什么是UFS？為什么說(shuō)UFS是手機(jī)存儲(chǔ)的未來(lái)？

我們知道，我們電腦由三大件組成：CPU，內(nèi)存和硬盤(pán)。CPU用以計(jì)算和控制，內(nèi)存用以臨時(shí)存儲(chǔ)程序運(yùn)行時(shí)所需的數(shù)據(jù)（掉電數(shù)據(jù)丟失），而硬盤(pán)用以長(zhǎng)久保存數(shù)據(jù)（掉電數(shù)據(jù)不丟失）。

我們每天使用的手機(jī)，其本質(zhì)是一個(gè)移動(dòng)的小型計(jì)算機(jī)，同樣由三大件組成：CPU，內(nèi)存和存儲(chǔ)設(shè)備。其中的存儲(chǔ)設(shè)備相當(dāng)于電腦的硬盤(pán)，用以長(zhǎng)久保存手機(jī)上的數(shù)據(jù)，比如視頻、照片、音樂(lè)、系統(tǒng)等數(shù)據(jù)。

電腦的硬盤(pán)有機(jī)械硬盤(pán)（HDD）和固態(tài)硬盤(pán)（SSD），前者是機(jī)械存儲(chǔ)設(shè)備，存儲(chǔ)介質(zhì)是磁盤(pán)；而后者是電子存儲(chǔ)設(shè)備，存儲(chǔ)介質(zhì)是閃存。我們不可能在小小的手機(jī)中塞入一個(gè)機(jī)械設(shè)備，所以手機(jī)上的存儲(chǔ)設(shè)備只能是電子存儲(chǔ)設(shè)備，存儲(chǔ)介質(zhì)也都是閃存。

現(xiàn)在是人手一個(gè)手機(jī)的時(shí)代，手機(jī)成了人們身體的一部分，一天不帶手機(jī)，就感覺(jué)缺少了什么，吃嘛嘛不香。

因此，人們對(duì)手機(jī)的要求也越來(lái)越高: 速度要快，容量要大，流暢不卡頓…為了讓手機(jī)更快，手機(jī)廠商使用更快、更多核的CPU，加大系統(tǒng)內(nèi)存（4GB不夠用6GB，6GB不夠用8GB），使用更快的存儲(chǔ)設(shè)備。無(wú)論是電腦還是手機(jī)，三駕馬車(chē)（CPU，內(nèi)存和存儲(chǔ)設(shè)備）中，跑得最慢的就是存儲(chǔ)設(shè)備了。CPU和內(nèi)存的快步向前，促使最慢的存儲(chǔ)設(shè)備也需要努力跟上，不然再快的CPU和再大容量的內(nèi)存，你的手機(jī)用起來(lái)還是讓你覺(jué)得不爽。

近年來(lái)，由于閃存技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，無(wú)論是電腦上的硬盤(pán)，還是手機(jī)中的存儲(chǔ)設(shè)備，都在變得越來(lái)越快。

電腦上，從HDD 到SSD，從SATA SSD到PCIe SSD，硬盤(pán)是越來(lái)越快；

手機(jī)上，從SD卡，到eMMC卡，再到UFS卡，存儲(chǔ)卡的速度也是越來(lái)越快?，F(xiàn)在一般手機(jī)配的是eMMC，旗艦高端手機(jī)配的是UFS。

我們這個(gè)系列的主角UFS已登場(chǎng)。為什么UFS是主角？為什么我要帶大家去了解UFS? 因?yàn)?，UFS將是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)手機(jī)存儲(chǔ)的主流，我們有必要去了解UFS以及其相關(guān)的技術(shù)。

那么，什么是UFS？Universal Flash Storage，通用閃存存儲(chǔ)。它有兩個(gè)意思，一是指手機(jī)存儲(chǔ)接口協(xié)議，類(lèi)似SATA，PCIe/NVMe；二是使用該協(xié)議的存儲(chǔ)設(shè)備。后面文章出現(xiàn)UFS，讀者請(qǐng)根據(jù)上下文理解。

為什么說(shuō)UFS是手機(jī)存儲(chǔ)的未來(lái)？無(wú)他，快也！

大家感受一下：

UFS最新標(biāo)準(zhǔn)是UFS3.0，于2018年1月30日發(fā)布。它最大帶寬可以達(dá)到2163MB/s！4倍SATA3.0的速度 （600MB/s），超過(guò)PCIe3.0x2的速度（2GB/s單向速度）。

