手机性能再进化——跑步进入UFS 4.0和LPDDR5X时代

2020年手机市场正式步入高通骁龙865时代之后，我们越来越多地听到“性能铁三角”和“手机核心性能的三驾马车”的说法。在各种旗舰级智能手机之中，处理器的进化和迭代永远都是手机用户最为关注的话题，不少数码爱好者对历代骁龙处理器的性能甚至如数家珍。而对另外两个“角”，熟知它们的用户却少之又少。事实上，最新旗舰SoC+满血版LPDDR5和UFS 3.1，已经成为各手机品牌旗舰新机的标准配置。而最近，下一步我们即将迎来的UFS 4.0和LPDDR5X也是初见端倪。

什么是UFS？

UFS（Universal Flash Storage）即通用闪存存储，同样是美国JEDEC固态技术协会（它也是全球微电子产业的领导标准机构）在2011年推出的闪存存储标准。在近些年UFS成为智能手机的标配之前，SD和eMMC曾是手机存储的主力军。SD早被淘汰，eMMC也因为采用并行数据传输，难以提升传输速率，抗干扰能力差，半双工工作模式导致不能同时进行读写等问题，被更先进的UFS所逐渐取代。

UFS最早是由JEDEC在2011年推出，采用全新的差分串行传输技术，可同时读写操作。此外，UFS支持多通道数据传输（目前最多支持两个通道），可以让UFS在成本、功耗和性能之间做出取舍和平衡。而且UFS支持命令队列和异步命令处理，主控可以同时可以分发多个命令，然后UFS闪存支持并行和乱序执行，谁先完成谁先返回状态。不过由于第一代UFS由于与当时eMMC标准速度差异不大，且成本较为高昂，因此并未成功普及。直至2014年连续读取速度可达800MB/s的UFS 2.0标准推出，该标准的存储产品才开始逐渐获得Android阵营的青睐。目前最新的UFS 3.1标准设计每通道带宽为11.6Gbps，连续读取速度约为1700MB/s，写入增强器（SLC非易失性缓存）的加入使其连续写入速度达到700MB/s（西部数据引入第六代SmartSLC缓存技术，写速最高可达800MB/s），而eMMC5.1最高支持的连续读写速度仅为300MB/s左右。

除了速度方面的提升，UFS 3.1还增加了深度睡眠技术和性能限制通知，前者可以实现当存储器没有读写动作时，进入深层睡眠模式，来达到降低功耗的目的；后者则是在设备过热时，由UFS通知主控系统限制读写性能，以降低闪存温度。此外还有一个可能很多手机用户熟悉的功能，那就是内存扩展。该技术其实也是源于JEDEC为UFS 3.1增加的主机性能增强器扩展的配套功能，它允许系统将UFS设备的逻辑-物理地址映射缓存在系统运存中。

也许这些提升在消费者的观感上，还没有那么明显，但接下来UFS 4.0所具备的另一项“神技”，却值得所有手机用户为之欢呼。

UFS 4.0和FBO技术

今年年底之前，我们将迎来更高速的UFS 4.0。据目前已知的消息，UFS 4.0不仅能够让每通道带宽增至23.2Gbps，是UFS 3.1的两倍，连续读写速度分别可望达到4200MB/s和2800MB/s，更有可能带来最高1TB的存储容量规格。而除了更快的速度和更高的容量之外，最令人兴奋的是此前在今年7月刚发布的小米12S Ultra旗舰新机上，小米联合西部数据首发的FBO焕新存储技术，也被JEDEC协会纳入了UFS 4.0标准；并且在下一代技术量产后，将向全行业开放。

西部数据公司中国区智能终端产品事业部高级销售总监文芳

西部数据公司中国区智能终端产品事业部高级销售总监文芳表示：“如今，5G技术的应用不断推动手机行业日新月异的发展。更高分辨率的视频和图像内容、复杂丰富的应用程序以及实时的通讯交互等等，都对手机系统架构的各方面性能提出了更高要求，也给存储带来严峻的挑战。西部数据深耕存储多年，在闪存领域和手机存储行业拥有深厚的技术积累和专业的技术优势，我们很高兴能够与国内领先的智能手机厂商小米携手，推动FBO焕新存储技术的研发和落地，成功协助小米成为首个实现FBO的手机厂商。FBO技术也被JEDEC成功列入下一代闪存标准UFS4.0的正式规范中。在互联技术日益复杂的未来，西部数据将持续与更多行业合作伙伴开展深度合作，推动手机存储技术的创新和行业生态的良性发展，携手以‘数造辉煌’。”

西部数据iNAND MC EU551嵌入式闪存器件

FBO焕新技术，全称为File-based Optimization，主要用在UFS存储芯片中自动检测、自动整理手机存储碎片。根据官方资料显示，小米12S Ultra手机中采用的是西部数据iNAND MC EU551系列UFS 3.1产品，其自身的随机读取和写入性能提升约100%和40%，顺序读取/写入性能提升幅度分别为30%和90%。一台全新的小米12S Ultra读取速度可达1900MB/s，小米工程师模拟4年多的使用时长后，存储芯片的读取速度会降低至400MB/s。但在FBO焕新存储功能生效后，其读取速度又可以恢复到1900MB/s，接近一台全新手机。换句话说，采用该技术后，手机可以避免长期使用后出现的性能下降问题，将存储速度衰减降低至零！

