Память UFS: как работает и чем отличается от eMMC и SSD

Вы, вероятно, сталкивались с аббревиатурой UFS, когда речь заходит о характеристиках памяти смартфона. В описании устройства обычно указан номер версии, например, UFS 2.2, UFS 3.1 или UFS 4.0.

Все мы понимаем, что такое хранение данных, но что такое память UFS и в чем разница между её различными версиями?

UFS расшифровывается как Universal Flash Storage и представляет собой стандарт памяти, который отличается от других типов, таких как eMMC и SSD. Последний, как вы знаете, обычно используется в компьютерах.

Давайте подробнее рассмотрим, что означают эти аббревиатуры и почему они важны для нашего опыта использования устройства.

Что такое память UFS

Что означает UFS

UFS, как мы указывали во введении, означает Universal Flash Storage и является стандартом, установленным JEDEC (Объединенным советом по разработке электронных устройств).

Этот орган определяет UFS как «открытый, высокопроизводительный стандарт, предназначенный для использования в устройствах, где энергопотребление должно быть сведено к минимуму», уточняя, что он также предназначен для использования в «мобильных системах, таких как смартфоны и планшеты, и автомобильных приложениях».

Наконец, JEDEC добавляет, что «Высокоскоростной последовательный интерфейс и оптимизированный протокол позволяют значительно повысить пропускную способность и производительность системы».

Это определение позволяет нам понять две важные вещи: UFS спроектирован так, чтобы обеспечить высокую скорость и большую эффективность. Что касается использования, то он предназначен для смартфонов и цифровых фотоаппаратов, но, в целом, для бытовых электронных устройств.

Важно отметить, что стандарт включает в себя как постоянно подключенные (встроенные) пакеты внутри устройства (eUFS), так и съёмные карты памяти UFS.

Типы памяти UFS

Спецификация UFS исторически поддерживалась такими компаниями, как Nokia, Sony Ericsson, Texas Instruments, STMicroelectronics, Samsung, Micron и SK Hynix для замены eMMC. Эти компании в 2003 году создали MIPI Alliance, ответственный за разработку стандартов M-PHY и UniPro.

Рождение UFS датируется 2010 годом, когда была основана Universal Flash Storage Association (UFSA), которая выпустила первый стандарт в 2011 году.

За ним последовала UFS 1.1 в 2012 году и UFS 2.0 в 2013 году. Это был важный шаг, поскольку он позволил увеличить пропускную способность, повысить безопасность и повысить экономию энергии. В 2018 году появилась UFS 3.0, обеспечивающая более высокую скорость передачи данных.

В 2020 году появился стандарт 3.1, а в 2022 году Samsung анонсировала версию 4.0, скорость которой достигает 23,2 Гбит/с благодаря использованию MIPI M-PHY v5.0 и UniPro v2.0.

На момент написания статьи ведется работа над несколькими улучшениями. В мае 2024 года SK Hynix, южнокорейская компания, производящая микросхемы флэш-памяти и один из крупнейших поставщиков полупроводников в мире, анонсировала новую память ZUFS 4.0 (Zoned UFS). По заявлению компании, это чип флэш-памяти NAND, который повышает эффективность управления данными и оптимизирует передачу данных между операционной системой и устройствами хранения.

В августе 2024 года та же компания анонсировала память UFS 4.1, которая должна удвоить скорость передачи данных по сравнению с UFS 4.0. Тем временем Samsung уже работает над памятью UFS 5.0, призванной улучшить производительность моделей искусственного интеллекта на устройстве.

На каких устройствах используется UFS-память

Это не означает, что вся память UFS, представленная в настоящее время на рынке, является UFS 4.0: можно найти устройства с памятью UFS2.0, UFS2.1, UFS3.0, UFS3.1 или UFS 4.0 (память UFS 4.1 запланирована на 2025 год).

