هر آن چه باید درباره ی استاندارد حافظه UFS بدانیم

استاندارد حافظه فلش UFS یکی از جدیدترین استانداردهای ذخیره‌سازی برای گجت‌های هوشمند محسوب می‌شود که سرعت انتقال داده‌ی بیشتری ارائه می‌کند.

استاندارد حافظه‌ی فلش یونیورسال با نام کامل Universal Flash Storage و مخفف UFS، یک استاندارد مخصوص حافظه‌های فلش است که در انواع دستگاه‌های الکترونیکی مصرفی از گوشی‌های هوشمند تا دوربین‌های دیجیتال و موارد مشابه به‌کار می‌رود. هدف اصلی از توسعه‌ی استاندارد مذکور، ارائه‌ی سرعت انتقال بالاتر در حافظه‌های ذخیره‌سازی بود که همراه‌با پایداری بیشتری در حافظه‌های فلش به‌دست می‌آید. از اهداف دیگر توسعه‌ی استاندارد UFS می‌توان به ازبین‌بردن چالش‌های کنونی بازار و نیاز به آداپتورهای گوناگون برای کارت‌های گوناگون اشاره کرد.

رشد سریع دستگاه‌های هوشمند همراه در دست مصرف‌کننده‌ها در سال‌های گذشته، باعث شد تا تولیدکننده‌ها با چالش‌های جدی توسعه و ساخت محصولات ذخیره‌سازی روبه‌رو شوند که نیازهای مصرف‌کننده را به بهترین نحو برطرف کند. پهنای باند بالاتر، ظرفیت بیشتر، مصرف نیروی کمتر و هزینه‌ی پایین‌تر، چهار اولویت اصلی تولیدکننده‌ها در ساخت حافظه‌های همراه بوده است. در مسیر همین پیشرفت‌ها، فناوری ذخیره‌سازی فلش و استانداردهای آن در سال‌های گذشته دست‌خوش تغییر و توسعه شد.

استاندارد UFS برای دستگاه‌های موبایلی و سیستم‌های کامپیوتری توسعه یافت که به کارایی و سرعت بالا و مصرف برق پایین نیاز داشتند. این سیستم‌عا عموما مجهز به حافظه‌های فلش امبدد هستند که از استاندارد سازمان JEDEC موسوم به eMMC پیروی می‌کند. درواقع استاندارد UFS توسط JEDEC یا Joint Electron Device Engineering Council توسعه یافت تا با ارائه‌ی پهنای باند بسیار بیشتر، جایگزین eMMC شود. استاندارد کنونی براساس استانداردهای موجود متنوع همچون SCSI و M-PHY و UniProm توسعه یافت و از مفاهیم eMMC نیز در آن استفاده شد.

به زبان ساده UFS با این هدف توسعه یافت تا محدودیت‌های سرعت کارت‌های میکرو‌اس‌دی موجود در گجت‌های همراه را از بین ببرد. کارت‌های میکرواس‌دی معمولی سرعت نوشتن و خواندن کمتر از ۱۰۰ مگابایت‌برثانیه دارند. حتی کارت‌های حرفه‌ای‌تر آن دسته که به‌نام UHS-II هم شناخته می‌شوند، توانایی ارائه‌ی سرعت بیشتر از ۳۱۲ مگابایت‌برثانیه ندارند. درحالیکه تجهیزات مجهز به استاندارد UFS توانایی ارائه‌ی سرعت تا ۵۳۰ مگابایت‌برثانیه را دارند و به‌نوعی با سرعت SSD برابری می‌کنند.

از کارایی‌های مهمی که UFS به تجهیزات ذخیره‌سازی اضافه کرد، می‌توان به افزایس سرعت پردازش داده در تجهیز ذخیره‌ساز اشاره کرد. IOPS یا Inputs and Outputs Per Second در هر تجهیز ذخیره‌ساز، به‌معنای توانایی آن در ارائه‌ی سرعت بالای پردازشی است؛ فاکتوری که در کارت‌های microSD حداکثر سه هزار و در کارت‌های UFS تا ۴۰ هزار گزارش می‌شود. این فاکتور در درایوهای SSD حدود ۷۰ هزار گزارش می‌شود. 

