PCIe NVMe BGA SSDs in Mobilgeräten

Historisch gesehen war das NAND-Flash-Speichersubsystem in der Welt der mobilen Geräte immer eine eigene Ebene. Dies ist auf die Forderung nach einem winzigen Single-BGA-Gehäuseformfaktor und die Forderung nach einem sehr geringen Stromverbrauch zurückzuführen.

Ein weiterer Grund ist die extrem enge Integration in mobile Systeme. Es erfordert umfangreiche Interoperabilitäts- und Qualifizierungssitzungen, um die Hostplattform mit jedem NAND-Flash-Speichergerät zu koppeln.

Der ständige Drang nach schnelleren und leistungsfähigeren Systemen verwischt die Grenzen zwischen den Leistungsanforderungen mobiler Geräte und Mainstream-PCs. Dies erhöht die Notwendigkeit, mit der Erforschung anderer Lösungen zu beginnen, die den nächsten Sprung nach vorne in der Technologie mobiler Geräte ermöglichen könnten.

Bevor wir uns mit diesem Beitrag befassen, ist es interessant, aus unserem vorherigen Beitrag einige Details über die Entwicklung der mobilen NAND-Flash-Speicherspeicherung zu erfahren. Klicken Sie auf das Banner unten.

Lesen Sie: Die Entwicklung des mobilen NAND-Flash-Speichers

Warum sollten PCIe-NVMe-BGA-SSDs in ein Telefon eingebaut werden?

Der PCIe-Bus ist sehr vielseitig und heutzutage die primäre Form der Verbindung zwischen CPU und Erweiterungskarten, Netzwerken, Speicher und Peripheriegeräten in fast allen Geräteklassen, einschließlich Mobilgeräten.

In mobilen Anwendungen wird PCIe typischerweise verwendet, um die CPU mit Funkmodulen (WIFI, Bluetooth, Mobilfunkmodem…) zu verbinden. Die Ausweitung des Einsatzes auf Speichergeräte ist eine logische Entscheidung, da die PCIe-Hardwareschnittstelle bereits Teil des CPU-Entwicklungs-, Test- und Qualifizierungsprogramms ist. Außerdem ist das Replizieren, Validieren und Testen identischer Schaltkreise (Hinzufügen mehrerer PCIe-Links) viel kosteneffizienter als die Investition in völlig einzigartige Designelemente (wie die für UFS erforderlichen Schaltkreise).

Zum Antrieb für mobile BGA-SSDs kommen die jüngsten Fortschritte bei Silizium-Prozessknoten und der NAND-Flash-Controller-Architektur hinzu. Die BGA-SSD kann jetzt in puncto Leistung/Leistung (Watt/GBps) mit UFS mithalten. Bei genauerer Betrachtung wird deutlich, dass wir uns fragen müssen, warum mobile Geräte keine NVMe-BGA-SSDs verwenden.

Tempo der Evolution

Werfen wir einen Blick auf den Release-Zeitplan und den Datendurchsatz, der von PCIe und UFS über mehrere Jahre der Koexistenz hinweg unterstützt wird. Die PCIe-Spezifikationen ermöglichen einen vergleichbaren Datendurchsatz mindestens zwei Generationen früher als UFS. Unsere Telefone der nächsten Generation könnten mit BGA NVMe SSD bis zu 3,5-mal schneller sein.

Aggressiver Ansatz oder Produktreife?

Wenn eine neue UFS-Spezifikation veröffentlicht wird, beeilt sich die gesamte Mobilfunkbranche, ihre Produkte zu entwickeln, zu produzieren und zu qualifizieren, um die nächste Generation von Flaggschiff-Mobilgeräten auf den Markt zu bringen. Normalerweise dauert es weniger als ein Jahr, bis der erste Lieferant damit beginnt, Muster seiner Produkte herauszugeben.

Die Berücksichtigung eines ähnlich aggressiven Ansatzes für PCIe würde innerhalb desselben Zeitrahmens zu einem sofortigen und extremen Leistungssprung führen. Es könnte sogar eine Lane-Reduzierung (1-Lane) ermöglichen, was dazu beiträgt, das Motherboard-Routing zu verbessern und weniger PCB-Fläche zu beanspruchen, was bei solch kleinen und dichten Systemen von entscheidender Bedeutung ist. Wenn diese Änderung im Jahr 2019 stattgefunden hätte, hätten wir im Jahr 2021 eine PCIe Gen5 NVMe BGA SSD mit 1 oder 2 Lanes (3,5 oder 7 GB/s) haben können, die direkt mit UFS 3.1 (begrenzt auf 2 GB/s) konkurriert.

