未来倾向于UFS用于高性能嵌入式闪存

如今闪存已经无处不在，以至于在它成为性能瓶颈之前，人们很容易忽略它的存在。小到物联网微控制器里的固件，大到数据中心里为 AI 加速器提供的数据，全都靠它存储。几十年来，NAND 闪存不断提升密度、降低成本，催生出从消费级设备到云端存储的一整条产品生态，包括 SSD、U 盘、存储卡、智能手机与云存储等。

这项技术最早可追溯到 1987 年，当时东芝（如今其存储业务独立为铠侠 KIOXIA）推出 NAND 闪存，作为高密度替代 NOR 闪存的方案。从那以后，NAND 闪存逐步发展成一套完整的技术栈，涵盖存储单元架构、控制器与主机接口，每一代都朝着更高容量、更高吞吐量的方向演进。

但存储芯片本身只是问题的一部分。在设计需要在现场稳定运行十年甚至更久的嵌入式系统时，理解非管理型 NAND 与管理型 NAND 的区别至关重要。

在接口层面，长期占据主导地位的嵌入式多媒体卡标准，正越来越多地被通用闪存存储取代。UFS 采用串行架构，支持更高带宽与更低延迟。

本文将介绍闪存的基本原理，以及推动嵌入式系统向 UFS 迁移的技术驱动力。

SLC、MLC、TLC 闪存的区别是什么？

在存储单元层面，NAND 闪存以离散的电荷电平来存储信息。每个单元存储的比特数，决定了需要区分的电压等级数量：

• SLC（Single-Level Cell）：1 bit/cell（2 个电平）

• MLC（Multi-Level Cell）：2 bits/cell（4 个电平）

• TLC（Triple-Level Cell）：3 bits/cell（8 个电平）

• QLC（Quad-Level Cell）：4 bits/cell，目前已开始送样

非管理型 SLC 是速度最快、最稳定的闪存形式，但通常只能做到较低密度。

MLC 和 TLC 通过在单个单元里存入更多比特来提升容量，但代价是需要更复杂的信号检测、纠错与管理逻辑，这会给系统中的主处理器带来额外开销。

如今，大多数大批量应用都采用 3D TLC 闪存，因为它在密度、成本与寿命之间为现代应用提供了最佳平衡。

非管理型 vs 管理型 NAND：区别在于闪存控制器

闪存分为两种形态：行业内所说的非管理型（原始 NAND）与管理型 NAND。

对于原始 NAND，存储厂商可以在一个封装内放入 1～16 颗裸片。系统中的主处理器或外置闪存控制器必须负责：

• 错误校正编码（ECC）

• 损耗均衡（wear leveling）

• 坏块管理

• 逻辑 — 物理地址映射

• 垃圾回收

这给 OEM 带来了最大的灵活性，但也带来了最大的开发责任。构建稳健的闪存转换层（FTL）绝非易事，尤其是在闪存工艺与寿命限制持续变化的情况下。

与之相对，管理型 NAND 在同一个封装内集成了一颗或多颗闪存裸片 + 专用控制器（图 1）。内部控制器屏蔽了底层复杂性，向主机提供一个简单的块设备接口。NAND 闪存非常依赖管理，因此整个电子行业正在大范围转向管理型闪存。

