Для хранения данных в различных «умных» гаджетах используются накопители на базе флеш-памяти. Они имеют много подвидов, различающихся по типу подключения, поколениям и скоростям. Почему один и тот же объем памяти в бюджетном и флагманском устройстве — это не одно и то же? И почему не всякая память одинаково полезна?
Исторически первыми и единственными накопителями персональных компьютеров на протяжении долгого времени были жесткие диски. Флеш-память в начале своего развития была дорогая, и создать доступный по цене накопитель приличного объема в те времена просто не представлялось возможным. И только в последнее десятилетие новые технологии стали позволять производить накопители на флеш-памяти нужного для ПК объема по достаточно доступной цене, вследствие чего системные жесткие диски в пользовательских компьютерах и ноутбуках плавно заменили SSD.
В противовес этому, даже первые мобильные устройства с мультимедийными возможностями изначально оснащались накопителями на базе флеш-памяти и картами памяти на их же основе. Благо объемы тогда были небольшие, а устанавливать даже небольшой жесткий диск в мобильное устройство было чревато чувствительностью к падениям, большим энергопотреблением, размерами и весом устройства. Впрочем, редкие исключения все же были — взять тот же Nokia N91 2006 года с миниатюрным жестким диском. Однако практически все устройства с тех годов и по сегодняшний день оснащаются именно накопителями на базе флеш-памяти. Ее развитие в мобильных устройствах имеет долгую историю, за которую сменилось несколько типов памяти, у каждой из которой есть несколько версий со своими особенностями. Рассмотрим варианты памяти, встречающиеся в современных устройствах.
eMMC
Встроенная память Embedded MMC основана на стандарте карт памяти MultiMedia Card, впервые представленном в 1997 году. В 1999 году был представлен усовершенствованный стандарт MMC 2.0, в 2001-м — MMC третьей версии. Первые варианты карт MMC не блистали высокой скоростью, вследствие чего для основы стандарта внутренней памяти мобильных устройств их спецификации подходили мало.
MMC 4.0, увидевший свет в 2003 году, получил возможность значительного увеличения скорости «общения» карт с устройством — ранее используемый однобитный режим передачи данных по умолчанию сменил четырехбитный, опционально мог задействоваться и режим 8-бит. Эти спецификации легли и в основу первого стандарта встроенной памяти семейства eMMC под версией 4.1, разработанного организацией JEDEC в середине 2007 года. Последующие версии стандартов 4.2, 4.3, 4.4 и 4.41 включают в себя улучшения по управлению питанием памяти, контроль плохих блоков, оптимизации для операций чтения и записи. Максимальная скорость передачи данных первых версий eMMC ограничена 52 МБ/c. С версии 4.4 она удвоена до 104 МБ/с.
В 2011 году JEDEC представила стандарт eMMC 4.5, основным улучшением которого является увеличение скорости интерфейса до 200 МБ/c благодаря более быстрой шине. В версии eMMC 5.0, датирующейся 2013 годом, пиковая скорость передачи интерфейса вновь увеличилась вдвое, была проведена большая оптимизация для достижения более высокой производительности памяти в режиме случайной записи. Последняя версия стандарта eMMC 5.1 датируется 2015 годом, включая в себя новые оптимизации операций чтения и записи. Благодаря этому венец развития eMMC в реальном использовании стал немного быстрее своей предыдущей версии, хотя пропускная способность интерфейса осталась прежней.
Карты памяти MMC с портативных устройств уже давно вытеснили их «внуки» стандарта Secure Digital (SD), который является дальнейшим развитием MMC. А встроенную eMMC в среднебюджетных и флагманских устройствах заменила более совершенная память UFS. Несмотря на это, внутренняя память eMMC широко используется огромных количеством бюджетных устройств и по сей день — для них ее скорости достаточны, да и обходится такая память производителям дешевле более быстрых современников.
UFS
Как бы ни совершенствовалась eMMC, с каждым годом становилось все понятнее, что ей нужна более высокопроизводительная замена. В 2011 году организацией JEDEC был опубликован стандарт первой версии новой мобильной памяти следующего поколения — Universal Flash Storage (UFS).