تاریخچه

نیاز به پهنای باند بیشتر عموما به‌خاطر افزایش ترافیک و دریافت و ارسال محتوای رسانه‌ای ایجاد می‌شود. همچنین فعالیت‌های چندرشته‌ای پردازشی هم نیاز به پهنای باند را افزایش می‌دهند. قطعات ذخیره‌سازی باید کارایی خود را در وظایف سنگین هم حفظ کنند تا فایل‌های بزرگ فیلم و موسیقی به‌راحتی جابه‌جا شده و همچنین اپلیکیشن‌های گوناگون در پلتفرم موبایلی به‌خوبی اجرا شوند. فعالان صنعت علاوه بر توسعه‌ی فناوری‌های خود در حوزه‌ی ذخیره‌سازی، نیاز به استانداری برای افزایش تعامل نیز بودند. درنتیجه استانداردهای در کنار فناوری‌ها توسعه یافتند.

توسعه‌ و حفظ اصول هر استاندارد در حوزه‌های متعدد صنعت فناوری، عموما توسط یک سازمان انجام می‌شود. از اولین سازمان‌های استاندارد می‌توان SD Association را نام برد که تنها از کارت‌های حافظه‌ی بزرگ با حجم بالا و مخصوص ذخیره‌سازی محتوای کاربر پشتیبانی می‌کرد. استاندارد eMMC که توسط JEDEC توسعه یافت، برخلاف SD از حافظه‌های آنبورد با قدرت بالا در پشتیبانی از کارایی‌های ‌نرم‌افزاری و اپلیکیشن (در کنار ذخیره‌سازی) پشتیبانی می‌کرد.

تفاوت اصلی و نیاز به جایگزینی eMMC از آنجا ایجاد شد که این استاندارد از رابط کاربری باس استفاده می‌کرد، درحالیکه تقریبا تمامی استانداردهای رابط کاربری ذخیره‌سازی داده از سیگنال‌دهی دیفرانسیلی بهره می‌بردند تا نیازهای روزافزون به پهنای باند بالا را برطرف کنند. JEDEC در سال ۲۰۰۸ تصمیم گرفت تا جایگزینی برای eMMC توسعه دهد.

علاوه بر JEDEC، کنسرسیوم صنعتی دیگری به‌نام Mobile Industry Processor Interface یا MIPI نیز علاقه‌مند به توسعه‌ی استاندارد سریالی برای کاربردهای حرفه‌ای ورودی/خروجی داده بود که بتوان از محصول آن به‌عنوان یک اتصال واحد برای انتقال داده بین پردازنده‌ها گوناگون و همچنین لوازم جانبی در یک پلتفرم موبایلی استفاده کرد. درواقع هدف آن مجموعه، توسعه‌ی استانداردی بود که حتی در بخش‌هایی همچون حسگر دوربین و پنل‌های نمایشگر نیز برای انتقال داده کاربرد داشته باشد. از مهم‌ترین قطعات جانبی در دستگاه‌های موبایلی می‌توان به قطعه‌ی ذخیره‌ساز داده اشاره کرد. MIPI به‌دنبال قطعه‌ی ذخیره‌سازی بود ه بتواند از رابط دیفرانسیلی سریالی متحد در آن بهره ببرد.

دو سازمان JEDEC و MIPI به‌صورت جداگانه توسعه‌ی استاندارد را پیش بردند، اما در نهایت مشخص شد که باید استانداردی واحد برای ذخیره‌سازی و انتقال داده در دستگاه‌های موبایلی استفاده شود. درنهایت و در سال ۲۰۱۰، دو سازمان به توافق رسیدند و UFS را به‌عنوان پروتکل مشترک انتقال داده انتخاب کردند. از سازمان‌های درگیر دیگر می‌توان اتحاد UFSA را نام برد که گسترش فناوری استاندارد و ارائه‌ی مجوز استفاده از آن را برعهده دارد.

تعریف و ساختار UFS

استندارد UFS از معماری چندلایه استفاده می‌کند که در استاندارد 220A سازمان JEDEC شرح داده می‌شود. لایه‌های بالایی استاندارد توسط JEDEC شرح داده شدند، درحالیکه لایه‌های پایینی از استانداردهای موجود MIPI UniPro و M-PHY استفاده می‌کنند. در مجموع UFS که با هدف کارایی در مواردی نیازمند ظرفیت بالای حافظه طراحی شد، رابط سریالی ساده‌ای را با کارایی بالا ارائه کرده که داده را با بازدهی قابل‌قبولی بین پردازنده و قطعه‌ی خیره‌ساز منتقل می‌کند.