不過(guò)，目前市面上的UFS產(chǎn)品還是UFS2.0/2.1，其最大帶寬1081MB/s，也是秒殺一般的SSD。

UFS協(xié)議是JEDEC（www.jedec.org）組織制定的，三星、海力士、東芝等公司力捧。下面是UFS協(xié)議的發(fā)展歷程：

我們可以看到，UFS協(xié)議一直在大踏步的朝著更高更快的目標(biāo)前進(jìn)。

UFS為什么能那么快？

首先，它在數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸上，使用的是差分串行傳輸。這是UFS快的基礎(chǔ)。所有的高速傳輸總線，如SATA，PCIe，SAS，都是串行差分信號(hào)。串行，可以使用更快的時(shí)鐘（時(shí)鐘信息可以嵌在數(shù)據(jù)流中）；差分信號(hào)，即用兩根信號(hào)線上的電平差表示0或者1。與單端信號(hào)傳輸相比，差分信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，能提供更寬的帶寬（跑得更快）。打個(gè)比方，假設(shè)用兩個(gè)信號(hào)線上電平差表示0和1，具體來(lái)講，差值大于0，表示1，差值小于0，表示0。如果傳輸過(guò)程中存在干擾，兩個(gè)線上加了近乎同樣大小的干擾電平，兩者相減，差值幾乎不變，你大爺還是你大爺。但對(duì)單端信號(hào)傳輸來(lái)說(shuō)，就很容易受干擾，比如0-1V表示0,1-3V表示1，一個(gè)本來(lái)是0.8V的電壓，加入干擾，變成1.5V，相當(dāng)于0變成1，數(shù)據(jù)就出錯(cuò)了，你大媽已經(jīng)不是你大媽了?？垢蓴_能力強(qiáng)，因而可以用更快的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而能提供更寬的帶寬了。

UFS的前輩是eMMC，使用的是并行數(shù)據(jù)傳輸。并行最大的問(wèn)題是速度上不去，因?yàn)橐坏r(shí)鐘上去，干擾就變大，信號(hào)完整性無(wú)法保證。

其次，UFS和PCIe一樣，支持多通道數(shù)據(jù)傳輸，目前最多支持兩個(gè)通道。多通道可以讓UFS在成本、功耗和性能之間做取舍。

還有，它是全雙工工作模式，就是讀寫(xiě)可以并行。它的前輩eMMC是半雙工，讀寫(xiě)不能同時(shí)進(jìn)行。

要讓UFS速度快，這些基礎(chǔ)設(shè)施是必須的。但要充分利用底層高速數(shù)據(jù)傳輸通道，還需要上層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議配合。就好比我們現(xiàn)在有一條又寬敞又平坦的高速公路，我們需要一輛高速的汽車(chē)行駛在上面。你如果讓一輛拖拉機(jī)在上面跑，高速公路算是白修了。

UFS協(xié)議上層，怎樣來(lái)充分發(fā)揮底層速度快的優(yōu)勢(shì)呢？

UFS支持命令隊(duì)列，就是主機(jī)一下可以發(fā)很多個(gè)命令下去，然后UFS設(shè)備支持并行和亂序執(zhí)行，誰(shuí)先完成誰(shuí)先返回狀態(tài)。這種命令處理方式叫做異步命令處理。而它的前輩eMMC，是不支持命令隊(duì)列的，命令一個(gè)一個(gè)執(zhí)行，或者一包一包（每個(gè)包里面含有若干個(gè)命令）執(zhí)行，前面命令沒(méi)有執(zhí)行完成，后面的命令是不能發(fā)下去的。這種命令處理方式叫做同步命令處理。

我們來(lái)比較一下“全雙工+異步命令處理”和“半雙工+同步命令處理”兩者命令處理方式和命令執(zhí)行效率。

?半雙工+同步

主機(jī)發(fā)了一個(gè)寫(xiě)命令W1給設(shè)備，然后主機(jī)把數(shù)據(jù)寫(xiě)到設(shè)備；由于是同步傳輸模式，命令處理是一個(gè)一個(gè)處理的，所以在發(fā)讀命令R2之前，必須等前一個(gè)寫(xiě)命令W1完成；同樣，在發(fā)送寫(xiě)命令W3之前，必須等R2命令完成。

