هر آن‌چه بايد درباره‌ي استاندارد حافظه UFS بدانيم

استاندارد حافظه‌ي فلش يونيورسال با نام كامل Universal Flash Storage و مخفف UFS، يك استاندارد مخصوص حافظه‌هاي فلش است كه در انواع دستگاه‌هاي الكترونيكي مصرفي از موبايل‌هاي هوشمند تا دوربين‌هاي ديجيتال و موارد مشابه به‌كار مي‌رود. هدف اصلي از توسعه‌ي استاندارد مذكور، ارائه‌ي سرعت انتقال بالاتر در حافظه‌هاي ذخيره‌سازي بود كه همراه‌با پايداري بيشتري در حافظه‌هاي فلش به‌دست مي‌آيد. از اهداف ديگر توسعه‌ي استاندارد UFS مي‌توان به ازبين‌بردن چالش‌هاي كنوني بازار و نياز به آداپتورهاي گوناگون براي كارت‌هاي گوناگون اشاره كرد.

استاندارد UFS براي دستگاه‌هاي موبايلي و سيستم‌هاي كامپيوتري توسعه يافت كه به كارايي و سرعت بالا و مصرف برق پايين نياز داشتند. اين سيستم‌عا عموما مجهز به حافظه‌هاي فلش امبدد هستند كه از استاندارد سازمان JEDEC موسوم به eMMC پيروي مي‌كند. درواقع استاندارد UFS توسط JEDEC يا Joint Electron Device Engineering Council توسعه يافت تا با ارائه‌ي پهناي باند بسيار بيشتر، جايگزين eMMC شود. استاندارد كنوني براساس استانداردهاي موجود متنوع همچون SCSI و M-PHY و UniProm توسعه يافت و از مفاهيم eMMC نيز در آن استفاده شد.

به زبان ساده UFS با اين هدف توسعه يافت تا محدوديت‌هاي سرعت كارت‌هاي ميكرو‌اس‌دي موجود در گجت‌هاي همراه را از بين ببرد. كارت‌هاي ميكرواس‌دي معمولي سرعت نوشتن و خواندن كمتر از ۱۰۰ مگابايت‌برثانيه دارند. حتي كارت‌هاي حرفه‌اي‌تر آن دسته كه به‌نام UHS-II هم شناخته مي‌شوند، توانايي ارائه‌ي سرعت بيشتر از ۳۱۲ مگابايت‌برثانيه ندارند. درحاليكه تجهيزات مجهز به استاندارد UFS توانايي ارائه‌ي سرعت تا ۵۳۰ مگابايت‌برثانيه را دارند و به‌نوعي با سرعت SSD برابري مي‌كنند.

از كارايي‌هاي مهمي كه UFS به تجهيزات ذخيره‌سازي اضافه كرد، مي‌توان به افزايس سرعت پردازش داده در تجهيز ذخيره‌ساز اشاره كرد. IOPS يا Inputs and Outputs Per Second در هر تجهيز ذخيره‌ساز، به‌معناي توانايي آن در ارائه‌ي سرعت بالاي پردازشي است؛ فاكتوري كه در كارت‌هاي microSD حداكثر سه هزار و در كارت‌هاي UFS تا ۴۰ هزار گزارش مي‌شود. اين فاكتور در درايوهاي SSD حدود ۷۰ هزار گزارش مي‌شود. 

نياز به پهناي باند بيشتر عموما به‌خاطر افزايش ترافيك و دريافت و ارسال محتواي رسانه‌اي ايجاد مي‌شود. همچنين فعاليت‌هاي چندرشته‌اي پردازشي هم نياز به پهناي باند را افزايش مي‌دهند. قطعات ذخيره‌سازي بايد كارايي خود را در وظايف سنگين هم حفظ كنند تا فايل‌هاي بزرگ فيلم و موسيقي به‌راحتي جابه‌جا شده و همچنين اپليكيشن‌هاي گوناگون در پلتفرم موبايلي به‌خوبي اجرا شوند. فعالان صنعت علاوه بر توسعه‌ي فناوري‌هاي خود در حوزه‌ي ذخيره‌سازي، نياز به استانداري براي افزايش تعامل نيز بودند. درنتيجه استانداردهاي در كنار فناوري‌ها توسعه يافتند.

توسعه‌ و حفظ اصول هر استاندارد در حوزه‌هاي متعدد صنعت فناوري، عموما توسط يك سازمان از اولين سازمان‌هاي استاندارد مي‌توان SD Association را نام برد كه تنها از كارت‌هاي حافظه‌ي بزرگ با حجم بالا و مخصوص ذخيره‌سازي محتواي متخصص همراهي مي‌كرد. استاندارد eMMC كه توسط JEDEC توسعه يافت، برخلاف SD از حافظه‌هاي آنبورد با قدرت بالا در همراهي از كارايي‌هاي ‌نرم‌افزاري و اپليكيشن (در كنار ذخيره‌سازي) همراهي مي‌كرد.

