（本文编译自Electronic Design）
如今闪存的应用无处不在，人们往往对其视而不见，直至其成为性能瓶颈。从基于微控制器的物联网设备固件存储，到为数据中心人工智能加速器提供数据支撑，闪存的应用无处不在。数十年来，NAND闪存的存储密度持续提升、成本不断降低，催生出固态硬盘、U盘、存储卡、智能手机、云存储等全品类消费级及工业级产品。
NAND闪存技术最早可追溯至1987年，彼时东芝（其存储业务现以铠侠品牌运营）推出了这一技术，作为NOR闪存的高密度替代方案。此后，NAND闪存逐步发展出一套包含存储单元架构、控制器及主机接口的完整技术体系，每一代新品均以更高容量、更高吞吐量为研发目标。
但闪存芯片本身只是整个存储方案的一环。对于设计需长期（十年及以上）现场运行的嵌入式系统而言，厘清unmanaged NAND与managed NAND的技术差异至关重要。
在接口层面，长期占据主导地位的eMMC标准正逐步被通用闪存存储（UFS）取代；UFS采用串行架构，可实现更高带宽与更低延迟。
那推动嵌入式系统存储方案向UFS转型有哪些技术动因呢？
SLC、MLC与TLC闪存的区别
在存储单元层面，NAND闪存以离散电荷电平存储信息，每个存储单元的比特数决定了其需要识别的电压电平数量：
单级单元（SLC）：每个单元1比特（2种电平）；
多级单元（MLC）：每个单元2比特（4种电平）；
三级单元（TLC）：每个单元3比特（8种电平）；
四级单元（QLC）：每个单元4比特，目前已进入样品阶段。
Unmanaged SLC是速度最快、稳定性最强的闪存类型，但通常仅提供低存储密度。MLC和TLC通过为每个存储单元编码更多比特提升存储容量，但其代价是需要更复杂的传感、纠错及管理机制，这会给系统中的主处理器带来额外开销。
目前，绝大多数量产应用均采用3D TLC闪存，因其能为现代各类应用实现密度、成本与耐用性的最佳平衡。
Unmanaged与Managed NAND的差异核心在于闪存控制器
闪存主要分为两种类型：一是unmanaged，行业内称之为裸片NAND；二是managed NAND。
裸片NAND方案中，存储厂商可在单个封装内集成1至16颗裸片NAND芯片，系统中的主处理器或外置闪存控制器需负责纠错编码、磨损均衡、坏块管理、逻辑-物理地址映射及垃圾回收等全部相关操作。
该方案虽能为OEM厂商带来最大化的设计灵活性，但也使其承担了全部的管理责任。开发一套高可靠性的闪存转换层并非易事，尤其是在闪存存储架构与耐用性限制持续升级的背景下。
与之相反，managed NAND将一颗或多颗闪存芯片与专用控制器集成在同一封装内。其内置控制器可屏蔽闪存的底层复杂操作，仅向主机端提供简洁的块设备接口。闪存的性能与稳定性能从专业化的管理中大幅获益，这也是电子行业向managed闪存全面转型的核心原因。
图1：剖面图展示了一款managed NAND器件，该器件通过引线键合集成了控制器与NAND裸片。
Managed闪存拥有两种被广泛采用的接口标准：eMMC和UFS。借助这些标准，设计人员可完全省去底层闪存管理的工作，将精力聚焦于系统级功能的开发。
什么是eMMC？其如何解决嵌入式存储的碎片化问题？
21世纪初，移动设备领域深陷NAND接口不兼容、厂商专属指令各异、控制器定制化的混乱局面。每一款新手机的研发，都需要配套开发新的驱动程序、新的启动代码，硬件也往往需要重新设计。
彼时，电子行业迫切需要一套统一的指令集、可预判的管理型闪存工作特性、跨厂商的即插即用替换性，以及一套简化的块设备存储访问方式。MMC协会与JEDEC协会联合制定了eMMC标准，以此回应行业需求。
eMMC标准的首个版本于2006年问世，行业迅速向该标准靠拢。到2010年，它已成为智能手机、平板电脑及其他消费电子设备中，嵌入式闪存所采用的主流存储接口。
eMMC精准满足了当时市场的迫切需求：简洁的设计、统一的标准，以及可预判的工作表现。
什么是UFS？其为何在高性能系统中可取代eMMC？
