超移动设备的存储器市场趋势与解决方案

Kingston产品行销处处长余昭伦

为了因应智能手机、平板电脑与超极致电脑(Ultrabook)等这些超移动设备的轻薄化趋势，建构于超移动设备内部的脑容量(DRAM、Flash)无论是传输速度、界面标准，以至于封装形式也都随着进化，并朝向未来系统程序与数据储存应用的大一统局面…

Kingston产品行销处处长余昭伦认为，无论是智能手机(Smartphone)、平板电脑(Tablet)到英特尔力推的超极致电脑(Ultrabook)，这些超移动设备均具备纤细外观与轻盈体态，能随时开机、随时联网(Always on, always connect)，具备长效电池供电寿命以及多工运算能力，这些都需要高效能、低功耗、多芯片构装(MCP)且低成本的存储器。

Ultra Mobile存储器市场趋势

余昭伦指出，目前Smartphone、Tablet、Ultrabook在数据储存的设计上，采用eMMC、eMMC/SSD、SSD/HDD，动态存储器(DRAM)部份则使用LPDDR、LPDDR/DRAM、DRAM；硬件与作业平台部份，Smartphone多半使用ARM处理器，搭Android系统或者将来的WOA(Windows on ARM)，Ultrabook则使用Wintel(Windows+Intel)或未来的WOA，Tablet部份则有ARM+Android、Wintel与WOA的选择。

在存储器？储存科技进展上，数据储存的eMMC4.5传输速率200MB/s，将进展到eMMC4.51(维持200MB/s)并加强数据安全的功能，将来走向串行化的UFS 3Gbps(提升到300MB/s)；Mobile DRAM部份将从LPDDR2的3.2GB/s传输速率，进入LPDDR3的6.4GB/s，再进入到Wide I/O界面所提供的12.8GB/s高传输速率；SSD部份将从现有的SATA2 3Gbps、SATA3 6Gbps进入到PCIe Multi lane(多线道PCIe)的界面设计。

而超移动设备所需要的GB储存容量，光Smartphone从2010年3亿只增到2015年估计12亿只手机，平均每部手机搭配的NAND Flash容量，将从5.5GB一路增加到7.6GB、10.8GB、14.9GB、19.7GB、25.1GB；而Tablet从2010全球2,000万部到预估2015年全球2.4亿部出货量，每部平板电脑平均搭配NAND Flash容量从28.7GB逐年增加到30.1GB、37.6GB、56.8GB、76GB、96.1GB。加计Smartphone以及Tablet，2012年全球有4.5亿部移动设备均使用eMMC。

eMMC规格与技术演进

余昭伦先介绍eMMC (embedded MultiMedia Card)，eMMC是JEDEC协会所推出的低成本的数据存储媒体规范，JEDEC同时也是制定DRAM以及NAND flash相关规格的组织。藉由NAND 快闪存储器与MMC 控制芯片的多芯片FBGA封装方式，eMMC可达成超移动设备所要求的轻薄外型，eMMC的电性规格则比一般MMC/SD card强调省电、数据安全以及随机存取速度，适合智能手机、平板电脑、数码镜头、MP3播放机、GPS、电子书、电子玩具以及电玩机等应用领域。

余昭伦指出，目前NAND flash 被大量的应用在消费性电子产品上，除了轻薄的优点之外，成本竞争力是最大考量，半导体制程的时代演进可以使单位成本逐年下降，NAND flash去年的主流制程是3xnm，今年则是2xnm甚至转入1xnm，几乎每年一个新制程，演进速度快过半导体摩尔定律。另外，MLC (Multi-Level Cell)技术的导入使成本更进一步下降，目前的主流是2-bit-per-cell，有些应用甚至使用更低成本的3-bit-per-cell。

其次，每一个时代的NAND Flash规格也不断再改变，新时代NAND Flash有更高的位元错误率、更大的记忆页(larger page)与抹除区块(larger block)、AC时脉信号改变，以及新命令的增加，这些新的规格需要新的CPU来管理，传统主控CPU(Host CPU)无法每一年为新的NAND Flash更新，因为不具备成本效益，因此藉由Flash Controller快闪存储器控制芯片做为NAND Flash与Host CPU之间桥梁。

但即使有Flash Controller与NAND Flash沟通，传统HOST CPU仍需负责档案转换层(FTL)、驱动程序(Drivers)与ECC修正；eMMC藉由将MMC Controller跟NAND Flash封装成一颗芯片的方式，由eMMC内部做好 FTL、Drivers与ECC，传统HOST CPU仅需透过MMC Bus直接读写数据即可，如此可为CPU省去不少麻烦。

