Nadchodzi UFS 3.0, czyli pami臋ci w smartfonach szybkie jak SSD

Standard UFS 3.0 umo偶liwi 2-krotne przy艣pieszenie dzia艂ania pami臋ci urz膮dze艅 mobilnych. To pozwoli osi膮gn膮膰 pr臋dko艣ci dost臋pne dotychczas wy艂膮cznie dla najszybszych dysk贸w SSD, montowanych w pecetach, laptopach i tabletach. Piszemy, jak i kiedy do tego dojdzie.

Universal Flash Storage 3.0 sprawi, 偶e nawet zadania wymagaj膮ce nadzwyczajnej wydajno艣ci no艣nik贸w w smartfonach b臋d膮 wykonywane z zawrotn膮 pr臋dko艣ci膮. Nie od dzi艣 wiadomo, 偶e osi膮gi pami臋ci masowej maj膮 zasadnicze znaczenie dla efektywno艣ci wielu urz膮dze艅. Wiedz膮 o tym doskonale u偶ytkownicy sprz臋t贸w z system operacyjnym Windows. W ostatnich latach przesiadka ze zbyt wolnych ju偶 dysk贸w magnetycznych HDD na SSD spowodowa艂a wi臋kszy post臋p w wydajno艣ci ni偶 kilka generacji procesor贸w czy pami臋ci RAM. Podobnego efektu nie do艣wiadczyli艣my w przypadku smartfon贸w. Cz臋sto jedynie specjali艣ci maj膮 艣wiadomo艣膰, 偶e pami臋ci flash stosowane w smartfonach znacznie odbiegaj膮 pr臋dko艣ci膮 dzia艂ania od nowoczesnych dysk贸w w komputerach. W testach w laboratorium CHIP-a najszybsze dyski SSD, zoptymalizowane pod k膮tem wykorzystania protoko艂u NVMe, osi膮gaj膮 dzi艣 2,7 GB/s. Tymczasem w przypadku smartfonowych pami臋ci embedded Multimedia Card (eMMC) warto艣ci te oscyluj膮 raczej w okolicy 200-400 MB/s.

Je艣li przyjrze膰 si臋 rynkowi smartfon贸w na pocz膮tku 2018 roku, mo偶na wytypowa膰 trzy trendy rozwoju wbudowanych pami臋ci flash.

eMMC

Embedded Multimedia Card to wci膮偶 bardzo popularny standard pami臋ci zw艂aszcza w smartfonach z dolnej i 艣redniej p贸艂ki. Historycznie eMMC wywodzi si臋 w prostej linii z niegdy艣 popularnych kart flash MMC. W konsekwencji ma te偶 ich wszelkie ograniczenia, takie jak synchroniczne operacje z d艂ugimi czasami oczekiwania. Zaletami eMMC s膮 z kolei niskie koszty produkcji oraz, co bardzo istotne, niskie zu偶ycie energii.

eUFS

eUFS to odmiana pami臋ci Universal Flash Storage i najcz臋艣ciej stosuje si臋 je w dro偶szych smartfonach ze 艣redniej p贸艂ki oraz w topowych modelach, g艂贸wnie tych z Androidem. Dla przyk艂adu, pami臋ci eUFS 2.1 montowane s膮 w Samsungach Galaxy S8.

NVMe

Firma Apple, jak zwykle, wytycza w艂asne 艣cie偶ki i w iPhone’ach umieszcza zmodyfikowan膮 wersj臋 kontrolera NVMe, wykorzystywanego w MacBookach.

