超行動裝置的記憶體市場趨勢與解決方案

Kingston產品行銷處處長余昭倫

為了因應智慧手機、平板電腦與超極致電腦(Ultrabook)等這些超行動裝置的輕薄化趨勢，建構於超行動裝置內部的腦容量(DRAM、Flash)無論是傳輸速度、介面標準，以至於封裝形式也都隨著進化，並朝向未來系統程式與資料儲存應用的大一統局面…

Kingston產品行銷處處長余昭倫認為，無論是智慧手機(Smartphone)、平板電腦(Tablet)到英特爾力推的超極致電腦(Ultrabook)，這些超行動裝置均具備纖細外觀與輕盈體態，能隨時開機、隨時連網(Always on, always connect)，具備長效電池供電壽命以及多工運算能力，這些都需要高效能、低功耗、多晶片構裝(MCP)且低成本的記憶體。

Ultra Mobile記憶體市場趨勢

余昭倫指出，目前Smartphone、Tablet、Ultrabook在資料儲存的設計上，採用eMMC、eMMC/SSD、SSD/HDD，動態記憶體(DRAM)部份則使用LPDDR、LPDDR/DRAM、DRAM；硬體與作業平台部份，Smartphone多半使用ARM處理器，搭Android系統或者將來的WOA(Windows on ARM)，Ultrabook則使用Wintel(Windows+Intel)或未來的WOA，Tablet部份則有ARM+Android、Wintel與WOA的選擇。

在記憶體？儲存科技進展上，資料儲存的eMMC4.5傳輸速率200MB/s，將進展到eMMC4.51(維持200MB/s)並加強資料安全的功能，將來走向串列化的UFS 3Gbps(提升到300MB/s)；Mobile DRAM部份將從LPDDR2的3.2GB/s傳輸速率，進入LPDDR3的6.4GB/s，再進入到Wide I/O介面所提供的12.8GB/s高傳輸速率；SSD部份將從現有的SATA2 3Gbps、SATA3 6Gbps進入到PCIe Multi lane(多線道PCIe)的介面設計。

而超行動裝置所需要的GB儲存容量，光Smartphone從2010年3億隻增到2015年估計12億隻手機，平均每部手機搭配的NAND Flash容量，將從5.5GB一路增加到7.6GB、10.8GB、14.9GB、19.7GB、25.1GB；而Tablet從2010全球2,000萬部到預估2015年全球2.4億部出貨量，每部平板電腦平均搭配NAND Flash容量從28.7GB逐年增加到30.1GB、37.6GB、56.8GB、76GB、96.1GB。加計Smartphone以及Tablet，2012年全球有4.5億部行動裝置均使用eMMC。

eMMC規格與技術演進

余昭倫先介紹eMMC (embedded MultiMedia Card)，eMMC是JEDEC協會所推出的低成本的數據存儲媒體規範，JEDEC同時也是制定DRAM以及NAND flash相關規格的組織。藉由NAND 快閃記憶體與MMC 控制晶片的多晶片FBGA封裝方式，eMMC可達成超行動裝置所要求的輕薄外型，eMMC的電性規格則比一般MMC/SD card強調省電、資料安全以及隨機存取速度，適合智慧型手機、平板電腦、數位相機、MP3播放機、GPS、電子書、電子玩具以及電玩機等應用領域。

余昭倫指出，目前NAND flash 被大量的應用在消費性電子產品上，除了輕薄的優點之外，成本競爭力是最大考量，半導體製程的世代演進可以使單位成本逐年下降，NAND flash去年的主流製程是3xnm，今年則是2xnm甚至轉入1xnm，幾乎每年一個新製程，演進速度快過半導體摩爾定律。另外，MLC (Multi-Level Cell)技術的導入使成本更進一步下降，目前的主流是2-bit-per-cell，有些應用甚至使用更低成本的3-bit-per-cell。

其次，每一個世代的NAND Flash規格也不斷再改變，新世代NAND Flash有更高的位元錯誤率、更大的記憶頁(larger page)與抹除區塊(larger block)、AC時脈訊號改變，以及新命令的增加，這些新的規格需要新的CPU來管理，傳統主控CPU(Host CPU)無法每一年為新的NAND Flash更新，因為不具備成本效益，因此藉由Flash Controller快閃記憶體控制晶片做為NAND Flash與Host CPU之間橋樑。

但即使有Flash Controller與NAND Flash溝通，傳統HOST CPU仍需負責檔案轉換層(FTL)、驅動程式(Drivers)與ECC修正；eMMC藉由將MMC Controller跟NAND Flash封裝成一顆晶片的方式，由eMMC內部做好 FTL、Drivers與ECC，傳統HOST CPU僅需透過MMC Bus直接讀寫資料即可，如此可為CPU省去不少麻煩。