Ниже вы можете найти список устройств, на которых используется память UFS:

• Смартфоны и планшеты. Хранилище UFS обычно используется для хранения данных в смартфонах и планшетах высокого класса из-за её высокой скорости и надёжности. Благодаря хранилищу UFS мобильные устройства могут обеспечить более быструю загрузку приложений, более быстрый доступ к данным, большую скорость и улучшенную общую производительность.
• Цифровые фотоаппараты и видеокамеры. Хранилище UFS часто используется в цифровых фотоаппаратах и видеокамерах для хранения фотографий и видео высокого разрешения. Высокая скорость записи хранилища UFS позволяет быстрее сохранять большие файлы, а высокая скорость чтения позволяет быстрее передавать файлы на компьютер.
• Автомобильный сектор. Хранилище UFS всё чаще используется в автомобильных приложениях, таких как информационно-развлекательные системы, усовершенствованные системы помощи водителю (ADAS) и навигационные системы. Быстрое время запуска и быстрый доступ к данным делают его незаменимым для приложений реального времени в автомобильной промышленности. Хранилище UFS снижает общий риск износа устройства хранения, позволяя устройству хранения информировать хост о чрезмерных изменениях температуры, позволяя хосту снизить нагрузку или принять меры для снижения температуры устройства.
• Виртуальная реальность (VR) и дополненная реальность (AR). Хранилище UFS идеально подходит для устройств VR и AR, которым требуется высокоскоростное хранилище с малой задержкой. Эти устройства могут быстро загружать и обрабатывать большие объемы данных.
• Носимые устройства. UFS также используется в носимых устройствах, таких как умные часы и фитнес-трекеры, где важна высокоскоростная память с низким энергопотреблением. Носимые устройства могут обеспечить более длительный срок службы батареи, особенно при использовании режима гибернации UFS.
• Жёсткий диск (HDD). Архитектура хранилища HDD сочетает в себе традиционные вращающиеся диски с технологией OptiNAND. В накопитель добавлен встроенный флэш-накопитель iNAND UFS, который, наряду с фирменной прошивкой и улучшениями SoC, предназначен для удовлетворения потребностей корпоративных клиентов в хранении данных.

Как работает память UFS

Система хранения UFS использует комбинацию аппаратного и программного обеспечения для хранения и извлечения данных на микросхемах энергонезависимой флэш-памяти.

В частности, стандарт UFS использует многоуровневую архитектуру: сначала происходит разделение между хостом и устройством. Хост обрабатывает передачу данных от процессора приложения на устройство в качестве микросхемы хранения (интегральной схемы), а устройство обрабатывает микросхемы флэш-памяти и другие аппаратные компоненты.

Внутри компонентов у нас есть уровень контроллера хоста/устройства UFS, транспортный уровень (UniPro) и физический уровень (MIPI M-PHY), которые мы упоминали в предыдущей главе.

Система очереди команд управляет передачей данных между хостом и устройством. Такой подход позволяет устройству обрабатывать несколько запросов на чтение и запись одновременно, повышая производительность.

Мы также упомянули, что хранилище UFS использует передовые методы управления питанием для снижения энергопотребления. Например, этот тип памяти поддерживает функцию, называемую «регулированием мощности», которая позволяет отключать неиспользуемые компоненты для экономии энергии.

По соображениям безопасности UFS должен шифровать/дешифровать полезную нагрузку, также устройство UFS запрещает запись в своё местоположение, если оно настроено как защищенное от записи, при этом ограничений на чтение нет.

Чтобы решить эту проблему, контроллер UFS шифрует данные при записи и расшифровывает данные при чтении. Поддерживаются различные алгоритмы шифрования: AES-XTS, Bit locker-AES-CBC, AES-ECB и ESSIV-AES-CBC, с разными размерами ключей AES: 128, 192 и 256 бит (чем больше размер ключа, тем выше безопасность).

Каковы различия между версиями памяти UFS

В предыдущих главах мы упоминали, что с 2010 года, года основания Universal Flash Storage Association, было выпущено несколько версий UFS.

Версия UFS 2.0

UFS 2.0 был запущен в 2013 году как обновление версии 1.1, выпущенной в 2012 году. Эта версия под номером JESD220B отличается увеличенной пропускной способностью на полосу (600 МБ/с вместо 300 МБ/с) и удваивает количество полос (2 вместо 1), с общей пропускной способностью 1200 МБ/с вместо 300 МБ/с.

Также были представлены дополнительные функции безопасности и энергосбережения (последнее на 50% меньше) по сравнению с UFS v1.1, версия M-PHY повышена до 3.0, а UniPro – до 1.6.

Эта память имеет следующие значения чтения и записи:

• Последовательное чтение (Мбит/с): 350 Мбит/с (128 ГБ), 850 Мбит/с (256 ГБ)
• Последовательная запись (Мбит/с): 150 Мбит/с (128 ГБ), 260 Мбит/с (и 256 ГБ)
• Произвольное чтение (IOP/сек): 19 000 (128 ГБ), 45 000 (256 ГБ)
• Произвольная запись (IOP/сек): 14 000 (128 ГБ), 40 000 (256 ГБ)

Доступные варианты памяти составляли 128 ГБ и 256 ГБ, а в 2015 году семейство Samsung Galaxy S6 стало первым телефоном, поступившим на рынок с памятью eUFS, использующим стандарт UFS 2.0 (ранее использовался стандарт eMMC).

