如今閃存已經(jīng)無處不在，以至于在它成為性能瓶頸之前，人們很容易忽略它的存在。小到物聯(lián)網(wǎng)微控制器里的固件，大到數(shù)據(jù)中心里為 AI 加速器提供的數(shù)據(jù)，全都靠它存儲。幾十年來，NAND 閃存不斷提升密度、降低成本，催生出從消費級設備到云端存儲的一整條產(chǎn)品生態(tài)，包括 SSD、U 盤、存儲卡、智能手機與云存儲等。

這項技術(shù)最早可追溯到 1987 年，當時東芝（如今其存儲業(yè)務獨立為鎧俠 KIOXIA）推出 NAND 閃存，作為高密度替代 NOR 閃存的方案。從那以后，NAND 閃存逐步發(fā)展成一套完整的技術(shù)棧，涵蓋存儲單元架構(gòu)、控制器與主機接口，每一代都朝著更高容量、更高吞吐量的方向演進。

但存儲芯片本身只是問題的一部分。在設計需要在現(xiàn)場穩(wěn)定運行十年甚至更久的嵌入式系統(tǒng)時，理解非管理型 NAND 與管理型 NAND 的區(qū)別至關(guān)重要。

在接口層面，長期占據(jù)主導地位的嵌入式多媒體卡（eMMC）標準，正越來越多地被通用閃存存儲（UFS）取代。UFS 采用串行架構(gòu)，支持更高帶寬與更低延遲。

本文將介紹閃存的基本原理，以及推動嵌入式系統(tǒng)向 UFS 遷移的技術(shù)驅(qū)動力。

SLC、MLC、TLC 閃存的區(qū)別是什么？

在存儲單元層面，NAND 閃存以離散的電荷電平來存儲信息。每個單元存儲的比特數(shù)，決定了需要區(qū)分的電壓等級數(shù)量：

• SLC（Single-Level Cell）：1 bit/cell（2 個電平）

• MLC（Multi-Level Cell）：2 bits/cell（4 個電平）

• TLC（Triple-Level Cell）：3 bits/cell（8 個電平）

• QLC（Quad-Level Cell）：4 bits/cell，目前已開始送樣

非管理型 SLC 是速度最快、最穩(wěn)定的閃存形式，但通常只能做到較低密度。

MLC 和 TLC 通過在單個單元里存入更多比特來提升容量，但代價是需要更復雜的信號檢測、糾錯與管理邏輯，這會給系統(tǒng)中的主處理器帶來額外開銷。

如今，大多數(shù)大批量應用都采用 3D TLC 閃存，因為它在密度、成本與壽命之間為現(xiàn)代應用提供了最佳平衡。

非管理型 vs 管理型 NAND：區(qū)別在于閃存控制器

閃存分為兩種形態(tài)：行業(yè)內(nèi)所說的非管理型（原始 NAND）與管理型 NAND。

對于原始 NAND，存儲廠商可以在一個封裝內(nèi)放入 1～16 顆裸片。系統(tǒng)中的主處理器或外置閃存控制器必須負責：

• 錯誤校正編碼（ECC）

• 損耗均衡（wear leveling）

• 壞塊管理

• 邏輯 — 物理地址映射

• 垃圾回收

這給 OEM 帶來了最大的靈活性，但也帶來了最大的開發(fā)責任。構(gòu)建穩(wěn)健的閃存轉(zhuǎn)換層（FTL）絕非易事，尤其是在閃存工藝與壽命限制持續(xù)變化的情況下。

與之相對，管理型 NAND 在同一個封裝內(nèi)集成了一顆或多顆閃存裸片 + 專用控制器（圖 1）。內(nèi)部控制器屏蔽了底層復雜性，向主機提供一個簡單的塊設備接口。NAND 閃存非常依賴管理，因此整個電子行業(yè)正在大范圍轉(zhuǎn)向管理型閃存。

1. 橫截面視圖顯示一個管理型NAND設備，帶有控制器和NAND芯片線接地。

目前主流的管理型閃存接口有兩個標準：eMMC 和 UFS。這兩個標準讓設計者完全不必處理底層閃存管理，而可以專注于系統(tǒng)級功能。

什么是 eMMC？它如何解決嵌入式存儲碎片化問題

2000 年代初，移動設備陷入了互不兼容的 NAND 接口、廠商自定義指令與定制控制器的混亂局面。每款新手機都需要新驅(qū)動、新啟動代碼，甚至常常需要新硬件。

