eMMC의 발전과 UFS의 탄생

2009년 4월 6일, JEDEC는 미국 캘리포니아 산타 클라라에서 Flash Storage Summits 2009을 개최했다. 

비슷한 행사로 지난해 8월에 열린 Flash Memory Summit에 이은 것이지만, 테마가 컴퓨터메모리칩에서 스토리지와 시스템통합의 성격이있다.

　그 이유로서 생각되는 것은 지난해 9월에 JEDEC과 MMCA (멀티미디어 카드 협회)를 흡수 합병한 것을 들 수있다. Infineon과 SanDisk가 중심이되어 책정된 MMC (멀티미디어 카드)는 이러한 유형의 장치로는 최고참의 하나이지만, 여기에서 파생된 SD 카드의 보급에 밀린 경향이 있었다. 특히 SD 카드 규격을 만든 3사 (파나소닉, 샌디스크, 도시바) 중 2개사가 일본 기업이라는 것도 있다.

　세계적으로도 일본 기업이 압도적인 점유율을 가진 디지털 카메라의 세계에서, 기록 미디어로서 사실상의 표준적인 지위를 차지하고 있기도하고 보급률 측면에서 SD 카드가 MMC를 압도하고 있다. 규격책정의 장을 MMCA하는 업계 단체에서 JEDEC으로 옮긴 것도 이대로는 반격 어렵다는 판단이 작용했을지도 모른다.

　JEDEC에 이관된 MMC 관련 규격 중 이번 행사에서 크게 다루어 진은 eMMC와 UFS이다. eMMC는 embedded MMC의 약자로, 그 이름대로 임베디드 애플리케이션을위한 MMC 셈이다. 핵심 아이디어는 플래시 메모리 컨트롤러와 NAND 플래시 메모리 칩을 하나의 FBGA 패키지에 넣으려고한다는 것. 카드 이외에 칩 단독으로 기판 상에 구현하는 것을 생각할 수있다. 원래 MMC는 Multi Media Card의 약자였다 것이지만, 더 이상 e-MMC에서 "카드"로 모양을 고집하지 않는 것이다.

　컨트롤러와 메모리를 하나로 패키징하는 것은 단순히 비용면에서 유리하기 때문이 아니다. 그 큰 동기 부여가되고있는 것은, 컨트롤러 및 메모리 패키징하여 NAND 플래시 메모리의 사용하기 어려움을 커버하고 임베디드 개발을 쉽게 할 수있다.

　원래 NAND 플래시 메모리를 이용하려면 직접 갱신 할 수없는 장치의 특성을 감안한 쓰기 제어 같은 블록에 쓰기가 집중되지 않도록하는웨어 레벨링 한 번 기록한 위치를 다시 쓸 수있는 삭제 등 소프트웨어에 의존하는 부분이 크다. 또한 제조 공정의 미세화에 의한 재기록 횟수의 감소, MLC와 SLC 같은 장치 특성의 차이 표준 인터페이스의 부족 등 사용하는 NAND 플래시에 맞게 배려해야 할 부분이 적지 않다. NAND 플래시를 잘 다루려면 메모리 칩 자체에 익숙해야한다 셈이다.

그러나 이것은 외부 스토리지에 NAND 플래시 메모리를 가진 임베디드 용 SoC를 설계하는 개발자에게는 성가시게 된다. 이러한 개발자는 휴대전화나 오디오 플레이어 등 목적의 기능을 어떻게 구현 하는가하는 본래의 테마에 골머리를 썩는 반면, NAND 플래시 메모리의 트렌드를 잘 어떤 컨트롤러를 통합해야 지 연구해야하기 때문이다. SoC가 완성 된 후에, NAND 플래시 메모리의 주류가 2bit MLC에서 3bit TLC에 변화는 일이 일어나면 아무리 고기능의 SoC도 상품력을 잃고 만다.

　eMMC의 주요 목적은 이러한 NAND 플래시 메모리 칩에 의존하는 컨트롤러 부분을 NAND 플래시 패키지에 넣어 버리는 것으로, SoC 등의 개발자가 NAND 플래시 메모리 칩에 고민 할 필요가 없도록 한다는 것이다. NAND 플래시를 가장 잘 알고있는 것은 바로 그 플래시 메이커이기 때문에, 플래시 메이커가 컨트롤러에서 다룬 것이 좋다라는 생각이다. 그만큼 SoC 개발자는 본래의 기능 구현에 힘을 넣으면된다.

