科普：eMMC会被UFS淘汰吗？
提起eMMC，可能有不少小伙伴觉得还挺熟悉。闪存，用途广，离生活也比较近。随着技术的进步，越来越多的移动电子产品采用UFS而非eMMC，这种趋势给人一种eMMC是否要被淘汰，是否达到极限的感觉。今天我们就结合资料，来讲讲eMMC和UFS。
eMMC是什么
eMMC(Embedded Multi Media Card），是MMC协会订立、主要针对手机或平板电脑等产品的内嵌式存储器标准规格。它由一个嵌入式存储解决方案组成，带有MMC（多媒体卡）接口、快闪存储器设备及主控制器。eMMC具有快速、可升级的性能，可以说它是在NAND闪存芯片的基础上，额外集成了控制器，并将二者“打包”封装封成一颗BGA芯片，从而减少了对PCB主板的空间占用，也是移动设备中普及度最高的存储单元。
针对Flash的特性，其内部已经包含了Flash管理技术，包括错误探测和纠正，flash平均擦写，坏块管理，掉电保护等技术。
eMMC内部是把NAND Flash芯片（Flash内存阵列）、Device Controller芯片（也叫Flash控制器、eMMC控制器）封装在一块。Flash控制器负责管理内存，并且提供标准接口，使得EMMC能够自动调整主机与从机的工作方式，没有位数限制，不需要处理其他繁杂的NAND Flash兼容性和管理问题，同时，控制器是其他应用和多媒体总线之间的联系介质，它能在应用程序总线和标准多媒体总线之前完成协议转换。
eMMC整体架构
速度：
eMMC4.4的读取速度大约为104MB/s、eMMC 4.5则为200MB/s，eMMC 5.0存储产品，其读取速度为400MB/s，而eMMC 5.1规范来说，其理论带宽为600MB/s左右。然而，其性能潜力已经基本到达瓶颈。
各组成部分
NAND Flash
NAND Flash是一种非易失性的存储器，通常在嵌入式系统中用于存放系统、应用和数据等，类似与 PC 系统中的硬盘。
eMMC在内部对NAND Flash划分了几个主要区域，如下所示：
1、BOOT Area Partition 1&2
此分区主要是为了支持从eMMC启动系统而设计的。
该分区的数据，在 eMMC 上电后，可以通过很简单的协议就可以读取出来。同时，大部分的 SOC 都可以通过 GPIO 或者 FUSE 的配置，让 ROM 代码在上电后，将 eMMC BOOT 分区的内容加载到 SOC 内部的 SRAM 中执行。
2、RPMB Partition
RPMB 是 Replay Protected Memory Block 的简称，它通过 HMAC SHA-256 和 Write Counter 来保证保存在 RPMB 内部的数据不被非法篡改。
在实际应用中，RPMB 分区通常用来保存安全相关的数据，例如指纹数据、安全支付相关的密钥等。
3、General Purpose Partition 1～4
此区域则主要用于存储系统或者用户数据。General Purpose Partition 在芯片出厂时，通常是不存在的，需要主动进行配置后，才会存在。
4、User Data Area
此区域则主要用于存储系统和用户数据。
User Data Area通常会进行再分区，例如Android系统中，通常在此区域分出boot、system、userdata等分区。
Flash Controller
NAND Flash直接接入Host时，Host端通常需要有NAND Flash Translation Layer，即NFTL或者NAND Flash 文件系统来做坏块管理、ECC等的功能。
eMMC则在其内部集成了Flash Controller，用于完成擦写均衡、坏块管理、ECC校验等功能。相比于直接将NAND Flash接入到Host端，eMMC屏蔽了NAND Flash的物理特性，可以减少Host端软件的复杂度，让Host端专注于上层业务，省去对NAND Flash进行特殊的处理。同时，eMMC通过使用Cache、Memory Array等技术，在读写性能上也比NAND Flash要好很多。
标准接口
eMMC与Host之间的通信线，如下：
总线上信号用途如下：
（1）CLK
用于同步的时钟信号。
（2）Data Strobe
此信号是从Device端输出的时钟信号，频率和CLK信号相同，用于同步从Device端输出的数据。该信号在eMMC 5.0中引入。
（3）CMD
此信号用于发送Host的command和Device的response。
（4）DAT0-7
eMMC的双向数据总线，用于主机和设备之间的数据通信。它工作在应对快速的命令传输的推挽模式。DAT线在某一时刻只能支持单向传输，只能被设备或eMMC HOST一方控制。默认下，当用户上电或者复位的时候，仅能用DAT0一根线传输数据。同时，用户可以自己配置想要使用的DAT线的数量，也可以选择4根或者8根。当用户选择4根时，eMMC设备会断DAT1-3的内部上拉，如果用户选择的是8根，那么同理会断开DAT1-7的上拉。