Различия между двумя типами памяти оказались куда глубже, чем в простом увеличении скорости. Память eMMC использует параллельный доступ подобно интерфейсу IDE старых компьютерных жестких дисков. UFS же основана на последовательном интерфейсе, как у более современных SATA и NVMe. Аналогично последнему реализована у UFS и масштабируемость — для достижения более высокой пропускной способности можно задействовать сразу несколько линий интерфейса. Помимо этого, благодаря другой внутренней организации и использованию очереди команд память нового типа демонстрирует гораздо более высокие показатели случайных операций, которые особенно важны для увеличения скорости работы операционной системы устройства и установленных программ.
К тому же интерфейс у eMMC полудуплексный. То есть данные с максимальной скоростью в один момент времени могут передаваться только в одном направлении — либо от накопителя к устройству, либо от устройства к накопителю. Параллельное чтение и запись делят между собой пропускную способность и приводят к снижению производительности. UFS такой проблемы лишена — интерфейс полнодуплексный, и максимальная скорость обмена может достигаться одновременно в обоих направлениях.
Первая версия UFS основывалась на одной линии со скоростью соединения 300 МБ/c. В 2012 году была выпущена спецификация 1.1, которая включала некоторые улучшения по управлению памятью, но скорость не увеличивала. Производители мобильных чипов и гаджетов на то время не видели особых смысла в использовании UFS первых версий — конкурирующий eMMC 4.5 мог передавать до 200 МБ/с, а разработка и внедрение в SoC контроллера для работы с памятью нового типа удорожала их при сравнительно небольшом выхлопе. При этом сами чипы памяти для UFS находились в начале своего развития и стоили достаточно дорого, что также делало внедрение нового вида накопителей экономически невыгодным.
В 2013 году было представлено второе поколение UFS. Новая спецификация включала доработки управления питанием для лучшего энергосбережения и улучшенные функции безопасности. Но самое главное — версия 2.0 получила значительное увеличение пропускной способности интерфейса. Скорость линии удвоили до 600 МБ/c, а количество самих линий нарастили до двух, в результате чего максимальная пропускная способность увеличилась до 1200 МБ/c. Такие улучшения по сравнению с eMMC были уже гораздо более существенны, и практическим внедрением нового типа памяти заинтересовалась компания Samsung. Южнокорейский гигант, который сам разрабатывает память и системы на чипе для мобильных устройств, первым внедрил в свой флагманский SoC Exynos 7420 контроллер памяти UFS 2.0. Новая память дебютировала в линейке смартфонов Samsung Galaxy S6.
В 2016 году было решено обновить спецификацию UFS до версии 2.1, добавив в нее поддержку индикатора «здоровья» памяти, оптимизацию операций записи, введение приоритета команд и возможность безопасного обновления микрокода прошивки. По функциональности и принципам работы накопители данного типа становились все больше похожими на своих старших братьев — SSD.
В 2018 году была представлена спецификация нового поколения памяти UFS 3.0. Введен новый режим обновления команд, предусмотрен расширенный рабочий температурный режим от -40 до 105 °C, ведь память данного типа все больше начинала применяться в автомобилестроении. Линий передачи данных все также две, но они значительно ускорились. Теперь каждая способна выдать до 1450 МБ/c, вследствие чего общая пропускная способность увеличивается до 2900 МБ/c.
К 2020 году память UFS набрала популярность в массовых мобильных устройствах, и JEDEC представила еще две обновленные спецификации — топовую UFS 3.1 и мейнстримовую UFS 2.2. Новинки не получили увеличения пропускной способности интерфейса, но обзавелись новой функцией WriteBooster, еще на один шаг приблизив мобильную память к SSD. Технология призвана увеличить скорость записи по сравнению с предшественниками за счет добавления SLC-кеша.
Высокопроизводительная UFS 3.1 дополнительно получила еще два нововведения — режим глубокого сна DeepSleep для меньшего энергопотребления и функцию Performance Throtlling Notification для контроля производительности при перегреве памяти. Также было добавлено расширение стандарта UFS Host Performance Booster. Оно предусматривает кеширование в ОЗУ карты логических и физических адресов памяти, благодаря чему должна повыситься скорость доступа к накопителям большого объема.