1. 横截面视图显示一个管理型NAND设备，带有控制器和NAND芯片线接地。

目前主流的管理型闪存接口有两个标准：eMMC 和 UFS。这两个标准让设计者完全不必处理底层闪存管理，而可以专注于系统级功能。

什么是 eMMC？它如何解决嵌入式存储碎片化问题

2000 年代初，移动设备陷入了互不兼容的 NAND 接口、厂商自定义指令与定制控制器的混乱局面。每款新手机都需要新驱动、新启动代码，甚至常常需要新硬件。

行业迫切需要统一的指令集、可预期的管理行为、跨厂商的直接替换能力，以及简化的块设备存储视图。

MMC 协会与 JEDEC 联合推出了 eMMC 标准。

eMMC 首个版本于 2006 年面世，行业迅速围绕它整合。到 2010 年，它已成为智能手机、平板与其他消费电子中嵌入式闪存的主导存储接口。

eMMC 满足了市场最迫切的需求：简单、标准化、行为可预测。

什么是 UFS？为何它在高性能系统中取代 eMMC

但随着智能手机开始拍摄更高清视频、运行更复杂的操作系统、处理更大更多的并发应用，eMMC 逐渐出现性能瓶颈。

它采用并行、半双工接口，同一时间只能读或只能写，不能同时进行。

即便在最快模式下，eMMC 的峰值吞吐量也仅约 400 MB/s，在数据密集、多任务环境中成为明显瓶颈。

为解决这一问题，JEDEC 于 2011 年推出 UFS，作为 eMMC 的继任者。

UFS 不使用并行总线，而是采用高速串行接口（图 2），实现点到点连接，支持全双工通信—— 读写同时进行 —— 并带来更低延迟与更高效的指令处理。

2. 本图表比较了eMMC和UFS闪存存储能力。

最新一代 eMMC 与 UFS 的性能差距非常显著：

• eMMC：峰值吞吐量 400 MB/s

• UFS：最高可达 4,640 MB/s（提升 10 倍以上）

除了更低延迟，UFS 每比特传输的能效也大幅提升。

这些特性让 UFS 不仅更快，而且更适合当前移动与嵌入式系统中持续的高负载数据任务，包括：

• 高分辨率成像

• AR 增强现实

• AI 加速

• 5G 应用

• 多 GB 级数据传输

eMMC 为何依然重要：嵌入式系统的成本与生命周期

尽管性能差距巨大，很多人原本以为 eMMC 会迅速消失，被 UFS 完全取代，但事实并非如此。

嵌入式设计者仍然会在以下场景选择 eMMC：

• 打印机

• 机顶盒

• 家庭 IoT 网关

• 流媒体设备

• 低端移动设备

• 使用老款处理器、不支持 UFS 接口的系统

在这些市场中，性能不是首要目标，成本与简洁性更重要。

不过，eMMC 所使用的 NAND 类型正在发生变化：

• 过去 4/8/16 GB 低密度 eMMC 主要使用 MLC NAND。

• 但随着行业全面转向 3D TLC，MLC 产能正在快速消失，用于 MLC 的先进光刻设备也已不再生产。

• 随着基于 MLC 的低密度 eMMC 逐渐稀缺，基于 TLC 的 eMMC 成为替代品。

实际可用的最低容量必须提升。未来，64 GB、128 GB 的 TLC eMMC 将成为主流，部分厂商已提供 256 GB 版本（尤其面向汽车领域）。

这形成了一个有趣的交汇点：eMMC 的高端容量区间，已经与 UFS 的低端区间重叠。

eMMC 与 UFS 之间如何选择？真正的决策依据

当存储厂商与客户交流时，选择这两种技术的决策因素通常集中在几点：

• 处理器接口兼容性

许多老款处理器只支持 eMMC，许多现代 SoC 只支持 UFS，部分中端芯片两者都支持。

随着时间推移，处理器厂商在新设计中逐步淘汰 eMMC 接口，升级处理器的系统将默认转向 UFS。

• 应用类别

UFS 主导：智能手机、平板、AR/VR、汽车 ADAS、无人机、机器人、安防摄像头、工厂自动化、AI 边缘平台。

eMMC 仍在使用：打印机、机顶盒、低成本 IoT、媒体播放器、老款嵌入式设计。

• 容量趋势

随着应用需要更大存储、低密度 MLC 消失，如今选择 64/128 GB 的设计者已经站在了 UFS 的门口。

• 性能

所有客户都承认 UFS 在吞吐量、延迟、扩展性上更优秀。

不选用的理由通常只有一个：“我的 SoC 不支持 UFS。”

为什么 UFS 正成为下一代嵌入式闪存的默认选择

目前，eMMC 与 UFS 仍拥有各自健康的市场。

eMMC 仍然很好地服务于成本敏感、长生命周期、 legacy 类应用，厂商未来多年仍会支持主流容量（64/128 GB）。

但行业轨迹已非常明确：

• 低密度 eMMC 正在消失

• MLC 产能基本退出

• 处理器厂商逐步淘汰 eMMC 支持

• UFS 的容量、性能、生态势头持续增长

曾经完全依赖 eMMC 的智能手机、平板、PC 市场，未来路线图已经明确指向仅支持 UFS 的设计。

对于新系统设计，工程师应当考虑这一趋势。

虽然 eMMC 不会一夜之间消失，但 UFS 正日益成为主流、面向未来的嵌入式存储选择。