西部数据公司产品营销总监张丹表示：“手机长期使用过程中会进行大量的文件写入和删除，因此产生存储碎片，导致手机读写性能的大幅下降，这是安卓手机用户和行业长期以来的痛点。本次西部数据与小米的强强联合，在全新的XIAOMI 12S ULTRA中实现了创新的FBO焕新存储技术，通过巧妙的性能设计创新性地建立了文件系统与UFS闪存硬件之间的连接，为消费者带来了理想的碎片整理解决方案，能够将长期使用后的手机读性能提升至接近一台全新的手机，优化最终用户在启动APP、观看视频等场景的使用体验。凭借在闪存领域的独特技术优势，西部数据也将持续与手机厂商保持密切沟通，积极针对消费者的体验进行优化和升级，满足数字时代下消费者对于数据存储的多样化需求。”

西部数据公司产品营销总监张丹

而FBO不仅仅可以实现碎片清理，还从硬件层面写入UFS闪存主控芯片，将“整理”功能固化其中，让手机存储中的已有文件可以重新排列组合，变为连续性的存储分布。就好像是在杂乱的书架上将书本按照编号进行整理，能极大地提升寻找的效率。这也意味着，手机圈“钉子户”们的最后一重顾虑也被彻底消除。

什么是LPDDR？

LPDDR全称是Low Power Double Data Rate，即低功耗双倍数据速率技术，是美国JEDEC固态技术协会面向低功耗内存而制定的通信标准。我们知道当前桌面PC产品采用的内存基本都是DDR内存，所以LPDDR内存，就可以简单地看作是低功耗DDR内存，或者说LPDDR内存就是由DDR内存演化而来，它主要应用于移动端电子产品。

不过从LPDDR4开始，它和DDR内存走上了截然不同的发展道路。随着移动市场的持续增长，手机等产品对内部硬件速率和续航指标的需求也在提升。LPDDR4设计之初的目标，就是将I/O接口的数据速率由LPDDR3的2133Mbps提高到了3200Mbps乃至4266Mbps。为实现这一目标，JEDEC委员会成员不得不重新设计LPDDR的架构，从此前的16位单通道芯片改为每通道16位的双通道芯片，总位数达到32位。双通道架构缩短了数据信号从存储器阵列到I/O粘贴片的传送距离。这样就降低了LPDDR4接口所要求的大量数据传输所需要的功耗。而且双通道架构使得时钟与地址总线可以同数据总线放在一起。因此，数据总线到时钟及地址总线之间的偏斜得以降到最小，从而使得LPDDR4器件达到更高的数据速率。

此外，LPDDR4成功将预读取位数由原来的8位突破到了16位，同时其运行电压进一步降低至1.1V，并通过改变I/O接口信号发送方式、支持宽范围频率下的节电功能等一系列革新，使得LPDDR4在移动端大获成功，不仅抢先于DDR4更先商用，也受到了移动端市场的广泛欢迎，得以快速普及。

而LPDDR5则更进一步，一方面它从LPDDR4和LPDDR4X的单车道Bank Group架构，改为支持多车道Bank Group架构，进一步提升了传输数据带宽。相比LPDDR4X，LPDDR5的数据传输速率从4266Mbps提升至5500Mbps，传输带宽从34GB/s提升到了44GB/s。此外在功耗方面，LPDDR5内部有三组电压，搭配新加入的DVFSC和DVFSQ功能，进一步降低功耗达20%。LPDDR5在商用普及方面同样快于DDR5，2020年12月首发搭载LPDDR5满血版的小米11，在内存速度上可达到6400Mbps。注意，这里的“满血版”就是达到当前旗舰处理器理论支持的内存传输速率上限的意思。

LPDDR5X带来更多可能

“性能铁三角”迭代的脚步在今年不仅没有停驻，反而前进地速度更快了。就在前不久，LPDDR5X内存已经开始登陆手机终端新品。根据相关数据显示，LPDDR5X内存在各个场景下的功耗得以大幅降低，其中短视频功耗降低30%，长视频功耗降低25%，游戏功耗降低30%，综合下来实际日常使用的功耗课降低20%左右。

相比起满血版LPDDR5，LPDDR5X带来的提升主要有三点，分别是数据传输速率从6400Mbps增至8533Mbps，提升幅度高达33%；TX/RX均衡改善信号完整性；以及能通过新的自适应刷新管理提高可靠性。而且，对于支持8533Mbps LPDDR5X内存的移动SoC，其峰值理论可用带宽将进一步增长到68.26GB/s！

此外，值得注意的是，业内已宣布LPDDR5X单芯片容量可以达到16GB，这也意味着当今年年底或明年年初LPDDR5X内存及支持该内存规格的移动SoC普及后，常规的旗舰机运存容量有望从12GB提升到16GB！此外据业内人士透露，LPDDR5X的性能“（能让手机）将夜景模式下的分辨率提高50%，拍摄速度提升35%，从而拍出色彩更鲜艳、成像更清晰的照片；还支持将人像模式和夜景模式引入视频，使用户在暗光环境下也能拍出与照片一样惊艳的高清视频。”

另外，LPDDR5X传输速率甚至还在实验室阶段突破10000Mbps，相比JEDEC发布的标准，即8533Mbps还要再高出17.2%。同时，其延迟也降低了15%，非常适合5G通信、汽车高分辨率AR/VR、AI边缘计算等应用场景。

性能铁三角之所以被称为“铁三角”，正是因为这三大核心硬件之间相互协作、相辅相成的关系牢不可破。运存和存储技术的高速发展，与移动处理器的快速迭代，共同推进了智能手机性能的不断攀升。而5G高速下载、4K视频录制以及更多移动智慧场景，对高效的数据传输提出的要求，也正不断推动着像UFS和LPDDR这样的技术标准的普及和进化。下一步，我们就将迎来UFS 4.0和LPDDR5X时代，那里的风景必会更加精彩。