行業(yè)迫切需要統(tǒng)一的指令集、可預期的管理行為、跨廠商的直接替換能力，以及簡化的塊設備存儲視圖。

MMC 協(xié)會與 JEDEC 聯(lián)合推出了 eMMC 標準。

eMMC 首個版本于 2006 年面世，行業(yè)迅速圍繞它整合。到 2010 年，它已成為智能手機、平板與其他消費電子中嵌入式閃存的主導存儲接口。

eMMC 滿足了市場最迫切的需求：簡單、標準化、行為可預測。

什么是 UFS？為何它在高性能系統(tǒng)中取代 eMMC

但隨著智能手機開始拍攝更高清視頻、運行更復雜的操作系統(tǒng)、處理更大更多的并發(fā)應用，eMMC 逐漸出現(xiàn)性能瓶頸。

它采用并行、半雙工接口，同一時間只能讀或只能寫，不能同時進行。

即便在最快模式下，eMMC 的峰值吞吐量也僅約 400 MB/s，在數(shù)據(jù)密集、多任務環(huán)境中成為明顯瓶頸。

為解決這一問題，JEDEC 于 2011 年推出 UFS，作為 eMMC 的繼任者。

UFS 不使用并行總線，而是采用高速串行接口（圖 2），實現(xiàn)點到點連接，支持全雙工通信—— 讀寫同時進行 —— 并帶來更低延遲與更高效的指令處理。

2. 本圖表比較了eMMC和UFS閃存存儲能力。

最新一代 eMMC 與 UFS 的性能差距非常顯著：

• eMMC：峰值吞吐量 400 MB/s

• UFS：最高可達 4,640 MB/s（提升 10 倍以上）

除了更低延遲，UFS 每比特傳輸?shù)哪苄б泊蠓嵘?/p>

這些特性讓 UFS 不僅更快，而且更適合當前移動與嵌入式系統(tǒng)中持續(xù)的高負載數(shù)據(jù)任務，包括：

• 高分辨率成像

• AR 增強現(xiàn)實

• AI 加速

• 5G 應用

• 多 GB 級數(shù)據(jù)傳輸

eMMC 為何依然重要：嵌入式系統(tǒng)的成本與生命周期

盡管性能差距巨大，很多人原本以為 eMMC 會迅速消失，被 UFS 完全取代，但事實并非如此。

嵌入式設計者仍然會在以下場景選擇 eMMC：

• 打印機

• 機頂盒

• 家庭 IoT 網(wǎng)關(guān)

• 流媒體設備

• 低端移動設備

• 使用老款處理器、不支持 UFS 接口的系統(tǒng)

在這些市場中，性能不是首要目標，成本與簡潔性更重要。

不過，eMMC 所使用的 NAND 類型正在發(fā)生變化：

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

• 但隨著行業(yè)全面轉(zhuǎn)向 3D TLC，MLC 產(chǎn)能正在快速消失，用于 MLC 的先進光刻設備也已不再生產(chǎn)。

• 隨著基于 MLC 的低密度 eMMC 逐漸稀缺，基于 TLC 的 eMMC 成為替代品。

實際可用的最低容量必須提升。未來，64 GB、128 GB 的 TLC eMMC 將成為主流，部分廠商已提供 256 GB 版本（尤其面向汽車領域）。

這形成了一個有趣的交匯點：eMMC 的高端容量區(qū)間，已經(jīng)與 UFS 的低端區(qū)間重疊。

eMMC 與 UFS 之間如何選擇？真正的決策依據(jù)

當存儲廠商與客戶交流時，選擇這兩種技術(shù)的決策因素通常集中在幾點：

• 處理器接口兼容性

許多老款處理器只支持 eMMC，許多現(xiàn)代 SoC 只支持 UFS，部分中端芯片兩者都支持。

隨著時間推移，處理器廠商在新設計中逐步淘汰 eMMC 接口，升級處理器的系統(tǒng)將默認轉(zhuǎn)向 UFS。

• 應用類別

UFS 主導：智能手機、平板、AR/VR、汽車 ADAS、無人機、機器人、安防攝像頭、工廠自動化、AI 邊緣平臺。

eMMC 仍在使用：打印機、機頂盒、低成本 IoT、媒體播放器、老款嵌入式設計。

• 容量趨勢

隨著應用需要更大存儲、低密度 MLC 消失，如今選擇 64/128 GB 的設計者已經(jīng)站在了 UFS 的門口。

• 性能

所有客戶都承認 UFS 在吞吐量、延遲、擴展性上更優(yōu)秀。

不選用的理由通常只有一個：“我的 SoC 不支持 UFS。”

為什么 UFS 正成為下一代嵌入式閃存的默認選擇

目前，eMMC 與 UFS 仍擁有各自健康的市場。

eMMC 仍然很好地服務于成本敏感、長生命周期、 legacy 類應用，廠商未來多年仍會支持主流容量（64/128 GB）。

但行業(yè)軌跡已非常明確：

• 低密度 eMMC 正在消失

• MLC 產(chǎn)能基本退出

• 處理器廠商逐步淘汰 eMMC 支持

• UFS 的容量、性能、生態(tài)勢頭持續(xù)增長

曾經(jīng)完全依賴 eMMC 的智能手機、平板、PC 市場，未來路線圖已經(jīng)明確指向僅支持 UFS 的設計。

對于新系統(tǒng)設計，工程師應當考慮這一趨勢。

雖然 eMMC 不會一夜之間消失，但 UFS 正日益成為主流、面向未來的嵌入式存儲選擇。