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USB 3.0隨身碟與eMMC的市場趨勢

  • DIGITIMES企劃

銀燦科技副總經理魏智汎

隨著NAND Flash記憶體單位成本不斷下降,以及高效能/主流/入門市場UFD容量需求的向上挪移,如何使用目前最具備單位容量成本競爭力的TLC NAND記憶體,同時發揮USB 3.0高速傳輸的效益,隨身碟控制器廠商開發出以USB 2.0 UFD成本結構、設計相同,可搭配TLC且提供高容量、高性價比的USB 3.0 UFD解決方案,同時針對eMMC的發展趨勢提出對應的產品…

隨身碟的市場區分與USB 3.0方案的導入

銀燦科技副總經理詹政峰

銀燦科技(innostor)副總經理詹政峰指出,隨著NAND Flash容量增加與單位成本的下降,在2010年高階效能UFD(USB Flash Drive)容量為32GB,主流UFD為8〜16GB,低於10美元的入門市場為4GB,2GB以下為禮品市場。2011年高階效能UFD為64GB,主流UFD為16〜32GB,入門市場為8GB,4GB以下為禮品市場。預料2012年高階效能UFD容量為128GB,主流UFD為32〜64GB,入門市場UFD普遍為16GB,8GB與4GB以下則為禮品市場。

以1CH、2ynm甚至1xnm的 TLC記憶體組合來看,4GB容量(32Gb Die,SDPx1)的循序讀、寫為60、7MB/s,8GB(64Gb Die,SDPx1)則為60、6MB/s,16GB(64Gb Die DDPx1, SDP x2, 128Gb SDPx1)循序讀、寫為80、10MB/s,32GB(64Gb Die QDPx1, DDP x2, 128Gb DDPx1, SDPx2)循序讀、寫為80、20MB/s,主流效能的64GB (64Gb Die QDPx2, 128Gb Die QDPx1,DDPx2)與128GB容量(128GB Die QDPx2)的循序讀、寫速度都可達到80、30MB/s;若搭上USB 2.0的UFD控制器,則循序讀、寫速度僅20 ~ 25 MB/s、3〜7MB/s。

銀燦提出彈性化單通道配置(Flexible 1 Channel Configuration)設計,PCB大小僅14 x 33mm,且不含Flash的BOM表成本僅0.6美元。他也展示以各種單通道TLC Flash矽晶組合下,Crystal DiskMark v3測試的循序讀取速度可達到64〜65、76、82.4MB/s,寫入速度達到10.28〜35.39MB/s,4K QD隨機讀取速度在3.711〜5.358MB/s,4K QD隨機寫入速度在0.113〜0.255MB/s。目前USB 3.0 COB UFD尺寸,可以做到跟USB 2.0 COB UFD一樣的11.3mm x 24.8mm,僅厚度略增為2mm。銀燦針對1CH MLC/TLC入門COB以及2CH MLC高效能COB,提出了超過30種COB基板解決方案。並通過各式Intel/AMD南橋主控與多家USB 3.0主控晶片的驗證。

以成本╱效能做USB 3.0 UFD市場規劃

目前1CH MLC循序讀取速度達70〜110MB,寫入速度則是12MB * CE# 數(例如4CE顆粒就是48MB/s),而1CH TLC循序讀取速度達55〜100MB/s,寫入速度為5MB * CE#數(例如4CE顆粒就是20MB/s)。採2CH MLC的循序讀取速度150〜280MB/s,循序寫入速度為12/20MB * CE#*2ch數(例如2CH 2CE顆粒就是48〜80MB/s);而2CH TLC循序讀速度達140〜220MB/s,循序寫可達5/7MB * CE# * 2ch(例如2CH 4CE顆粒就是40〜56MB/s)。在市場比較注重寫入速度下,可藉由較高CE#的顆粒與雙通道搭配,提昇產品的寫入速度。另外採較高DDR時脈的NAND Flash顆粒,可以增加讀取速度,但相對的整個UFD功耗也跟著提昇,設計者在效能與功耗上必須做取捨。

銀燦對USB 3.0 UFD市場規劃上,大於128GB的UFD屬頂級市場,而循序讀>200MB/s、寫80〜150MB/s定位在高階市場,僅需使用2CH MLC 4〜8Die即可達成;循序讀80〜200MB/s、寫30〜80MB/s定位在中階市場,僅需搭配1CH 4Die 或2CH 2Die MLC/TLC顆粒即可達成;循序讀50〜100MB/s、寫5〜30MB/s則定位主流市場,僅搭配1CH 1~2Die MLC/TLC顆粒即可;USB 2.0 UFD僅在極低成本的禮品市場上存活。

應用於WTG的UFD加速方案

詹政峰提到微軟Windows 8提供了WTG(Windows To Go)的應用,做為課程訓練、資訊站(Kiosk)、學校、網路咖啡店與實驗室裝置的啟動應用,使這些數位裝置無須硬碟,能直接以隨身碟開機運作。要啟用WTG,UFD容量至少要32GB,安裝完OS之後須預留8GB空間做為磁碟快取,另外裝置不支援USB Attach SCSI Protocal(UASP),且隨機4KB Read IOPS大於2,000,而隨機4KB Write IOPS大於200,UFD的隨機讀寫IOPS數值,是用戶操作體驗的關鍵。

他指出當前許多32GB USB 3.0 UFD可輕易達到40 ~ 100 MB/s循序寫入速度,但是導入用戶體驗,像是複製、播放MP3音樂檔案時,傳輸效能降到15〜24MB/s,這是因為低價隨身碟架構上,其隨機讀寫效能普遍都太慢;若採用類似SSD的方案來設計,隨機檔案讀寫效能雖然改善,但用戶不一定能接受這多出來的成本。