Obwohl weniger aufregend, aber ebenso wichtig, verkürzt eine BGA-SSD die Markteinführungszeit, da Telefone von Komponenten profitieren, die getestet, in Massenproduktion hergestellt und auf einer Vielzahl von Plattformen übernommen wurden. Beispielsweise wurde die PCIe Gen3 x2-Lanes-Spezifikation (1,6 GB/s) 6 Jahre früher als UFS 2.1 (1 GB/s) veröffentlicht und die Gen4 x2-Lanes-Spezifikation (3,5 GB/s) wurde 1 Jahr früher als UFS 3.0 (2 GB/s) veröffentlicht. S).

Entwicklungs- und Produktionsmaßstab

Ein NAND-Flash-Controller-IC enthält viele verschiedene Funktionsblöcke, die üblicherweise als IP-Blöcke (Intellectual Property Blocks) oder einfach nur IPs bezeichnet werden.

Zwei Flash-Controller, die sich die gleiche Schnittstelle teilen, aber für unterschiedliche Leistungsstufen ausgelegt sind, können IPs gemeinsam nutzen, einschließlich der analogen Hochgeschwindigkeitsschaltungen der Host-Schnittstelle (PCIe, UFS) und des NAND-Flash-I/O.

Eine BGA-SSD profitiert vom gesamten PC- und Enterprise-Ökosystem. Beispielsweise könnte eine DRAM-lose NVMe M.2-SSD der Einstiegsklasse für PCs einfach in eine BGA-SSD umgepackt werden. Beide SSDs würden sich denselben Flash-Controller, den größten Teil ihrer Firmware und mehrere andere Entwicklungs- und Testressourcen teilen. Dadurch können NVMe-BGA-SSDs von Skaleneffekten profitieren, was zu günstigeren Kosten für beide Produktlinien und einer deutlich schnelleren Markteinführung führt.

Zutrittsschranke

Aufgrund der engen Integration in mobile Geräte sind Kompatibilitätsprobleme absolut ausgeschlossen. Sowohl Host-CPU- als auch Gerätehersteller investieren erhebliche Anstrengungen, um sicherzustellen, dass alle in der AVL (Approved Vendor List) aufgeführten Teile gemeinsam gründlich getestet und qualifiziert wurden.

Das bedeutet, dass, sobald sich die Branche auf Schnittstellen zur Verbindung von Komponenten festgelegt hat, zwingende Gründe vorliegen müssen, die Änderungen rechtfertigen. PCIe ist zwar nicht der offiziell angenommene Standard für Speichersubsysteme in Mobilgeräten, wird jedoch bereits zur Verbindung anderer Subsysteme verwendet. Dies vereinfacht die Speichermigration auf PCIe erheblich.

Die Pioniere und Erwartungen

In unserem vorherigen Artikel haben wir erwähnt, dass BlackShark (Mitglied der XiaoMi-Gruppe) der erste war, der eine NVM-BGA-SSD in ein Flaggschiff-Telefon integriert hat. Die aktuelle Telefon-CPU kann nicht von NVMe booten, daher ist die Phison NVMe BGA SSD (Phison E13T BGA SSD) wurde mit einem UFS 3.1-Gerät in einer RAID 0-Konfiguration gekoppelt. Dadurch konnte das Speichersubsystem nahezu erreichen 3 GB/s Bandbreite.

Während der Zusammenarbeit mit BlackShark konnte Phison eine Vielzahl anderer NVMe-SSDs von Phison testen, um das Potenzial für die Wiederverwendung von Designs und eine noch größere Bandbreite zu demonstrieren. Phison erwartet die Einführung eines Gen4x2 BGA SSD im 1. Halbjahr 2022.

Phison engagiert sich für die Unterstützung von BGA SSD in Mobiltelefonanwendungen und wir sind gespannt auf die Möglichkeiten, die die Zukunft bietet.