大带宽1081MB/s，也是秒杀一般的SSD。

UFS协议是JEDEC（www.jedec.org）组织制定的，三星、海力士、东芝等公司力捧。下面是UFS协议的发展历程：

我们可以看到，UFS协议一直在大踏步的朝着更高更快的目标前进。

UFS为什么能那么快？

首先，它在数据信号传输上，使用的是差分串行传输。这是UFS快的基础。所有的高速传输总线，如SATA，PCIe，SAS，都是串行差分信号。串行，可以使用更快的时钟（时钟信息可以嵌在数据流中）；差分信号，即用两根信号线上的电平差表示0或者1。与单端信号传输相比，差分信号抗干扰能力强，能提供更宽的带宽（跑得更快）。打个比方，假设用两个信号线上电平差表示0和1，具体来讲，差值大于0，表示1，差值小于0，表示0。如果传输过程中存在干扰，两个线上加了近乎同样大小的干扰电平，两者相减，差值几乎不变，你大爷还是你大爷。但对单端信号传输来说，就很容易受干扰，比如0-1V表示0,1-3V表示1，一个本来是0.8V的电压，加入干扰，变成1.5V，相当于0变成1，数据就出错了，你大妈已经不是你大妈了。抗干扰能力强，因而可以用更快的速度进行数据传输，从而能提供更宽的带宽了。

UFS的前辈是eMMC，使用的是并行数据传输。并行最大的问题是速度上不去，因为一旦时钟上去，干扰就变大，信号完整性无法保证。

其次，UFS和PCIe一样，支持多通道数据传输，目前最多支持两个通道。多通道可以让UFS在成本、功耗和性能之间做取舍。

还有，它是全双工工作模式，就是读写可以并行。它的前辈eMMC是半双工，读写不能同时进行。

要让UFS速度快，这些基础设施是必须的。但要充分利用底层高速数据传输通道，还需要上层数据传输协议配合。就好比我们现在有一条又宽敞又平坦的高速公路，我们需要一辆高速的汽车行驶在上面。你如果让一辆拖拉机在上面跑，高速公路算是白修了。

UFS协议上层，怎样来充分发挥底层速度快的优势呢？

UFS支持命令队列，就是主机一下可以发很多个命令下去，然后UFS设备支持并行和乱序执行，谁先完成谁先返回状态。这种命令处理方式叫做异步命令处理。而它的前辈eMMC，是不支持命令队列的，命令一个一个执行，或者一包一包（每个包里面含有若干个命令）执行，前面命令没有执行完成，后面的命令是不能发下去的。这种命令处理方式叫做同步命令处理。

我们来比较一下“全双工+异步命令处理”和“半双工+同步命令处理”两者命令处理方式和命令执行效率。

• 半双工+同步

主机发了一个写命令W1给设备，然后主机把数据写到设备；由于是同步传输模式，命令处理是一个一个处理的，所以在发读命令R2之前，必须等前一个写命令W1完成；同样，在发送写命令W3之前，必须等R2命令完成。

全双工+异步

由于支持命令队列，主机一下可以发若干个命令给设备，如上图，主机一下发了一个写命令W1和读命令R2给设备。设备可以并行处理这两个命令，由于协议支持全双工操作，主机传输写命令W1的数据给设备的同时，设备也可以把读命令R2的数据返回给主机。后面命令R3，R4，W5…的处理方式类似。

再形象一点，我们以搬运货物的例子来比较一下eMMC和UFS命令执行方式：

现在的手机，应用非常丰富，你要一边斗地主，一边听歌，还要聊微信，多线程操作。由于全双工和命令队列的存在，UFS处理命令的效率大大提高，给用户极好的体验。

前面我们拿UFS和eMMC做了几个对比，但我好像忘了说什么是eMMC。有人可能懵逼，什么是eMMC？

eMMC，Embedded Multi Media Card，和UFS一样，也是JEDEC制定的移动存储协议，它是UFS前一代协议标准。

eMMC最新标准是2015年发布的eMMC5.1，最高速度是400MB/s。JEDEC已经有了UFS，不确定会不会再发布新的eMMC标准。毕竟，并行传输的eMMC由于受限于物理信号，速度想要有个质的飞跃是不太现实。

行文至此，让我不由的想起去年那事件。

同一款手机，有人UFS和eMMC混着卖，手机还卖一个价钱，真是无德！UFS和eMMC，速度差异那么大（见下图，来自网络），价格能一样吗？你系统再优化，能把eMMC顺序读写速度优化到401MB/s？别扯什么用户体验，用户都被耍猴了，体验还能好？水能载舟，亦能覆舟，不要太得意忘形。

如果说eMMC是手机中的HDD，那么UFS就是手机中的SSD。UFS取代eMMC成为主流手机存储协议，这是毫无疑问的。不过，UFS一统天下的道路上还有一个拦路虎，那就是NVMe。有人说，NVMe不是SSD的协议标准吗？没错，不过，我要提醒大家的是，苹果现在手机中存储协议是NVMe而不是UFS。在短期，UFS和NVMe会分别在安卓和苹果手机中存在。长期来说，UFS和NVMe是二分天下，还是合二为一，我们只能拭目以待了。

在本章结束前，给大家看看UFS（BGA形式）的实物图：

大小如大拇指手指盖大小。麻雀虽小，五脏俱全。UFS存储芯片内部封装了UFS控制器和闪存阵列，和SSD结构很相似。不过和SSD相比，由于它的容量更小，因此闪存die比较少，闪存的通道数也少。另外，出于功耗和成本考虑，UFS芯片一般是不带DRAM的架构。

UFS芯片内部设计与实现不是我们本系列的重点，本系列后续文章将专注于UFS协议。

（五位业界精英历时2年创作，一本完全原创，不靠贴代码、翻译手册凑张数的专业书籍，请长按下面二维码购买电子书+作者签名纸质版）

看闪存、AI、区块链、物联网好文，点击文末“阅读原文”或登陆：

 www.ssdfans.com

ssdfans微信群介绍

闪存技术群

覆盖5000多位全球华人圈闪存技术精英

存储群

全闪存、软件定义存储SDS、超融合

AI群

讨论人工智能和GPU、FPGA、CPU异构计算

区块链群

区块链技术与产业讨论

物联网群

物联网、5G技术与产业讨论

市场群

闪存等存储产品报价、行情、渠道分享

ASIC-FPGA群

芯片和FPGA硬件技术讨论群

存储介质群

DRAM、NAND、3D XPoint等各类存储介质讨论

固件测试群

固件和测试技术讨论

销售群

全国DRAM、NAND、SSD等供应商、采购商交流

招聘群

存储行业换工作，发招聘，要关注各大公司招聘信息，赶快来

高管群

各大闪存相关存储公司高管和创始人、投资人

各地分群

江浙沪、北京、广东、四川、陕西、湖北、台湾、山东、美国

想加入这些群，长按或扫描下面二维码加nanoarchplus为微信好友，介绍你的姓名-单位-职务，注明群名，拉你进群。