모바일을 위한 차세대 플래시규격 UFS 1.0 발표

스마트폰이나 슬레이트 PC (태블릿 PC) 등 모바일 기기를 사용하는 플래시 스토리지 (NAND 플래시 메모리를 이용한)라고하면, SSD (Solid State Drive) 또는 eMMC (embedded MultiMediaCard) 것이다.

　SSD는 대용량이며, 처리량 및 데이터 입출력 속도가 높다. 그러나 노트북PC 나 넷북 등을위한 SSD를 유용하고 있기 때문에 소비 전력이 약간 높다. 따라서 SSD를 내장한 노트북이나 태블릿 PC 등은 사용자가 수시로 충전해야할 필요가 있다.

　eMMC는 NAND 플래시 메모리와 전용 컨트롤러를 1개의 반도체 패키지에 통합한 모듈에 내장 모바일 기기를 상정하고 공통 기술 사양을 책정했기 때문에 소비전력은 낮다. 그러나 용량은 SSD보다 적고, 랜덤 액세스 성능도 낮다.

　그래서 스마트폰이나 태블릿 PC 등의 모바일 기기를위한 새로운 플래시 스토리지 기술 "UFS (Universal Flash Storage)」의 개발이 반도체 업계에서 진행되고있다. 한국에서 개최된 'Mobile Memory Forum 2011 "에서는 UFS의 기술 사양이 공표되었다.  그 내용을 소개한다.

높은 처리량, 높은 IOPS, 낮은소비전력을 목표한다. 

　

UFS의 지향점은 매우 간단하다. SSD와 같은 읽기성능 및 쓰기 성능을 제공하면서 SSD보다 소비 전력이 낮은 플래시 스토리지를 실현하는 것이다. 

SSD와 같은 읽기 및 쓰기 성능은 PC용 SSD에서 SATA 인터페이스 상응하는 처리와 입출력 속도 (IOPS)를 가리킨다.

▲UFS, SATA, SD 카드, eMMC 처리량

▲UFS, SATA eMMC, SD 카드의 읽기 IOPS

　그래서 UFS 특징은 크게 3가지다.

(1) 고속 시리얼 인터페이스(SATA)를 구현

(2) 명령의 큐잉 기능을 탑재, 

(3) 직렬 인터페이스의 절전 기능을 탑재

　직렬 인터페이스의 데이터 전송 속도는 사타2 규격의 3.0Gbps로 상당히 높다. (UFS 버전 1.0의 경우). eMMC의 최신 버전인 버전 4.5의 데이터 전송 속도가 1.6Gbps이므로, 약 2배에 해당한다. 또한 UFS 2.0에서는 데이터 전송 속도를 5.8Gbps로 향상시킬 계획이다. SSD가 사용하는 인터페이스 "SATA2"의 3Gbps 버전 및 SATA3 6Gbps 버전에 해당하는 데이터 전송 속도를 갖추려하고 있다는 것을 알 수있다.

　명령의 큐잉은 랜덤 액세스 성능을 향상시키기 위해 마련했다. 무작위로 데이터 쓰기 (프로그램)하거나 무작위로 데이터를 읽어들일 때 위력을 발휘한다. 예를 들어 데이터를 네트워크를 통해 다운로드하는 도중에 음악 플레이어의 재생 (즉 데이터 읽기)이 중단되는 등 우려가 줄어든다.

　인터페이스의 절전 기능은 대기시에 PLL 회로의 전원을 끄하여 소비 전력을 낮추고있다. 대기시 소비 전력이 기존에 비해 약 40분의 1로 떨어질 것으로한다. 또한 동작 타이밍은 클럭 비동기적이며 이것도 소비 전력의 저감에 기여한다.

▲NAND 플래쉬 메모리 모듈의 규격 사양의 추이.UFS의 기술 사양은 JEDEC이 사양을 책정해 온 eMMC의 연장에 있다

▲eMMC, UFS, SSD의 주된 사양

▲명령 큐잉 (Command Quing) 개요

▲명령 큐잉 (CMD Quing)의 효과. 

대기 기능이없는 기존 eMMC에서는 백그라운드에서 데이터를 다운로드하여 NAND 플래시 메모리에 프로그램하면 읽기 성능이 저하했다

▲UFS 인터페이스의 절전 스테이트 다이어그램

표준 스토리지와 외장스토리지를 지원하는 UFS

　

UFS의 사양을 자세히 살펴 보자. UFS 규격 메모리 모듈 (규격에서는 "장치"라고 함)은 크게 나누면 두 가지 폼 팩터가있다. 하나는 반도체 패키지와 동일한 모양 (eUFS)이며, 다른 하나는 SD 카드 (및 microSD 카드)와 유사한 형상 (UFS 카드의 전체 크기, 마이크로 크기)이다. 전자는 내장 플래시 스토리지, 후자는 외장메모리 플래시이다. 모두 컨트롤러와 메모리를 내장하고 있으며, 기능은 동일하다.

　UFS의 아키텍처는 인터커넥트 계층 전송 프로토콜 계층 응용 프로그램 계층 장치 관리자로 구성된다. 상호 연결 층에는 물리 계층과 링크 계층이있어, 모두 휴대폰의 내부 인터커넥트 규격 MIPI (Mobile Industry Processor ​​Interface)를 채택했다. 상호 연결 계층의 하위 계층 인 물리 계층은 MIPI M-PHY 버전 1.0, 같은 링크 계층은 MIPI의 Unipro 버전 1.4이있다. UFS 버전 1.0 규격에서는 MIPI M-PHY 버전 1.0을 1레인 사용하여 3.0Gbps의 데이터 전송 속도를 제공한다.

▲eMMC와 SD 카드를 장착한 시스템에서 UFS를 탑재한 시스템으로 전환. 

SD 카드 (microSD 카드)와 UFS 카드를 모두 지원하기 위해 UFS 카드의 전극 배치는 SD 카드와 겹치지 않도록 배려되어있다

▲UFS 인터페이스의 물리층. 

M-PHY는 더 대선에서 단방향 차동 전송을 수행하므로 데이터 전송 속도를 높이기쉽다.

▲UFS의 아키텍처. 상호 연결 계층 전송 프로토콜 계층 응용 프로그램 계층 장치 관리자에서 구성

▲UFS 시스템의 블록. 왼쪽이 호스트, 오른쪽이 장치이다. 

호스트 측에 UFS 드라이버가 호스트 컨트롤러를 제어하기위한 인터페이스 "UFSHCI (UFS Host Controller Inerface)"이 규정되어있다

UFS의 기술 사양은 첫 공식 규격 버전 UFS 1.0가 2011년 2월에 출시되었다. 버전 1.0에서는 UFS 카드가 빠져 있으므로 추가적으로 기술 사양을 정리 예정되어있다. UFS 버전 1.0 호환 장치의 샘플은 빠르면 2011년 말에 출시된다.

▲UFS 표준 개발 및 보급 활동 일정

▲UFS 장치의 규격 책정 및 상용화 일정

▲도시바는 2013년 2월

UFS(Universal Flash Storage) 인터페이스 탑재한 임베디드 NAND 플래시 메모리 THGLF0G9B8JBAIE 의 샘플 출시를 개시했다

   

UFS 1.1규격으로 전송속도는 300MB/s.(사타2)

용량은 64GB 패키지 크기는 W12mm × D16mm × H1.2mm의 FBGA.