Die Entwicklung des mobilen NAND-Flash-Speichers

Eine Einführung in eMMC, UFS und NVMe BGA SSD

Von klobigen, ziegelsteingroßen Telefonen in den 1990er Jahren bis hin zu schlanken Handheld-Computern mit schönen Touchscreens und Gigabit-Internetverbindung ist die Entwicklung der Smartphones das Ergebnis einer umfassenden Integration ihrer elektronischen Subsysteme.

Hier besprechen wir die Entwicklung des Flash-Speichers für mobile Geräte, die den Weg für die bisher robustesten und funktionsreichsten Verbraucher-Smartphones und -Tablets geebnet hat.

Mobiler Speicher auf den Punkt gebracht

Das NAND-Flash-Speichersubsystem mobiler Geräte besteht aus mehreren Speicherchips und einem NAND-Flash-Controller-Chip, verpackt in einem einzigen BGA-IC mit den Maßen 11,5 mm x 13 mm. Das BGA-Gehäuse ist ein dunkles Graphitrechteck, das die meisten Menschen als „Chip“ betrachten. Tatsächlich handelt es sich bei den Chips um winzige Elemente im BGA-Gehäuse.

Die wichtigsten Leistungsfaktoren für die Branche sind Datenübertragungsgeschwindigkeiten und Stromverbrauch. Diese müssen sorgfältig ausbalanciert werden, insbesondere bei High-End-Smartphones, da sie eine wettbewerbsfähige Geschwindigkeit bei einem sehr begrenzten Energiebudget liefern müssen, um die Batterielebensdauer zu optimieren.

Die steigende Verbrauchernachfrage nach Echtzeitinformationen und die Beliebtheit mobiler Spiele erzeugen einen kontinuierlichen Druck, die Weiterentwicklung dieser Geräte voranzutreiben.

Um zu veranschaulichen, wie sich dies auf die Branche der mobilen Flash-Speicherung auswirkt, veranschaulichen das Bild und die Tabelle unten die wichtigsten mobilen Speichertechnologien und heben ihre Merkmale und Verbreitung im Laufe der Jahre hervor.

Integrierte MultiMedia-Karte (eMMC) für die Speicherung mobiler Geräte

Der eMMC ist eine Speicherkomponente, die für den Einsatz in mobilen Geräten konzipiert ist. Es verbraucht deutlich weniger Strom als herkömmliche Desktop-SSDs oder rotierende Festplatten. Außerdem ist es deutlich kleiner als Desktop-Laufwerke.

Obwohl heute etwas veraltet, eMMCs bleiben in Low-End-Telefonen oder anderen Geräten präsent, bei denen niedrige Kosten und eine geringere Komplexität im Vordergrund stehen, wie z. B. Laptops im oberen Preissegment, Smart-TVs, IoT-Geräte und Wearables.

Auch die Industrie- und Automobilsegmente profitieren von der Reife der eMMCs und dem Anspruch auf stabile, langfristige Lieferkettenpartner. Tatsächlich liefert Phison immer noch einige Millionen PS8200-Einheiten pro Jahr an einige Automobilkunden, selbst jetzt im Jahr 2021, 11 Jahre nach seinem Debüt.

Sehen Sie sich Phison eMMC-Lösungen und -Controller an

UFS: Der Goldstandard für NAND-Flash-Speicher für mobile Geräte

Mitte der 2000er Jahre begannen die eMMC-Schnittstelle und das eMMC-Protokoll Alterserscheinungen zu zeigen. Aufgrund der Halbduplex-Schnittstelle konnten Lese- und Schreibvorgänge nicht gleichzeitig ausgeführt werden. Der Hauptgrund, der eMMC zurückhielt, war die Verwendung eines parallelen Datenbusses. Zu diesem Zeitpunkt waren die meisten anderen Speicherprotokolle auf die serielle Datenbustechnologie umgestiegen. Die Modernisierung von eMMCs und die Aufrechterhaltung der Abwärtskompatibilität hätten mehr Aufwand erfordert als die Definition eines völlig neuen Standards.

Aus diesem Grund kam 2010 Universal Flash Storage (UFS) 2.1 auf den Markt und stahl schließlich um 2016 herum die Show auf High-End-Smartphones. Es lieferte eine enorme Leistungssteigerung gegenüber eMMCs und verfügte über eine moderne physische serielle Schnittstelle, die robuster und effizienter war Protokoll, während der Stromverbrauch ähnlich bleibt.

Es war der erste mobile Speicherstandard, der über eine serielle Vollduplex-Verbindung verfügte, die den gleichzeitigen Datenfluss in beide Richtungen unterstützte. Darüber hinaus unterstützt UFS bis zu zwei Lanes (Verbindungen) in jede Richtung, was zu einem doppelt so hohen Datendurchsatz im Vergleich zu Systemen mit einer Lane führt. Sie war beispielsweise doppelt so schnell wie herkömmliche SATA-III-SSDs, die damals in den meisten Desktops und Laptops verwendet wurden und auch heute noch beliebt sind.

