Nadchodzi UFS 3.0, czyli pamięci w smartfonach szybkie jak SSD

Standard UFS 3.0 umożliwi 2-krotne przyśpieszenie działania pamięci urządzeń mobilnych. To pozwoli osiągnąć prędkości dostępne dotychczas wyłącznie dla najszybszych dysków SSD, montowanych w pecetach, laptopach i tabletach. Piszemy, jak i kiedy do tego dojdzie.

Universal Flash Storage 3.0 sprawi, że nawet zadania wymagające nadzwyczajnej wydajności nośników w smartfonach będą wykonywane z zawrotną prędkością. Nie od dziś wiadomo, że osiągi pamięci masowej mają zasadnicze znaczenie dla efektywności wielu urządzeń. Wiedzą o tym doskonale użytkownicy sprzętów z system operacyjnym Windows. W ostatnich latach przesiadka ze zbyt wolnych już dysków magnetycznych HDD na SSD spowodowała większy postęp w wydajności niż kilka generacji procesorów czy pamięci RAM. Podobnego efektu nie doświadczyliśmy w przypadku smartfonów. Często jedynie specjaliści mają świadomość, że pamięci flash stosowane w smartfonach znacznie odbiegają prędkością działania od nowoczesnych dysków w komputerach. W testach w laboratorium CHIP-a najszybsze dyski SSD, zoptymalizowane pod kątem wykorzystania protokołu NVMe, osiągają dziś 2,7 GB/s. Tymczasem w przypadku smartfonowych pamięci embedded Multimedia Card (eMMC) wartości te oscylują raczej w okolicy 200-400 MB/s.

Jeśli przyjrzeć się rynkowi smartfonów na początku 2018 roku, można wytypować trzy trendy rozwoju wbudowanych pamięci flash.

eMMC

Embedded Multimedia Card to wciąż bardzo popularny standard pamięci zwłaszcza w smartfonach z dolnej i średniej półki. Historycznie eMMC wywodzi się w prostej linii z niegdyś popularnych kart flash MMC. W konsekwencji ma też ich wszelkie ograniczenia, takie jak synchroniczne operacje z długimi czasami oczekiwania. Zaletami eMMC są z kolei niskie koszty produkcji oraz, co bardzo istotne, niskie zużycie energii.

eUFS

eUFS to odmiana pamięci Universal Flash Storage i najczęściej stosuje się je w droższych smartfonach ze średniej półki oraz w topowych modelach, głównie tych z Androidem. Dla przykładu, pamięci eUFS 2.1 montowane są w Samsungach Galaxy S8.

NVMe

Firma Apple, jak zwykle, wytycza własne ścieżki i w iPhone’ach umieszcza zmodyfikowaną wersję kontrolera NVMe, wykorzystywanego w MacBookach.

Pamięci flash typu UFS przyśpieszą smartfony do prędkości SSD i w dłuższej perspektywie zastąpią eMMC; eUFS na zdjęciu – pierwszy, duży, czarny układ od prawej; UFS jest również używany w kartach pamięci, gdzie konkuruje z microSD

Układy z eUFS 2.1 są obecnie najszybszymi pamięciami masowymi, jakie można zainstalować w smartfonach. To się zmieni jeszcze w tym roku z chwilą, gdy organizacja JEDEC Solid State Technology Association zakończy prace nad standardem UFS 3.0. Ma on wprowadzić wydajność SSD do świata telefonów. Od samego początku ideą, jaka przyświecała powstaniu standardu UFS, było zapewnienie transmisji szeregowej – ale za pomocą wielu, równoległych połączeń – idealnej do przetwarzania zadaniowego. Daje to możliwość łatwego podnoszenia przepustowości poprzez zwiększanie liczby równoległych połączeń w kolejnych wersjach standardu. Obecnie intencją JEDEC jest uzyskanie dwóch linii, z których każda osiągnie przepustowość około 2,4 GB/s, czyli wiekszą niż  w dzisiejszym standardzie UFS 2.x.