余昭伦也提到，JEDEC定义的eMMC封装上有169-ball与153ball FBGA两种，尺寸有11.5 x 13 x 1.3 (153ball)、12 x16 x 1.4 (169ball)、12 x 18 x 1.4 (169ball)与14 x 18 x 1.4 (169ball)，所有的信号接脚均为兼容的设计。eMMC从v4.4开始提供开机操作(Boot operation)功能，对智能手机来说可以省下SRAM与NOR Flash元件。

Sleep Mode提供待机与睡眠模式之间的切换以达到节电功能，Reliable write实时突然电力中断，仍可确保数据存在无误，Replay Protected Memory Block (RPMB)设定某区域编码防护，需有口令与开启锁钥才能存取使用，Multiple Partition可划分不同分割区用不同的OS开机，并指定某一区域使用RPMB区域。

从eMMC v4.41开始，加入Background Operations背景操作与High Priority Interrupt (HPI)，可以使eMMC优先执行最重要的指令，以解决NAND flash无法同时读与写的困境，此项功能可说是专为智能手机所设计的。

eMMC v4.5增加了HS200、Discard、Sanitize、Packed commands、Context IDs、Power off notification、Data Tag、RTC等功能。HS200保留过去eMMC 26/52/104MB/s传输速率的兼容性，并新增加200MHz操作时脉。

另外新增加的命令部份，像是Discard可让host定义无效的存储器区块；Sanitize命令，则提供主控装置下达抹除指令时，真正对储存该数据的实体区块进行彻底抹除的功能，如此可避免几年前像陈冠希把私密数据删除，但实体数据还存在而导致照片外流的情况；Packed command可将待处理的命令依照其运作特性，分门别类的分组封包起来，做有效率的批次处理以增加整体系统运作效率，Data Tag针对储存数据被存取叫用的频繁次数做标签分类化，可增加系统处理的效率，Power off notification则是当装置突然要断电时，主控芯片会发通知给eMMC控制器芯片，让它断电之前可以预先因应。

结合eMMC与SSD大一统的UFS

余昭伦指出，Universal Flash Storage (UFS)将以往eMMC安全、低功耗、小尺寸封装的应用，以及SSD串行化高速界面、SCSI命令格式、高效能的应用做统合，未来将有UFS规格的UFS Card产品，或适用于嵌入式应用的eUFS存储器芯片。

UFS架构上，使用到由手机？产业链业者共同遵循的MIPI(Mobile Industry Processor Interface)的M-PHY实体层技术，往上整合UniPro(CSI-3、DSI-2、UFS)界面层，并且在协议层阶段纳入目前仅SATA SSD才具备的SCSI命令集的支持与处理能力。UFS等于是结合了SSD与eMMC所有的好处，专为高效能超移动设备所开发的存储器规格。目前UFS 1.1规格传输速率达到3Gbps，未来UFS 2.0将可进一步达到6Gbps。

由于UFS跟既有的eMMC界面迥然不同也无法兼容，即便UFS 1.0在2011年就公布，但相关产业供应链尚未齐全，整个产业生态尚未建立，他预估到2013年底之前还是由eMMC占市场主流，而UFS预估到2013年底才会有工程样品？雏型产品，到2014年才有小量产品在市场上市，UFS因为成本因素会瞄准在高端市场，UFS与eMMC两者届时会并存在市场上一阵子。

余昭伦最后提到金士顿Kingston对Ultra Mobile的存储器产品规划，Kingston金士顿将在2012年推出一系列为智能手机以及平板电脑所设计的完整存储器方案。针对高端智能手机(Smartphone)及平板电脑(Tablet)来说，2012年会推eMMC v4.5的产品，容量从4GB到64GB，2013年转到eMMC v4.51，容量从4GB到128GB，2014年则正式推UFS 1.1或2.0的产品，容量从64GB起跳到256GB。

中端智能手机与平板电脑而言，中端智能手机的CPU无法做PoP(Package on Package)，若用独立的eMMC芯片与LPDDR芯片会太占空间，因此金士顿Kingston在2012~2013年将提供把eMMC v4.5与低功耗DDR2，以MCP多芯片构装方式封装成一体的芯片产品(eMMC 4.5 + LPDDR2 MCP)，此产品线专为Android 4.0的中端智能手机所设计，同时兼顾成本与效能。至于面对大陆2012年约1.2亿只低端入门手机需求，Kingston金士顿在2012~2013推出NAND Flash芯片搭与低功耗DDR封装在一起的NAND + LP DDR MCP产品，目前已经得到主流芯片的验证通过，并已开始出货。
（本文提供英译版本，请按此连结阅读英译版本内容）