性能堪比SSD淺析存儲卡如何提速

不斷擴容的存儲卡

存儲卡曾經包括Secure Digital Memory Card （SD）、Micro SDCard（又稱TF）、Compact Flash （CF）、Memory Stick （MS）等形態(tài)，但如今依舊流行的則只剩下了SD和MicroSD（圖1）。其中，隨著SD卡容量的不斷提升，這兩種形態(tài)的存儲卡還進一步衍生出了SDHC（SD High Capacity）、SDXC （SD eXtended Capacity）和SDUC（SD Ultra Capacity）標準，有關它們的差別請參看下表（表1）。

從容量上來看，SD卡很好地完成了外置存儲設備的本職工作，它所提供的容量恰好可以滿足同期數碼產品的擴容需要。然而，容量是夠用了，但速度呢？

火速鏈接

有關存儲卡更詳細參數的說明，感興趣的朋友可以參考2019年第5期《速度容量兩不誤教你挑選最新款存儲卡》這篇文章。

不斷提速的存儲卡

在討論存儲卡的速度之前，我們不妨先來回顧—下SSD固態(tài)硬盤的發(fā)展歷程。SSD和存儲卡一樣，都使用NAND閃存作為存儲介質，在使用SATA3.0總線接口時可以取得550MB/s左右的讀取速度和520MB/s左右的寫入速度（順序速度，下同），將HDD機械硬盤遠遠甩在身后。

然而，作為SSD的消費主力，PC對存儲性能的需求是無止境的，SATA總線很快就成為了制約整機性能發(fā)揮的瓶頸。因此，SSD開始改換門庭，嘗試使用PCI-E總線（包括PCI-E2.0和PCI-E3.0，以及雙通道和四通道，比如PCI Express Gen3.Ox4就是四通道的PCI-E3.0總線）的M.2接口（圖2），再加上NVMe協(xié)議的加持（AHCI協(xié)議的進階版本），讓NVMe SSD實現了高達3500MB/s的讀取速度和3000MB/s左右的寫入速度（圖3），是SATA總線時的6倍—7倍！

可見，總線接口的進化，是SSD能不斷提速的核心競爭力。

回頭再來看看存儲卡，這種最小只有指甲蓋一般大小的NAND衍生外設，其速度的快慢同樣取決于總線接口，而相關的規(guī)范技術標準則由SD協(xié)會（SDAssociation，簡稱SDA）制定，時至今日存儲卡規(guī)范已經從SDl.O、SD2.0……一路升級到了SD7.1T標準（表2）。

在存儲卡剛誕生時，對應的SD1.0規(guī)范很有意思，它是按照CD-ROM的速度作為1X倍速來定義存儲卡的性能，此時存儲卡最高讀取速度只有12.5MB/s，隨后在SD1.1的規(guī)范中引入了HS高速模式，將速度進一步提升到了25MB/s。在數碼相機和智能手機先后普及的年代，用戶需要存儲卡具備穩(wěn)定的寫入速度來滿足連續(xù)拍攝功能的需要，因此在SD2.X規(guī)范時期SD協(xié)會引入了Class X的定義方式，最高等級的Class10要求存儲卡具備最低1OMB/s的寫入速度，錄制標清視頻毫無壓力。

自SD3.0開始，存儲卡支持全新的UHS-I超高速總線接口，它可以與DS和HS模式共存，在不改變存儲卡針腳的前提下就能實現50MB/s或104MB/s的理論讀取速度。同時，SD3.0規(guī)范還加入了U1和U3的定義方式。將存儲卡的寫入速度進一步提升到了30MB/s，滿足了錄制FHD全高清視頻的基本要求（圖4）。

隨著4K視頻錄制需求的興起，存儲卡需要更高的速率才能滿足發(fā)燒用戶的需求。于是，SD協(xié)會在SD4.0和SD6.0規(guī)范中先后引入了UHS-11和UHS-III總線接口，它們和UHS-I最大的差異就是啟用了一排額外的針腳（圖5），上方的傳統(tǒng)針腳兼容DS、HS和UHS-I總線，而下方的新增針腳則用于識別UHS-II新增的FDT56和HD312工作模式（圖6）。

兩排針腳，讓UHS-Ⅱ以此就有了兩條數據傳輸的線路，一條線路可分配給主機到存儲卡，另一條線路則可用于存儲卡到主機，并獲得了雙通道半雙工的工作方式。在“全雙工模式”（FD）時，兩條線路分別用于傳輸數據和接收數據，此時其理論傳輸速率為156MB/s，即FD156。在雙通道的“半雙工模式”（HD）下，數據可以在兩個方向上同時發(fā)送或接收數據，從而獲得帶寬翻番、總線性能加倍的增益效果，讓理論傳輸速率提升到312MB/s，也就是HD312（圖7）。

SD6.0規(guī)范中新增的UHS-Ⅲ總線接口更厲害，雖然它僅支持以全雙工的方式運行，但卻將速度提升到了FD312（312MB/s）和FD624 （624MB/s），同時該總線還減少了存儲卡從省電狀態(tài)轉變?yōu)榛顒訝顟B(tài)所需的時間。沒錯，UHS-Ⅲ總線接口其實更像是專門針對專業(yè)攝像機和智能設備定制的新方案，安裝在里面的APP不僅運行飛快/連拍和4K視頻錄制無延遲，從待機到喚醒的延遲更低，還不耽誤存儲卡長時間處于省電狀態(tài)。

