下一代存储技术介绍-UFS

UFS

Universal Flash Storage，即就是UFS。此内存扩展标准是UFSHCI标准JESD223的扩展。UFSHCI标准定义了UFS驱动程序和UFS主机控制器之间的接口。除寄存器接口外，它还定义了系统内存中的数据结构，用于交换数据，控制和状态信息。此外，UFSHCI标准定义了这些层内的协议层结构和抽象实体。
通用内存可以将设备内部工作内存移动到系统内存中，从而降低整体系统成本并提高设备性能。

UFS最新一代UFS3.0

UFS 3.0专为需要高性能和低功耗的移动应用和计算系统而开发，是首款引入MIPI M-PHY HS-Gear4的标准，每通道数据速率高达11.6 Gbps，性能比先前版本规范(UFS2.0)高2倍。

UFS 3.0包括两个专门针对汽车市场推出的功能：能够在扩展温度范围内工作和刷新操作。

UFS是一种高性能接口，设计用于需要最小化功耗的应用，包括智能手机和平板电脑等移动系统以及汽车应用。
其高速串行接口和优化协议可显着提高吞吐量和系统性能。

速率提升的根本原因：
为了实现最高性能和最节能的数据传输，UFS利用MIPI®Alliance的业界领先规范来形成其互连层。此协作继续使用UFS 3.0版，该版本引用了MIPI M-PHY®v4.1物理层规范和最近发布的MIPI UniProSM v1.8传输层规范。

JEDEC标准官网：https://www.jedec.org/news/pressreleases/jedec-publishes-universal-flash-storage-ufs-ufshci-version-30-and-ufs-card

JEDEC：JEDEC即 固态技术协会是微电子产业的领导标准机构。在过去50余年的时间里，JEDEC所制定的标准为全行业所接受和采纳。作为一个全球性组织，JEDEC的会员构成是跨国性的。JEDEC 不隶属于任何一个国家或政府实体。但是华为被制裁时间明显指出，这是一家美国的附属组织。

UFS替代谁

请注意UFS存储是用来为下一代存储而发展的相关技术，其性能比较是和eMMC来比较的，并不是和NAND Flash比较，因为eMMC是NAND的进化版本，其性能来讲eMMC是秒杀Nand Flahs的；而eMMC的协议已经多年未更新了，且eMMC的数据时序标准似乎到达瓶颈，所以很难再有新的发展了，而且并行8总线的eMMC因为需要并行-串行转换，所以速率很难提升上去。而串行方式的UFS变成新的趋势了，其简单连接以及高速率，现在看来会在未来一段时间称为新的存储趋势。

数据传输形式：

• eMMC为半双工结构，同一时间下只能读取或者写入，但是UFS是全双工结构，既可以读取又可以写入。
• UFS使用的是差分传输结构，而eMMC使用的是单线传输形式需要考虑噪声容限等指标，且信号电平要高于UFS，因此速率受限不如UFS。

具体的速率比较如下，eMMC与UFS：
eMMC与UFS相比，其总线数量太多，但最终处理都是要变为串行机器码的，所以如果eMMC协议没有革新，则被UFS取代只是时间问题。况且因为温度导致的时序飘移等情况，在eMMC5.1版本下，为了优化在HS400模式下这个问题，专门增加了strobe这个引脚来自适应时序对其，如果eMMC再升高传输模式，则就需要做出新的改变。故从14年之后目前没有新的eMMC标准出来了。

请注意，以下的速率是当前一些产品平均可以实际达到的速率，并不是标准规范的速率：

具体的速率比较如下，eMMC、UFS与SATA：
UFS、eMMC、SATA性能比较，图中比较的是最高的理论速率，所以实际的物理连接速率可能低于此值，具体看配置（以下的SATA 为 X2的总线形式，当然总线越多速率越高）。
请注意如下是标准规定可以达到的最高速率：

eMMC与UFS总线传输形式

总线传输形式不一样，虽然都是同步传输方式，即就是都需要时钟信号作为参考；

• eMMC使用8条数据总线做复用（地址和数据，发送和接收），外加命令线以及新增的STROBE线；需要的IO口很多，比较复杂；
• UFS需要两组差分线，一条是时钟线就可以了，并且是双向数据发送接收，全双工；IO口配置也比较简单，就像USB3.0一样。

如下所示：


更详细的连接描述：

UFS传输协议：

UFS卡架构基于最先进的行业验证协议：移动行业处理器接口（MIPI）的M-PHY和UniPro，物理层和链路层采用JEDEC联盟标准，命令层采用SCSI命令。
UFS使用UniPro作为数据链路层。 UniPro仅支持点对点链接，因为它们需要设备所需的最高数据速率。
UFS主机UniPro IP的主要组件是AXI接口，UFS主机控制器接口，UFS传输协议层（UTP），传输层，网络层，数据链路层，PHY适配器层和M-PHY。

如下图所示：

从实际的物理信号传输比较

UFS相比于eMMC的优势：
1）抗EMI和串扰
如果从差分导体外部引入EMI或串扰，则将其同等地添加到反相和非反相信号。
因此，接收器电路极大地降低了干扰或串扰的幅度。
2）降低EMI和串扰
差分对中的两个信号产生（理想情况下）幅度相等但极性相反的电磁场。
这适用于UFS卡，并确保两个导体的发射在很大程度上相互抵消。
3）更好的信噪比
UFS卡中的差分信号可以使用较低的电压，并且由于提高了抗噪声性能，仍然保持足够的信噪比（SNR），而SD卡中的单端信号需要稳定的高电压以确保足够的SNR。
4）接收器电路的复杂性降低
将差分信号集成到UFS卡中，确定逻辑状态更简单，
就像比较反相和非反相信号的电压一样。
然而，在SD卡的单端系统中，接收器电路更复杂，应考虑参考电压的值以及变化和容差。
5）专业物理/链接和命令层的优点

UFS应用电路：
下图显示了UFS卡的推荐原理图，其中包含所有信号连接和无源元件。
1）连接在CLK线上的电阻的目的是通过阻尼减少信号失真和EMI。
作为切换信号的CLK提供高功率谱，因此，阻尼电阻可以通过降低CLK信号的转换速率来降低现象。根据系统环境，该值可在0到47Ω之间选择。从实际角度来看，如果CLK迹线被布线为带状线或在内层，则可以去除串联阻尼电阻。
2）电源电容
电源引脚电容用来退耦以及储能。

Reference：

http://en.siliconmotion.com/EW_Pages/Ferri-UFS_whitepaper.pdf
http://www.teeltech.com/wp-content/uploads/2017/05/Teel-Tech-Dediprog-Brochure.pdf