Pami臋ci flash typu UFS przy艣piesz膮 smartfony do pr臋dko艣ci SSD i w d艂u偶szej perspektywie zast膮pi膮 eMMC; eUFS na zdj臋ciu – pierwszy, du偶y, czarny uk艂ad od prawej; UFS jest r贸wnie偶 u偶ywany w kartach pami臋ci, gdzie konkuruje z microSD

Uk艂ady z eUFS 2.1 s膮 obecnie najszybszymi pami臋ciami masowymi, jakie mo偶na zainstalowa膰 w smartfonach. To si臋 zmieni jeszcze w tym roku z chwil膮, gdy organizacja JEDEC Solid State Technology Association zako艅czy prace nad standardem UFS 3.0. Ma on wprowadzi膰 wydajno艣膰 SSD do 艣wiata telefon贸w. Od samego pocz膮tku ide膮, jaka przy艣wieca艂a powstaniu standardu UFS, by艂o zapewnienie transmisji szeregowej – ale za pomoc膮 wielu, r贸wnoleg艂ych po艂膮cze艅 – idealnej do przetwarzania zadaniowego. Daje to mo偶liwo艣膰 艂atwego podnoszenia przepustowo艣ci poprzez zwi臋kszanie liczby r贸wnoleg艂ych po艂膮cze艅 w kolejnych wersjach standardu. Obecnie intencj膮 JEDEC jest uzyskanie dw贸ch linii, z kt贸rych ka偶da osi膮gnie przepustowo艣膰 oko艂o 2,4 GB/s, czyli wieksz膮 ni偶聽 w dzisiejszym standardzie UFS 2.x.

Universal Flash Storage rozstrzyga pojedynek wydajno艣ci z eMMC zdecydowanie na swoj膮 korzy艣膰; tylko wy偶sze koszty produkcji sprawiaj膮, 偶e pami臋ci eMMC wci膮偶 maj膮 zastosowanie w ta艅szych smartfonach

Technologia SSD w telefonach

呕eby podnosi膰 pr臋dko艣膰 przesy艂u danych, JEDEC stawia na technologi臋 SSD. W ten spos贸b wymiana danych pomi臋dzy hostem UFS i pami臋ci膮 flash b臋dzie zachodzi艂a w trybie full-duplex, czyli tzw. jednoczesnej transmisji dwustronnej. Pozwoli to na r贸wnoczesny odczyt i zapis danych, czego nie da si臋 zrobi膰 stosuj膮c pami臋膰 eMMC. W standardzie UFS za bezpiecze艅stwo i poprawno艣膰 przesy艂u odpowiadaj膮 dodatkowe kana艂y kontrolne, czuwaj膮ce nad tym, czy dane zosta艂y faktycznie dostarczone. Nie ma wi臋c potrzeby d艂ugotrwa艂ego oczekiwania na potwierdzenie d艂u偶szej sekwencji zapisu danych. Sterownik UFS przekazuje ca艂膮 komunikacj臋 do kontrolera UFS w ho艣cie. Kontroler potrafi sortowa膰 nadchodz膮ce rozkazy w taki spos贸b, by zoptymalizowa膰 szybko艣膰 ich przetwarzania. Jest to mo偶liwe dzi臋ki kolejkowaniu rozkaz贸w (CQ – Command Queuing). Skolejkowane rozkazy UFS 3.0 mo偶e wysy艂a膰 do przetworzenia r贸wnolegle, a tak偶e nadawa膰 im priorytety. Przyk艂adowo dane zawieraj膮ce strumie艅 przetwarzanego wideo mog膮 by膰 przekazywane do przetwarzania szybciej ni偶 dane zwi膮zane z aktualizowaniem aplikacji. Lista rozkaz贸w UFS, za pomoc膮 kt贸rych realizowana jest transmisja szeregowa zosta艂a wprost zaczerpni臋ta z protoko艂u SCSI.