UFS 2.0 был реализован в чипах Snapdragon 820 и 821, Kirin 950 и 955 и Exynos 7420.

Версия UFS 2.1

В 2016 году появился стандарт UFS 2.1, который поддерживает многие функции версии 2.0, что делает его на 20% более безопасным. Варианты памяти меняются, достигая 512 ГБ и 1 ТБ, а стандарт впервые поддерживает автомобильный сектор.

UFS 2.1 реализован в чипах Snapdragon 712 (710 и 720G), 730G, 732G, 835, 845 и 855, Kirin 960, 970 и 980, а также Exynos 9609, 9610,[34] 9611, 9810 и 980.

Также увеличивается скорость записи и чтения:

• Последовательное чтение (Мбит/с): 860 Мбит/с (при 512 ГБ)
• Последовательная запись (Мбит/с): 255 Мбит/с (при 512 ГБ)
• Произвольное чтение (IOP/сек): 42 000 (при 512 ГБ)
• Произвольная запись (IOP/сек): 40 000 (при 512 ГБ)

Версия UFS 2.2

В 2018 году был анонсирован стандарт 3.0, но сначала давайте поговорим о стандарте UFS 2.2, анонсированном в 2020 году. Этот стандарт сохраняет те же характеристики, что и 2.1, но в соответствии с JEDEC.

Целью этого стандарта является определение электрического интерфейса универсального флэш-накопителя и устройства хранения данных. Этот стандарт определяет уникальный набор функций универсального флэш-накопителя, который включает в себя набор функций стандартов eMMC в качестве подмножества 2.1 и представляет функцию под названием WriteBooster.

Что такое WriteBooster? WriteBooster сокращает время запуска приложения, а также сокращает время загрузки кэша.

Запуск браузера или другое действие с устройства, использующего UFS 2.2, будет иметь значительно более быстрое время отклика, чем предыдущее поколение 2.1.

Скорость чтения и передача данных не были увеличены или улучшены по сравнению с версией 2.1, равно как и параметры памяти.

Версия UFS 3.0

Наконец, мы подошли к версии UFS 3.0, которая, как мы уже говорили, была анонсирована в 2018 году. Эта версия значительно увеличивает пропускную способность на полосу, которая достигает 1450 МБ/с, в общей сложности 2900 МБ/с, M-PHY переходит в версию 4.1 и UniPro – 1.8.

Варианты памяти стандарта UFS 3.0 доходят до 512 ГБ, а вот их скорости записи и чтения:

• Последовательное чтение (Мбит/с): 2100 Мбит/с (при 512 ГБ)
• Последовательная запись (Мбит/с): 410 Мбит/с (при 512 ГБ)
• Произвольное чтение (IOP/сек): 63 000 (при 512 ГБ)
• Произвольная запись (IOP/сек): 68 000 (при 512 ГБ)

В мае 2019 года OnePlus выпустила серию OnePlus 7, первые смартфоны со встроенной eUFS 3.0, за ней последовал оригинальный Galaxy Fold, который должен был стать первым, но запуск которого был отложен.

UFS 3.0 реализован в чипах Snapdragon 855, 855+, 860, 865, Exynos 9820-9825 и Kirin 990.

Версия UFS 3.1

Стандарт UFS 3.1 появился в 2020 году и продемонстрировал заметное улучшение скорости записи и чтения при сохранении многих функций стандарта UFS 3.0:

• Последовательное чтение (Мбит/с): 2100 Мбит/с (512 ГБ)
• Последовательная запись (Мбит/с): 1200 Мбит/с (улучшение в 3 раза) (512 ГБ)
• Произвольное чтение (IOP/сек): 100 000 (улучшение в 1,6 раза) (512 ГБ)
• Произвольная запись (IOP/сек): 70 000 (улучшение в 1,3 раза) (512 ГБ)

UFS 3.1 реализован в чипах Snapdragon 855+/860, Snapdragon 865, Snapdragon 870, Snapdragon 888, Exynos 2100 и Exynos 2200.