Host与eMMC之间的通信都是Host以一个Command开始发起的。针对不同的Command，Device会做出不同的响应。
eMMC的操作模式
eMMC的五种操作模式：开机模式、ID辨识模式、中断模式、数据传输模式、无效模式。
什么是UFS
UFS，即Universal Flash Storage，中文名为“通用闪存存储”。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。
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。
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。
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。
UFS应用电路：
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。
eMMC与UFS的比较
eMMC的设计概念，就是为了简化内存储器的使用，将NAND Flash芯片和控制芯片合二为一。客户只需要采购eMMC芯片，放进裝置中，不需处理其它繁复的NAND Flash兼容性和管理问题。
它的最大优点是缩短新产品的上市周期和研发成本，加速产品的推陈出新速度，且相对便宜。
eMMC便宜的一大原因就是标准化。标准就可以大规模生产，大规模流通，大规模压货，大规模使用。产量增大，成本自然就低。所以eMMC的大规模性就决定了他的成本很有优势。eMMC便宜的另一大原因是内部使用MLC而不是SLC。实际上SLC的成本要远高于MLC的，但市场上流通的Nand很多还是SLC，为什么？因为MLC“质量”太差了，太容量出现坏块和翻转等，所以广泛使用的Nand还都是SLC的。因此它可以做到容量大、使用简单、价格便宜。
Tip：
·SLC
SLC(Single-Level Cell，单层单元)SSD在每个单元中存储一个Bit，这种设计提高了耐久性、准确性和性能。对于企业的关键应用程序和存储服务，SLC是首选的闪存技术。当然，它的价格最高。
·MLC
MLC(Multi-Level Cell，多层单元)架构可以为每个单元存储2个Bit。尽管在存储单元中存储多个Bit似乎能够很好地利用空间，在相同空间内获得更大容量，但它的代价是使用寿命降低，可靠性降低。相对而言，MLC SSD使得在PC和笔记本电脑上增加闪存成为可能。
UFS采用串行数据传输技术，只有两个数据通道但速率超越eMMC，工作模式为全双工模式，同一条通道允许读写传输，而且读写能够同时进行，传输效率效率提高。不论是数据传输技术，还是工作模式，UFS都全面领先于eMMC。
在目前智能手机的性能框架下，无论是UFS还是eMMC都无法发挥其理论速率，但总体而言，全双工模式、串行数据传输技术的UFS优于半双工模式、并行数据传输eMMC是毋庸置疑的。从未来的发展趋势来看，UFS显然比eMMC更加适合移动设备，也更加符合移动设备的发展进程。
但就现阶段来看，eMMC也不会马上被淘汰，更低的成本、更大的产量以及足够使用的性能还能适用于目前的移动设备。UFS也并非万能，综合各种因素，还不足以完全覆盖eMMC使用领域。eMMC的目标应用是对存储容量有较高要求的工业级及消费类电子产品，现在的许多车载电子、智能电视、AI Speaker、Wearable、VR/AR 以及Automotive已经逐步抛弃Nor或Nand，使用更为先进的eMMC芯片。
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
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本文综合自网络
参考资料：
1、https://blog.csdn.net/wangteng12345678/article/details/110311519
2、https://blog.csdn.net/wangguchao/article/details/102859553
作者：口袋里のInit
3、https://blog.csdn.net/u014645605/article/details/52061034
4、https://zhuanlan.zhihu.com/p/132387921
作者：朱有鹏
5、https://www.zhihu.com/people/icmaxhong-wang-ban-dao-ti
参考宏旺半导体部分内容
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