余昭倫也提到，JEDEC定義的eMMC封裝上有169-ball與153ball FBGA兩種，尺寸有11.5 x 13 x 1.3 (153ball)、12 x16 x 1.4 (169ball)、12 x 18 x 1.4 (169ball)與14 x 18 x 1.4 (169ball)，所有的訊號接腳均為相容的設計。eMMC從v4.4開始提供開機操作(Boot operation)功能，對智慧手機來說可以省下SRAM與NOR Flash元件。

Sleep Mode提供待機與睡眠模式之間的切換以達到節電功能，Reliable write即時突然電力中斷，仍可確保資料存在無誤，Replay Protected Memory Block (RPMB)設定某區域編碼防護，需有密碼與開啟鎖鑰才能存取使用，Multiple Partition可劃分不同分割區用不同的OS開機，並指定某一區域使用RPMB區域。

從eMMC v4.41開始，加入Background Operations背景操作與High Priority Interrupt (HPI)，可以使eMMC優先執行最重要的指令，以解決NAND flash無法同時讀與寫的困境，此項功能可說是專為智慧手機所設計的。

eMMC v4.5增加了HS200、Discard、Sanitize、Packed commands、Context IDs、Power off notification、Data Tag、RTC等功能。HS200保留過去eMMC 26/52/104MB/s傳輸速率的相容性，並新增加200MHz操作時脈。

另外新增加的命令部份，像是Discard可讓host定義無效的記憶體區塊；Sanitize命令，則提供主控裝置下達抹除指令時，真正對儲存該資料的實體區塊進行徹底抹除的功能，如此可避免幾年前像陳冠希把私密資料刪除，但實體資料還存在而導致照片外流的情況；Packed command可將待處理的命令依照其運作特性，分門別類的分組封包起來，做有效率的批次處理以增加整體系統運作效率，Data Tag針對儲存資料被存取叫用的頻繁次數做標籤分類化，可增加系統處理的效率，Power off notification則是當裝置突然要斷電時，主控晶片會發通知給eMMC控制器晶片，讓它斷電之前可以預先因應。

結合eMMC與SSD大一統的UFS

余昭倫指出，Universal Flash Storage (UFS)將以往eMMC安全、低功耗、小尺寸封裝的應用，以及SSD串列化高速介面、SCSI命令格式、高效能的應用做統合，未來將有UFS規格的UFS Card產品，或適用於嵌入式應用的eUFS記憶體晶片。

UFS架構上，使用到由手機？產業鍊業者共同遵循的MIPI(Mobile Industry Processor Interface)的M-PHY實體層技術，往上整合UniPro(CSI-3、DSI-2、UFS)介面層，並且在協議層階段納入目前僅SATA SSD才具備的SCSI命令集的支援與處理能力。UFS等於是結合了SSD與eMMC所有的好處，專為高效能超行動裝置所開發的記憶體規格。目前UFS 1.1規格傳輸速率達到3Gbps，未來UFS 2.0將可進一步達到6Gbps。

由於UFS跟既有的eMMC介面迥然不同也無法相容，即便UFS 1.0在2011年就公佈，但相關產業供應鍊尚未齊全，整個產業生態尚未建立，他預估到2013年底之前還是由eMMC佔市場主流，而UFS預估到2013年底才會有工程樣品？雛型產品，到2014年才有小量產品在市場上市，UFS因為成本因素會瞄準在高階市場，UFS與eMMC兩者屆時會並存在市場上一陣子。

余昭倫最後提到金士頓Kingston對Ultra Mobile的記憶體產品規劃，Kingston金士頓將在2012年推出一系列為智慧型手機以及平板電腦所設計的完整記憶體方案。針對高階智慧手機(Smartphone)及平板電腦(Tablet)來說，2012年會推eMMC v4.5的產品，容量從4GB到64GB，2013年轉到eMMC v4.51，容量從4GB到128GB，2014年則正式推UFS 1.1或2.0的產品，容量從64GB起跳到256GB。

中階智慧手機與平板電腦而言，中階智慧手機的CPU無法做PoP(Package on Package)，若用獨立的eMMC晶片與LPDDR晶片會太佔空間，因此金士頓Kingston在2012~2013年將提供把eMMC v4.5與低功耗DDR2，以MCP多晶片構裝方式封裝成一體的晶片產品(eMMC 4.5 + LPDDR2 MCP)，此產品線專為Android 4.0的中階智慧型手機所設計，同時兼顧成本與效能。至於面對大陸2012年約1.2億隻低階入門手機需求，Kingston金士頓在2012~2013推出NAND Flash晶片搭與低功耗DDR封裝在一起的NAND + LP DDR MCP產品，目前已經得到主流晶片的驗證通過，並已開始出貨。
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