Lesen Sie: Das nächste Speichergerät für Automobilanwendungen – UFS

Mit der Einführung von UFS könnten mobile Geräte endlich von einer Speicherleistung profitieren, die mit der der meisten Consumer-PCs auf dem Markt vergleichbar (oder sogar besser) ist. Zwei Jahre später, im Jahr 2018, löste die zunehmende Beliebtheit mobiler Spiele in Verbindung mit der Notlage der WiFi6 + 5G-Standards eine weitere Welle der Nachfrage nach noch mehr Leistung auf Mobiltelefonen aus.

Die Antwort der Speicherindustrie darauf war UFS 3.0, das die Bandbreite verdoppelte und den Stromverbrauch nur geringfügig erhöhte. Flaggschiff-Anwendungen konzentrieren sich auf UFS 3.1, während Mainstream-Mobilgeräte (Smartphones, VR/AR, Tablets, Chromebooks) UFS 2.2 nutzen.

UFS 3.1 hat eine beispiellose Speicherleistung in Mobilgeräten ermöglicht und kann eine ähnliche Bandbreite wie PCIe-NVMe-SSDs erreichen. Die Entwicklung hört hier nicht auf und die Verbraucher erwarten weiterhin Leistungsverbesserungen in naher Zukunft.

Hier könnten NVMe-BGA-SSDs die beste Lösung sein.

NVMe-BGA-SSDs

BGA-SSDs nutzen das Non-Volatile Memory Express (NVMe)-Protokoll, um Datenzugriff über die PCIe-Schnittstelle zu ermöglichen. Der PCIe-Bus ist eine der beliebtesten Schnittstellen und auf fast allen PC- und ARM-Plattformen zu finden. Die BGA-SSD hat die gleiche Gehäusegröße wie UFS (11,5 x 13 mm) und enthält eine komplette NVMe-SSD mit 2 PCI-Lanes.

Die neueste BGA-SSD von Phison basiert auf dem E21T-Controller in Gen 4 x2-Konfigurationen und liefert eine Leistung von bis zu 3,5 GB/s. Das ist das 1,5-fache der Leistung des schnellsten UFS 3.1 auf dem Markt.

PCIe-Iterationen sind durchweg mindestens eine Generation voraus. Wenn das nächste UFS (bis zu 4,5 GB/s) die aktuelle PCIe Gen4x2-Bandbreite übertrifft, wird PCIe die Messlatte höchstwahrscheinlich noch einmal höher legen
Gen 5×2 (bis zu 7 GB/s).

Angesichts der sehr engen Integration in das Ökosystem mobiler Geräte besteht die größte Herausforderung für die Einführung eines anderen Standards in der Existenz kompatibler Hostplattformen (z. B. Telefon-CPU). Phison glaubt an das Potenzial dieser Lösung für mobile Speicher und hat bereits mit der Massenproduktion von NVMe-BGA-SSD-Teilen begonnen. Sie haben eine ähnliche Kosten- und Energieeffizienz wie die neuesten UFS-Geräte.

Interessanterweise drängen einige Low-End-Plattformen jedoch darauf, eMMCs aus dem Verkehr zu ziehen, was das Interesse am Low-End-Segment von NVMe BGA steigert. Auch Phison hat begonnen, dieses Gebiet mit einer Lite-Version seiner NVMe-SSDs zu erkunden. Es ist darauf ausgelegt, kleinere Speicherdichten zu bieten, wobei der Schwerpunkt auf geringem Stromverbrauch und wettbewerbsfähigen Kosten liegt. Ideal für den Low-End-Mobilfunkmarkt.

Phison ist führend im Bereich Speicher für mobile Geräte

Phison ist führend in der mobilen Speicherbranche und bietet in diesem Markt eine breite Palette an Lösungen an. Früher, im Jahr 2021 Phison ist eine Partnerschaft mit BlackShark eingegangen (ein Unternehmen der XiaoMi-Gruppe) mit der Auslieferung der ersten BGA NVMe SSD in einem Smartphone. Es war auch das erste Mal, dass ein Smartphone über ein Speichersubsystem verfügte, das deutlich schneller als UFS 3.1 war.

Zu unseren Stärken gehören:

• • • Flexibles Geschäftsmodell – Wir arbeiten nach einem Geschäftsmodell, das es uns ermöglicht, uns schnell an die Bedürfnisse unserer Kunden anzupassen.
    • Sachverstand – Wir verfügen über umfassendes Know-how und die Fähigkeit, interne IPs zu entwickeln, die durch vertikale Integration die Zeit bis zur Markteinführung verkürzen.
    • Forschung und Entwicklung – Wir investieren erheblich in Forschung und Entwicklung, um mehr Projekte parallel durchzuführen und gleichzeitig mit modernster Technologie wettbewerbsfähig zu bleiben.
    • Vision – Unsere Vision und unsere geplante Risikobereitschaftsstrategie ermöglichen es uns, neue und innovative Technologien zu erforschen.

Diese Stärken ermöglichen es uns, den Markt vor der Konkurrenz zu erreichen, was uns einen erheblichen Vorsprung verschafft, wenn neue Technologien weit verbreitet sind. Als die Konkurrenz ihr erstes Produkt auf den Markt bringt, ist Phison bereits zur zweiten oder dritten Iteration übergegangen.

Wenn Sie neugierig sind und mehr über andere Errungenschaften von Phison im Bereich Flash-Speicher für mobile Geräte erfahren möchten, schauen Sie sich andere Beiträge zu diesem Thema an.

Lesen Sie: Phisons uSSD ist jetzt auf dem Mars