Версия UFS 4.0

Наконец, мы подошли к 2022 году с выпуском стандарта UFS 4.0, что стало огромным шагом вперёд по сравнению с прошлым. Стандарт переходит на скорость 2900 МБ/с на полосу пропускания, что в общей сложности составляет 5800 МБ/с, тогда как M-PHY переходит на версию 5.0, а UniPro – на 2.0.

Эффективность повышена на 46% по сравнению с предыдущим поколением, а безопасность увеличена в 1,8 раза благодаря блоку памяти Advanced Replay Protected Memory Block (RPMB). RPMB позволяет системе хранить данные в определенной области памяти, где аутентификация защищена от атак повторного воспроизведения, так что пользователи могут безопасно хранить важные данные, такие как идентификаторы или пароли.

Компания Samsung разработала уникальный контроллер, использующий 176-слойную V-NAND седьмого поколения, а MIPI M-PHY 5.0 обеспечивает передачу данных со скоростью до 23,2 Гбит/с, что вдвое превышает скорость UFS 3.1. UFS.

• Скорость чтения: 4200 МБ/с.
• Скорость записи: 2800 МБ/с (в 1,6 раза больше, чем в UFS 3.1)

Стандарт был реализован в чипах MediaTek Dimensity 9200, MediaTek Dimensity 8300 и Snapdragon 8 Gen 2.

Версия UFS 4.1

Анонсированное в августе 2024 года компанией SK Hynix хранилище UFS 4.1 представляет собой улучшение скорости по сравнению с UFS 4.0.

Корейская компания показала на саммите FMS 2024 две памяти: одну на 512 ГБ и одну на 1 ТБ. Подробные характеристики пока официально не опубликованы, но, согласно утечке в сеть, эти модули памяти основаны на 321-уровневом стеке флэш-памяти V9 объемом 1 ТБ TLC NAND.

Samsung также анонсировала эти модули памяти на платформе Weixin, назвав их 4-полосной UFS 4.0. По всей видимости, UFS 4.1 – это практически память UFS 4.0 с 4-полосной CS (Chip Select) вместо двойной. Это должно позволить удвоить скорость с 4 ГБ/с до 8 ГБ/с, что даст большое преимущество в операциях ИИ на устройстве.

Согласно сообщениям, эта версия памяти также должна гарантировать лучшую энергоэффективность.

В ноябре 2024 года китайский производитель iQoo представил новый смартфон iQoo 13 с процессором Snapdragon 8 Elite и памятью UFS 4.1.

iQoo подтвердил увеличение скорости установки приложений на 50% и передачи данных на 36% (по сравнению с UFS 4.0).

Позже Samsung Galaxy S25 Ultra, который будет представлен в начале 2025 года, также должен будет иметь новые модули памяти UFS.

Версия UFS 5.0

В будущем уже готовится память UFS 5.0, которая должна иметь пропускную способность 10 ГБ/с. Samsung анонсировала её снова, на том же графике, на котором представлена память UFS 4.1 (четырёхполосная UFS 4.0).

Подробностей об этом не так много, кроме ожидаемой скорости этой памяти, которая, следовательно, обещает быть незначительным обновлением по сравнению с переходом с UFS 4.0 на UFS 4.1.

Однако, мы знаем, что UFS 5.0 появится на рынке не раньше 2027 года.

Карты памяти UFS

Есть ещё один последний аспект, который следует учитывать. До сих пор мы говорили об интегрированной памяти, но, как мы уже говорили, существуют также карты памяти, определенные стандартом UFS Card.

Этот стандарт, запущенный в 2016 году в версии 1.0, имеет только 1 полосу. Первая версия предлагала пропускную способность 600 МБ/с, а также поддержку M-PHY 3.0 и UniPro 1.6.

Версия 1.1 появилась в 2018 году, а в 2020 году мы перешли на версию 3.0, которая обеспечила пропускную способность 1200 МБ/с в дополнение к версиям M-PHY 4.1 и UniPro 1.8.

Эти карты памяти всё ещё довольно редки по сравнению с более распространенными картами microSD.

В чём разница между памятью UFS и eMMC

Когда слышишь о eMMC, будь то на телефонах или компьютерах (где, к счастью, сейчас это редкость), всегда испытываешь чувство пренебрежения или разочарования. Почему?

Начнём с самого начала, eMMC (embedded multimedia card) – это флэш-память MMC, припаянная непосредственно к материнской плате устройства.