Летом 2022 года была представлена последняя на данный момент спецификация быстрой мобильной памяти — UFS 4.0. В ее основе все те же две несменные линии, каждая из которых удвоила свою пропускную способность до 2900 МБ/c, тогда как общая скорость по двум линиям может доходить до невероятных 5800 МБ/c. Помимо ускорения линий, новая спецификация подразумевает снижение питающего напряжения, за счет чего память должна меньше греться и быть более экономичной. UFS 4.0 получила поддержку многоуровневых очередей запросов Multi-Circular Queue, усовершенствованный интерфейс RMPB и несколько новых команд для снижения системных задержек.
Отдельно стоит упомянуть о картах памяти UFS. Если память eMMC «выросла» из стандарта для карт памяти MMC, то здесь все наоборот: карты UFS появились благодаря развитию встроенной памяти UFS, которую в данном контексте правильнее называть eUFS. Первая версия стандарта UFS Card датирована 2016 годом и основана на UFS 2.0, но использует одну линию вместо двух. Это дает 600 МБ/c пропускной способности при сохранении всех остальных функциональных преимуществ.
Обновленная версия UFS Card 1.1 была представлена в 2018 году вместе со стандартом UFS 3.0. Потолок скорости остался прежним, изменения ограничились добавлением некоторых функций и оптимизаций от «старшей сестры» UFS 3.0. В 2020 году была представлена последняя на данный момент версия UFS Card 3.0, для работы которой все так же используется одна линия, но с удвоенной скоростью передачи данных — до 1200 МБ/c. К сожалению, карты памяти формата UFS так и не нашли применения в реальных массовых устройствах, хотя компания Samsung анонсировала выпуск таких продуктов уже несколько раз.
Apple NVMe
До 2015 года память eMMC использовалась повсеместно во всех мобильных гаджетах, независимо от производителя. В 2015 году, когда Samsung выпустила первый смартфон c UFS 2.0, компания Apple решила пойти по своему пути развития скоростной памяти в собственных гаджетах. Система на чипе Apple A9, ставшая сердцем смартфона iPhone 6S, впервые включала в себя кастомный NVMe-контроллер для связи с внутренним накопителем. По сути, компания перенесла компьютерный NVMe SSD в смартфон — с некоторыми упрощениями и более медленной памятью, но все же.
Как и в случае других своих разработок, Apple не раскрывала подробности технических характеристик своего накопителя. Судя по независимым тестам, в чипе A9 устанавливалась разновидность NVMe-контроллера собственной разработки Apple, который использовался компанией в ноутбуке MacBook 12" 2015 года выпуска. Этот контроллер подключается по четырем линиям шины PCI-E 2.0 и обеспечивает максимальную пропускную способность в 2 ГБ/c.
Все последующие системы на чипе компании оснащаются похожими NVMe-контроллерами собственной разработки с аналогичной пропускной способностью. Начиная со смартфонного чипа A14 и планшето-ноутбучного M1, в состав разработок Apple входит более скоростной NVMe-контроллер c максимальной пропускной способностью до 3.9 ГБ/c. Однако память в смартфонах этих значений не достигает, среди мобильных гаджетов только планшеты iPad на чипе M1 с большим объемом памяти способны превышать прежний порог в 2 ГБ/c на кратковременных операциях. Более быстрые компьютерные чипы M1 серий Pro, Max и Ultra имеют в своем составе самый быстрый NVMe-контроллер компании со скоростью до 7.8 ГБ/c, но в смартфонах и планшетах они не встречаются, оставаясь прерогативой ноутбуков и компьютеров компании.
Сравнение разных типов памяти
Высокие скорости и тысячи операций в секунду красиво выглядят на бумаге. Но не стоит забывать, что любой вид памяти из описанной троицы — это всего лишь спецификация. Компьютерный интерфейс NVMe 4.0 x4 имеет пропускную способность более 7 ГБ/c, но все ли SSD с его поддержкой достигают на практике этих значений? То же самое и с мобильными видами накопителей. Сравним разные виды памяти в таблице ниже, учитывая как заявленные спецификации, так и наиболее часто встречающиеся в реальных устройствах характеристики каждого вида памяти.
* данные презентации памяти UFS 4.0 производства компании Samsung.