تفاوت اصلي و نياز به جايگزيني eMMC از آنجا ايجاد شد كه اين استاندارد از رابط متخصصي باس استفاده مي‌كرد، درحاليكه تقريبا تمامي استانداردهاي رابط متخصصي ذخيره‌سازي داده از سيگنال‌دهي ديفرانسيلي بهره مي‌بردند تا نيازهاي روزافزون به پهناي باند بالا را برطرف كنند. JEDEC در سال ۲۰۰۸ تصميم گرفت تا جايگزيني براي eMMC توسعه دهد.

دو سازمان JEDEC و MIPI به‌صورت جداگانه توسعه‌ي استاندارد را پيش بردند، اما در نهايت مشخص شد كه بايد استانداردي واحد براي ذخيره‌سازي و انتقال داده در دستگاه‌هاي موبايلي استفاده شود. درنهايت و در سال ۲۰۱۰، دو سازمان به توافق رسيدند و UFS را به‌عنوان پروتكل مشترك انتقال داده انتخاب كردند. از سازمان‌هاي درگير ديگر مي‌توان اتحاد UFSA را نام برد كه گسترش فناوري استاندارد و ارائه‌ي مجوز استفاده از آن را برعهده دارد.

استندارد UFS از معماري چندلايه استفاده مي‌كند كه در استاندارد 220A سازمان JEDEC شرح داده مي‌شود. لايه‌هاي بالايي استاندارد توسط JEDEC شرح داده شدند، درحاليكه لايه‌هاي پاييني از استانداردهاي موجود MIPI UniPro و M-PHY استفاده مي‌كنند. در مجموع UFS كه با هدف كارايي در مواردي نيازمند ظرفيت بالاي حافظه طراحي شد، رابط سريالي ساده‌اي را با كارايي بالا ارائه كرده كه داده را با بازدهي قابل‌قبولي بين پردازنده و قطعه‌ي خيره‌ساز منتقل مي‌كند.

استاندارد UFS از مدل معماري مشهور SCSI استفاده مي‌كند. همچنين پروتكل‌هاي فرماني كه از فرمان‌هاي چندگانه با الگوي برنامه‌نويسي چندرشته‌اي همراهي مي‌كنند، در استاندارد مذكور لحاظ شده‌اند. اين ساختار با كارت‌هاي حافظه‌اي مرسوم كه براساس استاندارد فلش كار مي‌كنند، تفاوت دارد. به‌علاوه ساختار UFS با حافطه‌هاي فلش امبدد كه تنها يك فرمان را در لحظه پردازش مي‌كنند هم متفاوت است. در آن ساختارها، بهره‌وري و امكان دست‌رسي نوشتن و خواندن، محدوديت دارد.

در تعاريف استاندارد جديد ذخيره‌سازي، رابطي به‌نام UFS Host Controller Interface يا HCI تعريف مي‌شود كه با ساده كردن درگيري پردازنده‌ي ميزبان در فرايندهاي ذخيره‌سازي فل، انعطاف‌پذيري بالاتري را در ساختارها ايجاد مي‌كند.

به‌كارگيري SCSI، باعث ايجاد يك مدل نرم‌افزاري خوب مي‌شود و پياد‌ه‌سازي استاندارد را آسان‌تر مي‌كند. با استفاده از معماري مذكور، رابط برنامه‌نويسي استانداردي براي UFS ايجاد مي‌شود كه استفاده از درايورهاي مرسوم Host/OS را ممكن مي‌كند.

مشخصات UFS باعث مي‌شوند تا تغيير حالت بين وضعيت‌هاي استفاده از نيرو و متوقف بودن دستگاه با بازدهي خوبي اتجام شود. سطح مصرف نيرو در زمان كار كردن قطعه‌ي ذخيره‌ساز با استفاده از استاندارد مذكور پايين مي‌آيد و در زمان غيرفعال بودن نيز مصرف تقريبا به صفر مي‌رسد. در مجموع مي‌توان ادعا كرد كه به‌كارگيري UFS منجر به كاهش مصرف قابل‌توجه در دستگاه‌ها مي‌شود. درنهايت، UFS استاندارد مشابهي را نيز براي هر دو نوع ذخيره‌ساز خارجي و امبدد ارائه مي‌كند كه طراحي آسان‌تر كنترلر را به‌همراه خواهد داشت.

در لايه‌ي اينتركانكت شاهد حضور دو استاندارد به‌نام‌هاي UniPro و M-PHY هستيم. UniPro مخفف Universal Protocol است كه توسط MIPI توسعه داده شد. اين پروتكل، چهار لايه به‌نام‌هاي L1.5 يا آداپتور PHY، لايه‌ي لينك داده يا L2، لايه‌ي شبكه يا L3 و لايه‌ي انتقال يا L4 دارد. لايه‌هاي L1.5 و L2 پايداري و يكپارچه بودن داده را مطالعه مي‌كنند. لايه‌هاي L3 و L4 نيز وظيفه‌ي اطمينان از انتقال صحيح داده به ميزبان UFS را دارند.