全雙工+異步

由于支持命令隊(duì)列，主機(jī)一下可以發(fā)若干個(gè)命令給設(shè)備，如上圖，主機(jī)一下發(fā)了一個(gè)寫(xiě)命令W1和讀命令R2給設(shè)備。設(shè)備可以并行處理這兩個(gè)命令，由于協(xié)議支持全雙工操作，主機(jī)傳輸寫(xiě)命令W1的數(shù)據(jù)給設(shè)備的同時(shí)，設(shè)備也可以把讀命令R2的數(shù)據(jù)返回給主機(jī)。后面命令R3，R4，W5…的處理方式類(lèi)似。

再形象一點(diǎn)，我們以搬運(yùn)貨物的例子來(lái)比較一下eMMC和UFS命令執(zhí)行方式：

現(xiàn)在的手機(jī)，應(yīng)用非常豐富，你要一邊斗地主，一邊聽(tīng)歌，還要聊微信，多線程操作。由于全雙工和命令隊(duì)列的存在，UFS處理命令的效率大大提高，給用戶(hù)極好的體驗(yàn)。

前面我們拿UFS和eMMC做了幾個(gè)對(duì)比，但我好像忘了說(shuō)什么是eMMC。有人可能懵逼，什么是eMMC？

eMMC，Embedded Multi Media Card，和UFS一樣，也是JEDEC制定的移動(dòng)存儲(chǔ)協(xié)議，它是UFS前一代協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

eMMC最新標(biāo)準(zhǔn)是2015年發(fā)布的eMMC5.1，最高速度是400MB/s。JEDEC已經(jīng)有了UFS，不確定會(huì)不會(huì)再發(fā)布新的eMMC標(biāo)準(zhǔn)。畢竟，并行傳輸?shù)膃MMC由于受限于物理信號(hào)，速度想要有個(gè)質(zhì)的飛躍是不太現(xiàn)實(shí)。

行文至此，讓我不由的想起去年那事件。

同一款手機(jī)，有人UFS和eMMC混著賣(mài)，手機(jī)還賣(mài)一個(gè)價(jià)錢(qián)，真是無(wú)德！UFS和eMMC，速度差異那么大（見(jiàn)下圖，來(lái)自網(wǎng)絡(luò)），價(jià)格能一樣嗎？你系統(tǒng)再優(yōu)化，能把eMMC順序讀寫(xiě)速度優(yōu)化到401MB/s？別扯什么用戶(hù)體驗(yàn)，用戶(hù)都被耍猴了，體驗(yàn)還能好？水能載舟，亦能覆舟，不要太得意忘形。

如果說(shuō)eMMC是手機(jī)中的HDD，那么UFS就是手機(jī)中的SSD。UFS取代eMMC成為主流手機(jī)存儲(chǔ)協(xié)議，這是毫無(wú)疑問(wèn)的。不過(guò)，UFS一統(tǒng)天下的道路上還有一個(gè)攔路虎，那就是NVMe。有人說(shuō)，NVMe不是SSD的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)嗎？沒(méi)錯(cuò)，不過(guò)，我要提醒大家的是，蘋(píng)果現(xiàn)在手機(jī)中存儲(chǔ)協(xié)議是NVMe而不是UFS。在短期，UFS和NVMe會(huì)分別在安卓和蘋(píng)果手機(jī)中存在。長(zhǎng)期來(lái)說(shuō)，UFS和NVMe是二分天下，還是合二為一，我們只能拭目以待了。

在本章結(jié)束前，給大家看看UFS（BGA形式）的實(shí)物圖：

大小如大拇指手指蓋大小。麻雀雖小，五臟俱全。UFS存儲(chǔ)芯片內(nèi)部封裝了UFS控制器和閃存陣列，和SSD結(jié)構(gòu)很相似。不過(guò)和SSD相比，由于它的容量更小，因此閃存die比較少，閃存的通道數(shù)也少。另外，出于功耗和成本考慮，UFS芯片一般是不帶DRAM的架構(gòu)。

UFS芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)不是我們本系列的重點(diǎn)，本系列后續(xù)文章將專(zhuān)注于UFS協(xié)議。