Jak szybka jest pamięć w smartfonach? Tłumaczymy standard UFS

Standard UFS (dokładnie UFS 2.0) zadebiutował w smartfonach w 2015 roku wraz z premierą Samsunga Galaxy S6. I nie jest to żadne zaskoczenie, bo koreańska firma to największych producent pamięci NAND na świecie, dlatego zapewnił sobie takie kości jako pierwszy. Wcześniej producenci smartfonów korzystali ze standardu komunikacji eMMC, który ma swoje ograniczenia i przestał być wystarczający wraz z rozwojem aparatów oraz coraz większymi możliwościami procesorów. Na czym polegała główna różnica między nimi?

Jak działa UFS?

Zarówno standard eMMC jak i UFS korzysta z pamięci NAND, tutaj nie ma wielkich różnic, choć oczywiście w UFS z racji większych możliwości wykorzystywane są szybsze kości. Oba te skróty odnoszą się do standardu komunikacji między procesorem (Host), a pamięcią. Różnice są tak naprawdę dwie, w przypadku eMMC komunikacja jest równoległa i działa w trybie half-duplex, co oznacza, że procesor może albo dane zapisywać albo odczytywać z pamięci, nie może robić dwóch rzeczy naraz. Taki wybór został dokonany w celu obniżenia zużycia energii.

W standardzie UFS wykorzystano natomiast całkowicie nowy sposób komunikacji - LVDS - Low Voltage Differential Signalling. Przy zachowaniu niskiego zużycia energii udało się wprowadzić komunikację w trybie full-duplex, na dwóch niezależnych liniach. Dzięki temu procesor może w tym samym czasie zapisywać jak i odczytywać dane. To ma oczywiście szereg zalet, które ostatecznie objawiają się wyższą wydajnością.

źródło: Samsung

Druga różnica to wykorzystanie w UFS mechanizmu SCSI Command Queue. Wynika to po części z większych możliwości interfejsu komunikacyjnych. Wszystkie zapytanie do pamięci w standardzie UFS są szeregowane i mogą być wykonane równolegle, co objawia się przede wszystkim wyższą wydajnością w operacjach losowych. W przypadku eMMC każda kolejna operacja na pamięci może odbyć się dopiero wtedy gdy poprzednia zostanie zakończona. I to właśnie dlatego standard UFS wykorzystywany jest we wszystkich najwydajniejszych smartfonach, poza smartfonami iPhone, które korzystają z interfejsu NVMe.

Czytaj dalej poniżej

Ładowanie indukcyjne - możliwości i przegląd smartfonów Krzysztof Kurdyła

Formaty, które nie chcą odejść - JPEG Daniel Oziębała

UFS 3.0 - game changer?

Pod względem czystej prędkości standard UFS 2.0 wcale nie był znacznie lepszy niż eMMC 5.1, co dobitnie pokazuje poniższa tabelka. Większe korzyści z tej technologii udało się uzyskać dopiero w gdy pojawiły się pamięci UFS 2.1, które w porównaniu do eMMC 5.1 zwiększyły odczyt sekwencyjny ponad trzykrotnie, a zapis ponad dwukrotnie. Jeszcze mocniej wzrosła też wydajność w operacjach losowych (IOPS).

Nadal nie były to jednak jeszcze wartości, które robiłyby wrażenie na posiadaczach komputerów. To zmieniło się jednak wraz z premierą standardu UFS 3.0, który jest dzisiaj powszechnie stosowany we flagowych modelach smartfonów. Teoretyczne możliwości tego interfejsu to odczyt z prędkością 2100 MB/s oraz zapis rzędu 410 MB/s, co musi robić już wrażenie. W praktyce wartości te są nieco niższe, mój OnePlus 7T osiąga w AndroBench wartości rzędu 1400 MB/s przy odczycie, 200 MB/s przy zapisie oraz około 35 000 - 40 000 IOPS w operacjach losowych. To i tak ogromny postęp w porównaniu do poprzedniego OnePlus 3, który osiągał 425 MB/s przy odczycie i 168 MB/s przy zapisie, a korzystał z pamięci UFS 2.1.

Czy naprawdę potrzebujemy szybkiego przesyłu danych?

Można oczywiście się spierać, że szybsza pamięć to tylko fanaberia, która nie jest nam wcale potrzebna, bo smartfony i tak są już wystarczająco szybkie. Takie stwierdzenia nie mają jednak racji bytu, bo przy takim podejściu nadal pewnie korzystalibyśmy z telefonów pokroju Nokii 3310. I wcale nie jest tak, że szybsza pamięć najpierw powstaje, a później producenci zastanawiają się do czego ją wykorzystać. Zazwyczaj jest to już odpowiedź na zapotrzebowanie rynku.

Obecnie największe wyzwanie dla wbudowanej pamięci stanowią coraz to bardziej rozbudowane moduły aparatów w smartfonach. Nie tylko pozwalają one robić zdjęcia w niebotycznych rozdzielczościach, ale mogą zrobić ich kilkanaście w czasie kilku sekund, aby wybrać to najlepsze. Do tego dzisiaj już nikogo nie dziwi, że smartfon może nagrywać wideo w rozdzielczości 4K przy 30 klatkach na sekundę, a de facto procesory takie jak Snapdragon 865 pozwalają nawet nagrywać w 8K. Wszystkie te operacje potrzebują szybkiej pamięci, która będzie w stanie zapisać te dane, jednocześnie będąc dostępną dla innych procesów w naszym smartfonie. Dlatego na UFS 3.0 na pewno rynek się nie zatrzyma.

Nic nie trwa wiecznie, czyli co po UFS 3.0?

Jak pewnie zauważyliście w tabelce powyżej jest już wpis dotyczący pamięci UFS 3.1. Samsung zapowiedział nową generację raptem kilka dni temu, dlatego nie ma na rynku jeszcze urządzeń, które z niej korzystają. Najważniejsze zmiany w nowej wersji dotyczą trzykrotnego przyśpieszenia prędkości zapisu z 410 do 1200 MB/s oraz znacznie lepszej wydajności w operacjach losowych przy odczycie. Można oczekiwać, że tego typu pamięć trafi do kolejnych flagowych modeli Galaxy Note 20 i Galaxy Fold 2 na czele. Pamięć UFS 3.1 powinna pozwolić na bezproblemowe nagrywanie wideo w rozdzielczości 8K, a także na jeszcze szybszą instalację aplikacji czy ich uruchamianie. I z pewnością nie będzie to ostatnia iteracja tego standardu.