انجمن MIPI، دو نوع پروتكل M-PHY تعريف مي‌كند. نوع اول (Type 1) در UFS استفاده مي‌شود. مشخصات نوع اول نشان مي‌دهد كه اين پروتكل از سيگنال‌دهي NRZ براي HS و از PWM براي LS استفاده مي‌كند. درباره‌ي ساختار UFS بهتر است بدانيد كه از دو نوع حالت سرعت بالا و پايين نيز بهره مي‌برد كه هركدام موقعيت و زمان استفاده‌ي خاص خود را دارند.

باوجود برتري‌هاي UFS، هنوز بسياري از موبايل‌هاي هوشمند از eMMC استفاده مي‌كنند. بااين‌حال در سال‌هاي اخير و عرضه‌ي موبايل‌هاي هوشمند پرچم‌دار سريع، نام UFS بيش از هميشه بر سر زبان‌ها افتاد. درحال‌حاضر UFS 3.0 به‌عنوان آخرين نسخه‌ از استاندارد شناخته مي‌شود كه نسبت به نسخه‌ي قبلي يعني 2.1 سرعت بسيار بالاتري دارد.

همان‌طور كه گفته شد جديدترين نسخه از استاندارد UFS به‌نام UFS 3.0 شناخته مي‌شود كه تقريبا دوبرابر سريع‌تر از نسخه‌ي 2.1 عمل مي‌كند. به‌علاوه نسخه‌ي جديد مصرف برق پايين‌تري دارد و در مجموع، پيشرفت‌هاي قابل‌توجه را در هر دو جبهه‌ي تخصص UFS يعني سرعت بالا و مصرف برق پايين نشان مي‌دهد. متخصص كارشناسان نسخه‌ي كنوني را از لحاظ كارايي و قدرت با SSD برابر مي‌دانند كه البته مصرف برق پايين‌تري نسبت به آن دارد.

استاندارد UFS 3.0 توانايي انتقال داده با سرعت حداكثر ۲۳/۲ گيگابيت‌برثانيه دارد. انتقال داده در استاندارد مذكور به‌كمك دو خط انتقالي انجام مي‌شود كه هركدام سرعت ۱۱/۶ گيگابيت‌برثانيه دارند. البته رسيدن به حداكثر سرعت انتقال، به توانايي موبايل هوشمند يا گجت ديگر در پردازش و خواندن و نوشتن داده هم بستگي دارد. توانايي بهره‌برداري از حداكثر سرعت UFS درنهايت روي كارايي‌هاي متنوعي از بازي كردن و بازكردن اپليكيشن‌ها تا انتقال داده يا مشاهده‌ي محتواي رسانه‌اي تأثير دارد.

سخن‌گوي JEDEC درباره‌ي مشخصات و توانايي‌هاي UFS 3.0 مي‌گويد:

UFS از دو كانال سيگنال‌دهي ديفرانسيلي كامل استفاده مي‌كند كه مجموعه‌اي از مزايا را به‌همراه دارد. طراحي آسان‌تر دستگاه‌ها، عمليات هم‌زمان نوشتن و خواندن آسان‌تر، مصرف پايين‌تر نيرو و همچنين به حداقل رساندن استخراج جريان در زمان غيرفعال بودن دستگاه، با اين استاندارد ممكن مي‌شود.دستگاه‌هايي كه از UFS 3.0 بهره مي‌برند، تجربه‌ي متخصصي بهتري را همراه‌با مصرف بهينه‌ي برق به متخصص ارائه مي‌كنند. UFS 3.0 در مدت زمان دو سال با همكاري توليدكننده‌هاي متعدد دستگاه‌ها و تراشه‌ها توسعه يافت. همكاري شركت‌هاي متنوع در توسعه‌ي ادامه‌دار استاندارد كه همراه‌با جلسه‌هاي متمركز بر تنظيم‌گري است، هماهنگ شدن استانداردهاي JEDEC را با جديدترين فناوري‌هاي متمركز بر نياز صنعت، ممكن مي‌كند.

سازمان JEDEC با همكاري سه هزار داوطلب از ۳۰۰ شركت گوناگون فعاليت مي‌كرد. نماينده‌هايي از اپل، گوگل، IBM و مايكروسافت در اين سازمان حضور دارند.

باوجود جوان بودن آخرين نسخه‌ي UFS، فعالان صنعت و سازمان درگير، برنامه‌‌اي جدي براي توسعه‌‌هاي آتي دارند. آن‌ها تلاش مي‌كنند تا باز هم سرعت و مصرف برق را در استاندارد بهبود دهند تا هرچه بيشتر براي به‌كارگيري در دستگاه‌هاي 5G بهينه شود.

باوجود مزيت‌هاي زياد بهبود سرعت در استاندارد UFS، هنوز آخرين نسخه از آن كارايي زيادي در موبايل‌هاي هوشمند ندارد. البته بهبود كارايي و كاهش مصرف نيرو هميشه براي موبايل‌هاي هوشمند مفيد خواهد بود، اما حتي پرچم‌داران كنوني بازار نيز از نسخه‌ي قبلي يعني 2.1 بهره مي‌برند و بسياري از وظايف خود را با سرعت بسيار بالا انجام مي‌دهند.