銀燦科技開發出效能強化軟體AI Copying Boost,原本IS916 UFD複製1,000個4KB檔案需時13秒,複製1,000個1MB檔案需82秒,啟用AI Copying Boost軟體後,複製時間降為2秒、66秒,跟一般USB外接SSD複製時間3秒、72秒相比,兩者複製效能在伯仲之間甚至更快。以Crystal DiskMark v3.0測試,原始IS916 UFD循序讀、寫取速度為149.7、45.55MB/s,4K QD32為7.852、0.174MB/s;以AI Copying Boost進行軟體優化後,循序讀、寫取速度提升到176.2、50.59MB/s、特別4K與4KQD32隨機寫入速度提昇為48.48、49.11MB/s,較原先提昇了270倍,提供了進入Windows 8環境下,無停滯的暢快操作體驗。

eMMC的技術及市場趨勢

銀燦科技副總經理魏智汎,提到MMC是JEDEC所訂立,採用多晶片封裝(MCP)將Flash Memory和Controller控制晶片包裝在一顆BGA封裝內。eMMC適用於嵌入式系統產品,特別以手機產品為大宗。MMCA與JEDEC組織於2006年宣佈eMMC商標與規範定義,在2008年公佈eMMC v4.3規格,該年MMCA亦併入JEDEC組織;2009年eMMC v4.4追加DDR50、BGA封裝與編碼防護,2010年eMMC v4.41追加了HPI介面與背景操作;2011年UFS 1.0與eMMC v4.5規格出現,後者追加HS200等多項功能;在2012年eMMC v4.51僅有少許更動,同年將推出UFS 1.1規格。

eMMC多應用於像是手機、平板等嵌入式系統,廠商無須因為NAND Flash供應商或製程世代的不同,而去重新設計並解決NAND Flash相容性問題。把eMMC晶片放入手機,可縮短新產品的上市週期和研發成本,加速產品的推出速度。跟SDA協會的eSD規格相比,eMMC還具備了還有三大優點:1.將Boot做法規格化,解決Boot的相容性問題。2.在現有parallel interface情況下,提供兩倍快的效能。3.eSD和SD卡一樣要收6%權利金,eMMC則免費。他認為eMMC是一個很好的解決方案,來處理NAND Flash相容性問題。

目前eMMC規格已發展到eMMC v4.5,追加了像Extended Partition、RTC 與Discard等功能,未來會由UFS (Universal Flash Storage)標準來接棒。UFS規格主要訴求是更快傳輸速度,更低功耗,以期望陸續獲得各手機大廠或是平板電腦大廠的認證。目前市場對eMMC的應用,以ARM Based+Android OS的平板╱智能手機,ARM Based的Windows RT平板╱智能手機,Intel Medfield+ Android OS的平板╱智能手機,均支援eMMC而不使用Flash與SATA介面。

而蘋果A5/A6+iOS平台,僅採用單一Flash介面,而不使用eMMC或SATA介面,而Intel x86+Windows 8或Intel x86+iOS平台則使用SATA介面,而不使用eMMC或單一Flash介面。他認為eMMC已涵括大部分Consumer的要求,再加上Intel與Microsoft的支持,將會是未來業界共通的標準。可期待eMMC出貨量逐年的成長,同時在Flash製程演進下,eMMC要支援最新的Flash,並且壽命不能打折。eMMC與eMCP將會同時並存於市場。

銀燦eMMC產品規劃

魏智汎介紹銀燦eMMC產品規劃時程表,2012年Q3將以130nm製程推出支援eMMC 4.5、19nm MLC,採單矽晶堆疊的IS510 eMMC晶片;隨後將在Q4推出支援19nm MLC的多矽晶堆疊的IS511 eMMC晶片;2013年Q3將以65/55nm製程技術,支援1ynm MLC/TLC與BCH/LDPC解碼的IS521 eMMC晶片;2014年下半則會推出支援UFS 1.0規格、高速Toggle 2.0 / ONFI 3.0工作模式的1ynm MLC/TLC記憶體矽晶,與BCH/LDPC解碼的IS551 eMMC晶片。

目前IS510 eMMC已經送樣,採12mm x16mm BGA169封裝,內嵌19nm MLC(6DCJ) 64Gbit矽晶,提供SDR50與HS200 eMMC工作模式,並通過HS200高速讀卡機的讀寫驗證。Crystal Diskmark v3測試出循序讀、寫速度為79.4、12.33MB/s,4K隨機讀、寫速度為12.71、3.11MB/s。

IS510在配置Toshiba 19nm 6DCJ x1die,Win7環境跑IO Meter選100MB區塊做平均3分鐘讀寫測試,4K隨機讀取2,650IOPS、4K隨機寫入750IOPS的效能;若以相同配置x1/x2/x4 6DCJ Die,Win7環境以IO Meter選擇1GB區塊做平均3分鐘讀寫,IS510的4K隨機讀取約3,000IOPS、4K隨機寫入為140 x Die數(如4die為560),也勝過 S公司同樣1CH 2 Die配置的eMMC產品。整體說來IS510能較競爭對手產品,在隨機讀取效能提昇200%,隨機寫入效能提昇150%。

Q4推出的IS511,搭三星K9GCGD8U0A,與S公司同樣配K9GCGD8U0A的eMMC產品相比,IS511 32GB(x4 GCG)的4K隨機寫入IOPS為580.6,4K隨機讀取IOPS為2472,超過S公司32GB(x4 GCG) 的表現;均符合Windows To Go(WTG)的4K隨機寫200以上。4K讀取IOPS大於2,000的效能規範。