　이 기본 용도를 의식한 eMMC의 또 다른 특징은 시스템의 시작이다. 기존 시스템 부팅에 필요한 펌웨어 등의 수납에는 NOR 형 플래시 메모리가 사용되어 데이터 보관에 바이트 단가 유리한 NAND 형 플래시 메모리가 사용되는 경우가 많았다. 그러나 하나의 시스템으로 플래시 메모리 인터페이스를 2세트를 준비하는 것은 낭비가 많다. NAND 플래시 메모리의 성능 개선도있어, 양자를 하나 대체한다면, 거기에 넘었던 적은 없다.

　e-MMC의 현재 규격인 MMC 4.3에서 eMMC 장치에 최대 2개의 부팅 파티션을 준비 할 수있다. 부팅 파티션을 이용하거나 둘 부팅 파티션을 이용하거나 레지스터로 지정한다. 현재 규격화가 최종 단계에있는 MMC 4.4에서 DDR 인터페이스의 채용에 의한 고속화 (52MB/sec 또는 104MB/sec에) 이외에, 현재는 제조시 설정 부팅 파티션 크기를 호스트를 지정할 수 되고, SLC의 파티션과 MLC의 파티션을 혼합해 될 전망이다.

▲eMMC는 기본적으로 컨트롤러와 메모리 칩을 1개로 패키지화 한 것

▲NAND 플래시는, 메모리의 종류나 제조 프로세스가 바뀔 때마다, 콘트롤러로 변경이 생긴다

e-MMC라면 호스트(SoC) 측은 메모리의 변경을 신경쓸 필요가 없어진다

▲e-MMC는 부트용의 파티션을 갖춘다

이 e-MMC가 사용하는 eMMC 4.4의 다음과 같은 인터페이스로 규격화가 진행중인 것이 UFS (Universal Flash Storage)이다. 연내 표준화 완료를 목표 UFS는 직렬 버스 기술의 도입에 3Gbps (300MB/Sec)을 실현하는 한편, SDIO와 같은 I/O 장치의 지원을 행한다. 임베디드 용도를 의식한 기능 강화로 파티션 설정의 유연성을 더욱 강화하는 것 외에 XiP (eXecute-in-Place)의 지원, 하나의 버스에서 임베디드 플래시 모듈 및 이동식 장치 (메모리 카드 )을 모두 지원하는 특징을 갖추고있다.

　XiP는 그 이름처럼 플래시 메모리에 보관 된 코드를 직접 그 자리에서 실행하는 구조다. 변수와 스택 등을 위해 DRAM이 전혀 필요되는 것은 아니지만, 그 필요량을 크게 줄일 수있다. 종래는 NOR형 플래시 메모리에서 사용 된 기술이지만, UFS는이를 지원한다고하고있다.

　하나의 버스에 여러 개의 모듈 지원을 가능하게하는 것은 임베디드 기기 용 SoC 디자인을 크게 간소화한다. 이번 이벤트의 스피커 중 하나 인 RIM의 Karin Werder 씨는 많은 휴대 전화 펌웨어를 수납하는 NOR 플래시 메모리, 내부 스토리지 용 NAND 플래시 메모리 외부 저장 용 메모리 카드 및 플래시 메모리 단지 세 가지 인터페이스를 제공하여야하며, SoC 설계를 복잡하게하고 있다고 말했다. UFS가 실용화하면 이것이 하나 끝나게된다.

　MMC 4.3/MMC 4.4 기반 eMMC해도, UFS해도 꽤 편입 용도를 의식하고있다. 그것은 기존의 이동식 미디어 (메모리 카드) 시장에서 사실상의 표준의 지위를 SD 카드에 빼앗겨 버린 것과 무관하지 않을 것이다. MMC가 생존을 도모하려면 SD 카드에없는 특징을 밝히는 필요가있다. 우선 임베디드 시장에서 입지를 굳혀 UFS를 지원하는 MMC 제품 이동식 미디어 시장에서도 반격을 도모한다는 것이 MMC / UFS의 기본 전략 인 것이다. 

▲현재의 일반적인 휴대 전화에는, 플래쉬 메모리만으로 3 종류의 인터페이스가 필요하게 된다

▲MMC 규격의 후계가 되는 UFS는, 2009년내의 규격화를 목표로 한다

▲UFS는, 1개의 콘트롤러로, 펌 웨어용, 내장 메모리용, 외부 기억용 메모리 카드의 모든 것을 취급할 수 있다

▲e-MMC와 UFS의 비교.본문에서는 접할 수 없었지만, 동작 전압의 인하도 행해진다

eMMC 4.4에서는 최대 104MB/s 속도

▲비휘발성 메모리 기술은 8년 사이클로 갱신된다고 한다.

NAND기술은 피크를 맞이하고 있고, 그 다음의 기술을 PCM(상변화 메모리)라고 예측한다.

물론 이 예측은, PCM연구에 힘을 쓰고 있기 때문이기도 하다.

　한편, UFS 의해 난처한 입장이 될 것 같은 것이 NOR 플래시 메모리이다. NAND에 비해 쓰기가 느리지 만 읽기 속도와 XiP 등의 기능 바이트 단가가 낮은 NAND와 공존 해왔다. NOR 플래쉬 메모리는 NAND의 성능 향상과 XiP에 볼 수있는 기능 개선에서 그 지위를 빼앗아 깨져 버릴 가능성이있다. 

앞으로 UFS기술에 대해 알아보도록 하자.