Как видите, разброс между скоростью интерфейса и устанавливаемой памяти в большинстве случаев довольно существенный. Более того, приведены данные для одних из самых емких накопителей каждого типа памяти. Например, для UFS 3.1 цифры производительности даны для накопителя объемом 512 ГБ, тогда как для смартфонов с 256 или 128 ГБ такой памяти некоторые характеристики могут быть значительно меньше. Компания Apple не анонсирует изменения в каждом поколении своих контроллеров, поэтому в таблице ее устройства даны одной строкой — из-за этого разброс указанных характеристик по сравнению с другими типами памяти еще больше.
Тем не менее, чем новее тип памяти в устройстве, тем быстрее в среднем его накопитель. Однако стоит учитывать, что отдельно вид накопителя вы все равно выбрать не сможете: все зависит от используемой системы на чипе, у которой должна быть поддержка того или иного вида памяти, и от реализации ее возможностей в самом смартфоне. К тому же не стоит забывать, что у младших модификаций устройств с самым малым в линейке количеством памяти скорость последней чаще всего значительно меньше, чем у моделей с большим объемом накопителя.
Как правило, современные мобильные устройства высокого ценового диапазона оснащаются памятью с интерфейсом UFS 3.1 (или NVMe в случае Apple). В среднем классе встречаются как третья, так и вторая версии UFS. А в бюджетный, где до сих пор господствует eMMC, все чаще проникают некоторые смартфоны с UFS 2.x. Топовые модели конца 2023 года впервые начали оснащаться самой скоростной мобильной памятью UFS 4.0, экспансия которой намечалась на флагманский сегмент смартфонов в 2024 году.
Период 2024-2025 годов можно охарактеризовать как этап объединения и подготовки к следующему скачку.
Массовое распространение UFS 4.0 и 4.1 во флагманах: UFS 4.0 стала новым стандартом производительности для топовых smartphones. К концу 2024 — началу 2025 года всё больше флагманов, таких как линейка Samsung Galaxy S24, OnePlus 12 и Xiaomi 14 Pro, используют именно эту память или её незначительно улучшенную версию — UFS 4.1. Прирост скорости между UFS 4.0 и UFS 4.1 не столь велик, как предыдущие поколения, но он демонстрирует продолжающееся развитие технологии в сторону не только скорости, но и энергоэффективности.
Начало внедрения UFS 4.1: Этот стандарт уже анонсирован и демонстрируется производителями чипов, как, например, SK Hynix. Он предлагает незначительное увеличение скорости записи (на 7%) и снижение энергопотребления (примерно на 7%) по сравнению с UFS 4.0. В 2025 году можно ожидать его появление в новейших флагманских устройствах.
Укрепление UFS 3.1 в среднем сегменте: В то время как флагманы перешли на UFS 4.x, UFS 3.1 остается отличным и востребованным решением для смартфонов среднего ценового диапазона, предлагая более чем достаточную производительность для большинства пользователей.
Прогнозы на 2026 год
Что касается 2026 года, то здесь картина выглядит достаточно определенно, но без сенсаций.
UFS 5.0 — будущее, которое пока не наступило: Хотя стандарт UFS 5.0 был официально анонсирован JEDEC в конце 2024 года и обещает колоссальный прирост производительности (скорость чтения до 6000 МБ/с), его массовое внедрение в смартфоны ожидается не раньше 2027 года, согласно дорожной карте Samsung Semiconductor.
Год UFS 4.1: Таким образом, 2026 год, скорее всего, станет временем, когда UFS 4.1 окончательно заменит UFS 4.0 в качестве памяти для флагманских устройств. Производители будут активно осваивать этот стандарт, в то время как инженеры будут готовить платформы для интеграции UFS 5.0 в будущих моделях. В массовом сегменте продолжится вытеснение UFS 2.x более быстрой UFS 3.1.
ИТОГИ
Подводя итог, можно сказать, что экспансия UFS 4.0, успешно состоялась. На период 2024-2025 годов приходится её закрепление во флагманском сегменте и плавный переход к UFS 4.1. Ожидаемого прорыва в лице UFS 5.0 в 2026 году, по всей видимости, не произойдет — этот этап намечен на 2027 год.