Universal Flash Storage rozstrzyga pojedynek wydajności z eMMC zdecydowanie na swoją korzyść; tylko wyższe koszty produkcji sprawiają, że pamięci eMMC wciąż mają zastosowanie w tańszych smartfonach

Technologia SSD w telefonach

Żeby podnosić prędkość przesyłu danych, JEDEC stawia na technologię SSD. W ten sposób wymiana danych pomiędzy hostem UFS i pamięcią flash będzie zachodziła w trybie full-duplex, czyli tzw. jednoczesnej transmisji dwustronnej. Pozwoli to na równoczesny odczyt i zapis danych, czego nie da się zrobić stosując pamięć eMMC. W standardzie UFS za bezpieczeństwo i poprawność przesyłu odpowiadają dodatkowe kanały kontrolne, czuwające nad tym, czy dane zostały faktycznie dostarczone. Nie ma więc potrzeby długotrwałego oczekiwania na potwierdzenie dłuższej sekwencji zapisu danych. Sterownik UFS przekazuje całą komunikację do kontrolera UFS w hoście. Kontroler potrafi sortować nadchodzące rozkazy w taki sposób, by zoptymalizować szybkość ich przetwarzania. Jest to możliwe dzięki kolejkowaniu rozkazów (CQ – Command Queuing). Skolejkowane rozkazy UFS 3.0 może wysyłać do przetworzenia równolegle, a także nadawać im priorytety. Przykładowo dane zawierające strumień przetwarzanego wideo mogą być przekazywane do przetwarzania szybciej niż dane związane z aktualizowaniem aplikacji. Lista rozkazów UFS, za pomocą których realizowana jest transmisja szeregowa została wprost zaczerpnięta z protokołu SCSI.

Porównanie cech pamięci eMMC i eUFS

eMMCeUFS
Liczba partycji48
Partycje chronionetaktak
Maksymalna pojemność2 TBponad 2 TB możliwe
Wielowątkowośćnietak
Typ połączeniarównoległeszeregowe
Zestaw instrukcjiwłasnySCSI
Kanał komunikacjihalf-duplexfull-duplex
Kolejkowanie rozkazównietak
TRIM / bezpieczny zapistaktak
Zużycie energii – praca / czuwanieok. 1 mW / < 0,5 mWok. 1 mW / < 0,5 mW

Jednym z głównych wymagań w urządzeniach mobilnych jest oszczędność energii. Nadrzędny cel dla nowej technologii to osiągnięcie efektywności zbliżonej do pamięci eMMC, które zapewniają zarówno ciągłość pracy jak i szybkość przechodzenia w stan czuwania. Ponieważ pamięci UFS są znacznie szybsze od eMMC, mogą też znacznie częściej przechodzić w stan czuwania, co w praktyce również przekłada się na oszczędność energii.

Karta UFS zastępuje microSD

Oprócz pamięci wbudowanej, wielu użytkowników smartfonów korzysta z zewnętrznych kart microSD. Są bardzo popularne, bo pozwalają łatwo i tanio poszerzyć ograniczoną zazwyczaj pojemność wewnętrznej przestrzeni na dane. Ale technologia UFS wkracza i na ten obszar. Konkurencyjny dla microSD format, znany jako karta UFS, istnieje już od roku 2016. I jest znacząco szybszy. Karty w standardzie UFS 1.0 osiągają prędkość przetwarzania danych na poziomie 600 MB/s, podczas gdy w przypadku kart microSD wynosi on zaledwie 100 MB/s. Karty UFS 2.0 pojawią się jeszcze w tym roku i zapewnią prędkość na poziomie 1,2 GB/s, a więc dwukrotnie wyższą niż UFS 1.0 i 12-krotnie wyższą niż microSD. Prekursorem tej technologii jest Samsung, który produkuje wspomniane karty, ale odpowiednich czytników wciąż na rynku brak, podobnie jak producentów gotowych szybko zintegrować je ze swoimi urządzeniami. Prędzej czy później karty UFS wyprą zapewne z rynku microSD – przewaga wydajności jest tu bardzo wyraźna.

UFS jako karta pamięci (UFS card); nawet w przypadku kart flash dzisiejsze standardy osiągnęły kres swoich możliwości; i tu rozwiązaniem jest UFS, dający nie tylko lepsze prędkości odczytu i zapisu, ale przede wszystkim znacznie wyższą wydajność losową (IOPS)

Porównanie wydajności 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

Pisząc o UFS, trzeba wspomnieć o marce Phison. Ten tajwański producent kontrolerów pamięci masowych jest znany z aktywności w opisywanej dziedzinie. Phison już opracował prototypy pamięci UFS 3.0. Co prawda JEDEC zamierza zakończyć prace nad standardem wersji 3.0 w tym roku, ale, według specjalistów z firmy Phison, UFS 3.0 pojawi się w topowych smartfonach nie wcześniej niż w 2019 roku. | CHIP