Она состоит из трёх элементов: чипа флэш-памяти NAND, контроллера и интерфейса eMMC, которые позволяют памяти взаимодействовать с другими компонентами устройства, «сокращая работу» процессору устройства.

Память eMMC чрезвычайно компактна (она меньше почтовой марки) и дешева и способствовала распространению всё более тонких устройств, таких как смартфоны и планшеты.

Со временем были выпущены разные версии этой памяти, в которых улучшились скорости записи и чтения, но с недостатком: они намного медленнее тех, которые достижимы с памятью UFS.

Например, версия eMMC 4.5 (выпущенная в 2012 году) достигает скорости чтения 140 МБ/с и скорости записи 50 МБ/с. Версия 5.0 (с 2013 года) достигает скорости чтения 250 МБ/с и скорости записи 90 МБ/с, тогда как последняя версия 5.1 (с 2015 года) сохраняет ту же скорость чтения, достигая 125 МБ/с для записи.

Из этих цифр мы уже можем понять различия между UFS и eMMC: память UFS более современна и имеет скорость, аналогичную твердотельным накопителям (позже мы также рассмотрим эту главу).

Но, давайте сначала посмотрим на технические различия. Во-первых, хранилище UFS оснащено последовательным интерфейсом низковольтной дифференциальной сигнализации (LVDS) с выделенными путями чтения/записи. Что это значит?

В памяти eMMC интерфейсная шина состоит из нескольких каналов, которые могут обмениваться данными параллельно. Это означает, что процессор может одновременно обращаться к данным памяти, но в одном направлении, то есть либо к чтению, либо к записи.

Память UFS, с другой стороны, имеет двунаправленный канал, который позволяет процессору одновременно читать и записывать в память.

Есть ещё один важный момент. В то время как в памяти eMMC процессы должны выполняться во временном порядке без порядка важности, т.е. вам нужно дождаться выполнения процесса, прежде чем сможет запуститься второй, даже если последний более важен, в памяти UFS реализована технология Command Queue. Эта функция упорядочивает команды, которые необходимо выполнить, отдавая приоритет наиболее важным из них. Вы также можете выполнить несколько команд одновременно, соответствующим образом изменив порядок.

Одна только UFS 2.0 позволила существенно улучшить ситуацию по сравнению с eMMC. Тем не менее, eMMC остаются намного дешевле и по этой причине их всё ещё можно найти в устройствах бюджетного класса.

В чём разница между памятью UFS и SSD

На этом этапе вам может быть интересно, в чём разница между памятью UFS и памятью SSD. Прежде всего, необходимо учитывать, что хотя UFS используются в интегрированных приложениях, т.е. в таких устройствах, как смартфоны и планшеты, последние используются компьютерами.

Но, в чём разница между ними? Начнём со сходства: память UFS представляет собой флэш-память, подобную памяти eMMC, тогда как более современная SSD-память основана на флэш-памяти (так было не всегда).

Обе не имеют движущихся частей, и данные, сохраненные на обоих, являются энергонезависимыми, то есть они сохраняют информацию, даже когда выключены и не используются.

Однако, различия заключаются в интерфейсе. В хранилище UFS используется последовательный интерфейс, основанный на спецификациях MIPI Alliance , настроенный с учётом требований мобильных устройств. Этот интерфейс обеспечивает совместимость и эффективность.

Напротив, твердотельные накопители, которые теперь используют протокол NVMe, используют преимущества интерфейса PCIe, стандарта высокоскоростной последовательной компьютерной шины расширения. Такой выбор позволяет полностью использовать потенциал флэш-памяти, предлагая высокую производительность и низкую задержку на различных вычислительных платформах.

Что касается скорости, то UFS-память, несмотря на свою отличную производительность, уступает SSD-памяти. Но, прежде всего, они имеют меньшую масштабируемость. Это ключевой момент, поскольку память UFS предназначена для смартфонов и планшетов, а твердотельные накопители подходят как для ноутбуков с объёмом памяти 128 ГБ, так и для самых мощных центров обработки данных.

Наконец, есть аспект энергопотребления, решающий аспект, касающийся двух форм памяти и их применения.

Система хранения данных UFS оптимизирована с точки зрения энергоэффективности и превосходна в этом отношении, что делает её подходящим выбором для лёгких и тонких устройств.

Хотя твердотельные накопители NVMe более энергоэффективны, чем традиционные жесткие диски, они потребляют относительно много энергии, отчасти из-за более высокой производительности.