استاندارد UFS از مدل معماری مشهور SCSI استفاده می‌کند. همچنین پروتکل‌های فرمانی که از فرمان‌های چندگانه با الگوی برنامه‌نویسی چندرشته‌ای پشتیبانی می‌کنند، در استاندارد مذکور لحاظ شده‌اند. این ساختار با کارت‌های حافظه‌ای مرسوم که براساس استاندارد فلش کار می‌کنند، تفاوت دارد. به‌علاوه ساختار UFS با حافطه‌های فلش امبدد که تنها یک فرمان را در لحظه پردازش می‌کنند هم متفاوت است. در آن ساختارها، بهره‌وری و امکان دست‌رسی نوشتن و خواندن، محدودیت دارد.

در تعاریف استاندارد جدید ذخیره‌سازی، رابطی به‌نام UFS Host Controller Interface یا HCI تعریف می‌شود که با ساده کردن درگیری پردازنده‌ی میزبان در فرایندهای ذخیره‌سازی فل، انعطاف‌پذیری بالاتری را در ساختارها ایجاد می‌کند.

به‌کارگیری SCSI، باعث ایجاد یک مدل نرم‌افزاری خوب می‌شود و پیاد‌ه‌سازی استاندارد را آسان‌تر می‌کند. با استفاده از معماری مذکور، رابط برنامه‌نویسی استانداردی برای UFS ایجاد می‌شود که استفاده از درایورهای مرسوم Host/OS را ممکن می‌کند.

مشخصات UFS باعث می‌شوند تا تغییر حالت بین وضعیت‌های استفاده از نیرو و متوقف بودن دستگاه با بازدهی خوبی اتجام شود. سطح مصرف نیرو در زمان کار کردن قطعه‌ی ذخیره‌ساز با استفاده از استاندارد مذکور پایین می‌آید و در زمان غیرفعال بودن نیز مصرف تقریبا به صفر می‌رسد. در مجموع می‌توان ادعا کرد که به‌کارگیری UFS منجر به کاهش مصرف قابل‌توجه در دستگاه‌ها می‌شود. درنهایت، UFS استاندارد مشابهی را نیز برای هر دو نوع ذخیره‌ساز خارجی و امبدد ارائه می‌کند که طراحی آسان‌تر کنترلر را به‌همراه خواهد داشت.

سه لایه‌ی اصلی در معماری UFS وجود دارند: UCS و UTP و Interconnect. لایه‌ی مجموعه‌ی فرمان یا UCS نقش رابط را با بخش نرم‌افزاری ایفا کرده و از استاندارد SCSI به‌عنوان پروتکل اصلی استفاده می‌کند. لایه‌ی انتقال یا UTP مسئولیت تفسیر پروتکل به ساختاری قابل درک برای لایه‌ی اینترکانکت را بر عهده دارد. لایه‌ی نهایی یا اینترکانکت (UIC) نیز ترکیبی از IP آنالوگ و دیجیتال است.

در لایه‌ی اینترکانکت شاهد حضور دو استاندارد به‌نام‌های UniPro و M-PHY هستیم. UniPro مخفف Universal Protocol است که توسط MIPI توسعه داده شد. این پروتکل، چهار لایه به‌نام‌های L1.5 یا آداپتور PHY، لایه‌ی لینک داده یا L2، لایه‌ی شبکه یا L3 و لایه‌ی انتقال یا L4 دارد. لایه‌های L1.5 و L2 پایداری و یکپارچه بودن داده را بررسی می‌کنند. لایه‌های L3 و L4 نیز وظیفه‌ی اطمینان از انتقال صحیح داده به میزبان UFS را دارند.

انجمن MIPI، دو نوع پروتکل M-PHY تعریف می‌کند. نوع اول (Type 1) در UFS استفاده می‌شود. مشخصات نوع اول نشان می‌دهد که این پروتکل از سیگنال‌دهی NRZ برای HS و از PWM برای LS استفاده می‌کند. درباره‌ی ساختار UFS بهتر است بدانید که از دو نوع حالت سرعت بالا و پایین نیز بهره می‌برد که هرکدام موقعیت و زمان استفاده‌ی خاص خود را دارند.