Por贸wnanie cech pami臋ci eMMC i eUFS

eMMCeUFS
Liczba partycji48
Partycje chronionetaktak
Maksymalna pojemno艣膰2 TBponad 2 TB mo偶liwe
Wielow膮tkowo艣膰nietak
Typ po艂膮czeniar贸wnoleg艂eszeregowe
Zestaw instrukcjiw艂asnySCSI
Kana艂 komunikacjihalf-duplexfull-duplex
Kolejkowanie rozkaz贸wnietak
TRIM / bezpieczny zapistaktak
Zu偶ycie energii – praca / czuwanieok. 1 mW / < 0,5 mWok. 1 mW / < 0,5 mW

Jednym z g艂贸wnych wymaga艅 w urz膮dzeniach mobilnych jest oszcz臋dno艣膰 energii. Nadrz臋dny cel dla nowej technologii to osi膮gni臋cie efektywno艣ci zbli偶onej do pami臋ci eMMC, kt贸re zapewniaj膮 zar贸wno ci膮g艂o艣膰 pracy jak i szybko艣膰 przechodzenia w stan czuwania. Poniewa偶 pami臋ci UFS s膮 znacznie szybsze od eMMC, mog膮 te偶 znacznie cz臋艣ciej przechodzi膰 w stan czuwania, co w praktyce r贸wnie偶 przek艂ada si臋 na oszcz臋dno艣膰 energii.

Karta UFS zast臋puje microSD

Opr贸cz pami臋ci wbudowanej, wielu u偶ytkownik贸w smartfon贸w korzysta z zewn臋trznych kart microSD. S膮 bardzo popularne, bo pozwalaj膮 艂atwo i tanio poszerzy膰 ograniczon膮 zazwyczaj pojemno艣膰 wewn臋trznej przestrzeni na dane. Ale technologia UFS wkracza i na ten obszar. Konkurencyjny dla microSD format, znany jako karta UFS, istnieje ju偶 od roku 2016. I jest znacz膮co szybszy. Karty w standardzie UFS 1.0 osi膮gaj膮 pr臋dko艣膰 przetwarzania danych na poziomie 600 MB/s, podczas gdy w przypadku kart microSD wynosi on zaledwie 100 MB/s. Karty UFS 2.0 pojawi膮 si臋 jeszcze w tym roku i zapewni膮 pr臋dko艣膰 na poziomie 1,2 GB/s, a wi臋c dwukrotnie wy偶sz膮 ni偶 UFS 1.0 i 12-krotnie wy偶sz膮 ni偶 microSD. Prekursorem tej technologii jest Samsung, kt贸ry produkuje wspomniane karty, ale odpowiednich czytnik贸w wci膮偶 na rynku brak, podobnie jak producent贸w gotowych szybko zintegrowa膰 je ze swoimi urz膮dzeniami. Pr臋dzej czy p贸藕niej karty UFS wypr膮 zapewne z rynku microSD – przewaga wydajno艣ci jest tu bardzo wyra藕na.

UFS jako karta pami臋ci (UFS card); nawet w przypadku kart flash dzisiejsze standardy osi膮gn臋艂y kres swoich mo偶liwo艣ci; i tu rozwi膮zaniem jest UFS, daj膮cy nie tylko lepsze pr臋dko艣ci odczytu i zapisu, ale przede wszystkim znacznie wy偶sz膮 wydajno艣膰 losow膮 (IOPS)

Por贸wnanie wydajno艣ci kart UFS i microSD

Karta UFS 1.0Karta microSD
Odczyt sekwencyjny (MB/s)530104
Zapis sekwencyjny (MB/s)17095
Losowy odczyt (IOPS)400002000
Losowy zapis (IOPS)35000150

W topowych smartfonach od roku 2019

Pisz膮c o UFS, trzeba wspomnie膰 o marce Phison. Ten tajwa艅ski producent kontroler贸w pami臋ci masowych jest znany z aktywno艣ci w opisywanej dziedzinie. Phison ju偶 opracowa艂 prototypy pami臋ci UFS 3.0. Co prawda JEDEC zamierza zako艅czy膰 prace nad standardem wersji 3.0 w tym roku, ale, wed艂ug specjalist贸w z firmy Phison, UFS 3.0 pojawi si臋 w topowych smartfonach nie wcze艣niej ni偶 w 2019 roku. | CHIP