但随着智能手机开始支持更高清视频拍摄、运行更复杂的操作系统，且能处理更大体量的应用程序（甚至同时运行多款），eMMC的性能逐渐力不从心。其采用的并行半双工接口同一时间仅能执行读或写操作中的一种，无法同时进行。即便是最高规格的eMMC，峰值吞吐量也仅能达到约400MB/s，在数据密集型、多任务处理的应用环境中形成了性能瓶颈。
为解决这一问题，JEDEC协会于2011年推出UFS标准，将其定位为eMMC的新一代替代方案。UFS摒弃了并行总线设计，转而采用高速串行接口（如图2所示）。这一设计实现了点对点的连接，支持全双工通信，可同时执行读写操作，同时还能实现更低的延迟与更高效的指令处理。
图2：eMMC与UFS闪存存储性能对比。
最新一代eMMC与UFS之间的性能差距十分显著：
eMMC：峰值吞吐量400MB/s
UFS：最高可达4640MB/s
这一提升幅度超过10倍，加之更低的延迟及其他优势，UFS的每比特传输能效也得到大幅优化。这些特性不仅让UFS拥有更快的速度，更使其能更好地适配当下移动与嵌入式系统中持续的高数据量工作负载，包括高分辨率成像、增强现实（AR）、人工智能加速、5G应用以及数吉字节级的数据传输场景。
为何eMMC仍具价值？
尽管二者性能差距悬殊，许多人曾认为eMMC会被逐步淘汰并被UFS完全取代，但这一情况并未发生。嵌入式设计人员仍会为打印机、机顶盒、家用物联网中枢、流媒体设备、低端移动设备，以及搭载无UFS接口老旧处理器的系统等应用选用eMMC。在这些应用市场中，性能并非首要考量因素，成本与简洁性才是关键。
但eMMC所采用的NAND闪存类型正发生转变。以往4GB、8GB、16GB等低密度eMMC产品主要采用MLC NAND闪存，而随着存储行业全面转向3D TLC闪存，MLC闪存的产能正快速缩减，相应地，用于生产MLC闪存的高端光刻设备也已停止新增投产。受此影响，基于MLC的低密度eMMC产品日渐稀缺，基于TLC的eMMC产品则持续留存并完成替代。
eMMC的实际最低可用容量势必向上提升。未来，64GB和128GB的TLC eMMC产品将成为主流，部分厂商还推出了256GB规格的产品，这类大容量产品尤其适用于汽车电子领域。这也形成了一个值得关注的融合点：当前eMMC的容量高端区间，已与UFS的容量低端区间形成重叠。
如何选择eMMC与UFS？
存储厂商为客户提供技术咨询时，发现客户在二者间选型的考量因素呈现出明确的共性：
处理器接口兼容性：众多传统处理器仅支持eMMC，而多款新的SoC仅适配UFS，部分中阶产品则实现双接口支持。近年来，处理器厂商在全新设计中逐步淘汰eMMC接口，这也使得对系统处理器进行升级的企业，默认选择UFS方案。
应用品类：总体而言，UFS在智能手机、平板电脑、AR/VR设备、汽车ADAS、无人机、机器人、安防摄像头、工厂自动化设备及新兴的边缘人工智能平台中占据主流；而eMMC则持续应用于打印机、机顶盒、低成本物联网设备、媒体流媒体设备及传统嵌入式设计领域。
容量发展趋势：随着各类应用的存储需求不断提升，且低密度MLC闪存逐步退出市场，如今选择64GB或128GB存储方案的设计人员，已然迈入UFS的适用范畴。
性能表现：所有客户均认可UFS在吞吐量、延迟性及可扩展性上的绝对优势，对UFS的应用顾虑往往仅集中于一点：自身使用的SoC不支持UFS。
为何UFS正成为下一代嵌入式闪存的默认选择
目前，eMMC与UFS仍各自拥有稳定的市场需求。eMMC在成本敏感型、长生命周期及传统遗留应用场景中仍能充分发挥作用，厂商也将在未来数年持续支持64GB、128GB这类主流容量的eMMC产品。
但行业发展趋势已十分明确：低密度eMMC产品逐步退场，MLC闪存的产能几近耗尽，处理器厂商正逐步取消对eMMC的支持，而UFS在容量、性能上的表现及生态体系的发展势头则持续攀升。在曾完全依赖eMMC的智能手机、平板电脑和个人电脑市场，其未来的技术规划已明确指向纯UFS架构的设计方案。
对于全新的系统设计项目，工程师们理应顺应这一发展方向。尽管eMMC不会在一夜之间退出市场，但UFS正日益成为嵌入式存储领域兼具主流性与未来兼容性的优选方案。