باوجود برتری‌های UFS، هنوز بسیاری از گوشی‌های هوشمند از eMMC استفاده می‌کنند. بااین‌حال در سال‌های اخیر و عرضه‌ی گوشی‌های هوشمند پرچم‌دار سریع، نام UFS بیش از همیشه بر سر زبان‌ها افتاد. درحال‌حاضر UFS 3.0 به‌عنوان آخرین نسخه‌ از استاندارد شناخته می‌شود که نسبت به نسخه‌ی قبلی یعنی 2.1 سرعت بسیار بالاتری دارد.

تعریف و مزایای UFS 3.0

همان‌طور که گفته شد جدیدترین نسخه از استاندارد UFS به‌نام UFS 3.0 شناخته می‌شود که تقریبا دوبرابر سریع‌تر از نسخه‌ی 2.1 عمل می‌کند. به‌علاوه نسخه‌ی جدید مصرف برق پایین‌تری دارد و در مجموع، پیشرفت‌های قابل‌توجه را در هر دو جبهه‌ی تخصص UFS یعنی سرعت بالا و مصرف برق پایین نشان می‌دهد. کارشناسان نسخه‌ی کنونی را از لحاظ کارایی و قدرت با SSD برابر می‌دانند که البته مصرف برق پایین‌تری نسبت به آن دارد.

استاندارد UFS 3.0 توانایی انتقال داده با سرعت حداکثر ۲۳/۲ گیگابیت‌برثانیه دارد. انتقال داده در استاندارد مذکور به‌کمک دو خط انتقالی انجام می‌شود که هرکدام سرعت ۱۱/۶ گیگابیت‌برثانیه دارند. البته رسیدن به حداکثر سرعت انتقال، به توانایی گوشی هوشمند یا گجت دیگر در پردازش و خواندن و نوشتن داده هم بستگی دارد. توانایی بهره‌برداری از حداکثر سرعت UFS درنهایت روی کارایی‌های متنوعی از بازی کردن و بازکردن اپلیکیشن‌ها تا انتقال داده یا مشاهده‌ی محتوای رسانه‌ای تأثیر دارد.

سخن‌گوی JEDEC درباره‌ی مشخصات و توانایی‌های UFS 3.0 می‌گوید:

UFS از دو کانال سیگنال‌دهی دیفرانسیلی کامل استفاده می‌کند که مجموعه‌ای از مزایا را به‌همراه دارد. طراحی آسان‌تر دستگاه‌ها، عملیات هم‌زمان نوشتن و خواندن آسان‌تر، مصرف پایین‌تر نیرو و همچنین به حداقل رساندن استخراج جریان در زمان غیرفعال بودن دستگاه، با این استاندارد ممکن می‌شود.

دستگاه‌هایی که از UFS 3.0 بهره می‌برند، تجربه‌ی کاربری بهتری را همراه‌با مصرف بهینه‌ی برق به کاربر ارائه می‌کنند. UFS 3.0 در مدت زمان دو سال با همکاری تولیدکننده‌های متعدد دستگاه‌ها و تراشه‌ها توسعه یافت. همکاری شرکت‌های متنوع در توسعه‌ی ادامه‌دار استاندارد که همراه‌با جلسه‌های متمرکز بر تنظیم‌گری است، هماهنگ شدن استانداردهای JEDEC را با جدیدترین فناوری‌های متمرکز بر نیاز صنعت، ممکن می‌کند.

سازمان JEDEC با همکاری سه هزار داوطلب از ۳۰۰ شرکت گوناگون فعالیت می‌کرد. نماینده‌هایی از اپل، گوگل، IBM و مایکروسافت در این سازمان حضور دارند.

کاربرد در 5G و توسعه‌های آتی

باوجود جوان بودن آخرین نسخه‌ی UFS، فعالان صنعت و سازمان درگیر، برنامه‌‌ای جدی برای توسعه‌‌های آتی دارند. آن‌ها تلاش می‌کنند تا باز هم سرعت و مصرف برق را در استاندارد بهبود دهند تا هرچه بیشتر برای به‌کارگیری در دستگاه‌های 5G بهینه شود.

باوجود مزیت‌های زیاد بهبود سرعت در استاندارد UFS، هنوز آخرین نسخه از آن کارایی زیادی در گوشی‌های هوشمند ندارد. البته بهبود کارایی و کاهش مصرف نیرو همیشه برای گوشی‌های هوشمند مفید خواهد بود، اما حتی پرچم‌داران کنونی بازار نیز از نسخه‌ی قبلی یعنی 2.1 بهره می‌برند و بسیاری از وظایف خود را با سرعت بسیار بالا انجام می‌دهند.