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三星UFS存儲卡

除了SD協(xié)會規(guī)范的UHS-Ⅲ總線接口可提供媲美SSD的性能以外，由JEDEC（固態(tài)技術協(xié)會）主導的UFS標準也是給存儲卡提速的不二法門，2018年推出UFS vl.l標準的最高存儲速度可達1 .5GB/s（UFSl.O標準順序讀寫速度分別為530MB/s和170MB/s）。UFS存儲卡的大小和Micro SD相似，只是外觀更像“鯊魚鰭”，金手指也經過了重新設計（圖8）。

可以說，從UHS-Ⅱ總線接口開始，存儲卡就具備了挑戰(zhàn)手機專用的eMMC5.1閃存的實力，而UHS-Ⅲ總線接口則可媲美UFS2.0閃存和SATA總線接口SSD固態(tài)硬盤的速度?？上?，雖然SD6.0規(guī)范和UHS-Ⅲ總線技術2017年就已經制定發(fā)布，但至今市面上最高檔的存儲卡卻依舊停留在UHS-Ⅱ總線接口層面。隨著2018年SD7.0規(guī)范的推出，存儲卡很有可能跳過UHS-Ⅲ總線，直接擁抱最新的PCI-E總線接口和NVMe協(xié)議。

SD7.x向SSD宣戰(zhàn)

2018年6月，SD協(xié)會正式公布了SD7.0規(guī)范，它主要包括兩個全新的特性：第一是讓存儲卡能通過用PCle Gen3.Ox1總線接口和NVMe協(xié)議傳輸數據，將理論傳輸（讀?。┧俣葟腢HS-Ⅲ總線最高的624MB/s提升到985MB/s;第二則是定義了全新的“SDUC”標準，將存儲卡容量從2TB擴容到最高128TB。

符合SD7.0規(guī)范的存儲卡將被稱為“SDExpress”（存儲卡表面會增加Express或EX的標識），它的外觀樣式和現有的SD卡相同，只是和UHS-Ⅱ/Ⅲ一樣，在原有的金屬接點下方增加了10個新針腳。2019年初，SD協(xié)會更新了SD7.1規(guī)范，加入Micro SDExpress來滿足手機等小尺寸設備在未來的應用需求，通過PCI-E總線接口提供985MB/s理論頻寬，同時運用NVMe v1.3通訊協(xié)定來提升數據吞吐量（圖9）。

小提示

SDUC只是容量標準，采用UHS總線接口的存儲卡要是容量超過2TB也能被稱為SDUC存儲卡。現階段SD Express存儲卡的容量還停留在GB級別，所以未來很長一段時間里，SD Express還都屬于SDXC存儲卡的范疇。

和過去一樣，SD Express存儲卡同樣向下兼容所有的SD讀卡器（或手機、無人機、數碼相機等終端設備，下同），但要想獲得985MB/s的理論值需要搭配SDExpress專用的讀卡器，在支持UHS-Ⅱ/Ⅲ總線接口的讀卡器（或設備）上則僅能取得104MB/s的傳輸速度。同理，UHS-Ⅱ/Ⅲ存儲卡碰到SD Express專用的讀卡器（或設備）時也會被限速到104MB/s（圖10）。

目前，瑞昱和群聯(lián)都已發(fā)布了支持SD7.X的主控，為這種超高速存儲卡的普及奠定了基礎。其中，瑞昱符合SD7.0規(guī)范的主控制器型號為“RTS5261”，其讀取速度最高為985MB/s。群聯(lián)的SD7.1規(guī)范主控型號為“PS5017”，完全支持SD7.0和SD7.1，也是當前第一款同時實現了SD Expess、Micro SD Express的方案。PS5017支持3D TLC/QLC閃存，支持ONFl、Toggle2.0接口，讀/寫速度最高分別為900MB/s和500MB/s（圖11），同樣堪比PC領域入門級的PCle NVMe SSD。

前不久西部數據也曾在ComputeX 2019上展示了Micro SD Express標準的存儲卡，在現場DEMO測試中，其連續(xù)讀取速度為888.9MB/s，寫入速度也達到了428.2MB/s，傳輸一份12GB容量的文件不足30秒（圖12）。同時，JMicro（智微科技）也表示將和西部數據同步推出相應的SD7.X讀卡器，讓這種新一代高速存儲卡能有用武之地。

實際應用路漫漫

當PC都用上SSD，手機集成UFS閃存之后，再使用傳統(tǒng)存儲卡作為數據的周轉無疑就是一種體驗上的倒退。當SD7.1規(guī)范和Micro SDExpress存儲卡誕生后（圖13），則為整個移動行業(yè)提供了一個引人注目的新選擇——手機等移動設備終于可以用上能隨時安裝或取出的“移動SSD”了，接近1000MB/s的傳輸速度，足以滿足手機上具有高速要求的應用程序、不斷發(fā)展的游戲系統(tǒng)、多信道物聯(lián)網設備、眾多汽車應用、更高分辨率的移動視頻、動作相機、360度視頻和VR等應用場景的交互需求。

但是，就好像UHS-II存儲卡至今也沒能在手機和PC圈普及一樣，（Micro） SD Express存儲卡雖然擁有更極致的速度表現，但周邊生態(tài)并不完善，生產成本也相對高昂，短時間內它主要的應用領域還是4K/8K視頻攝像機、無人機等高端領域，什么時候我們新買的筆記本和手機都標配支持SDExpress的讀卡器（圖14），它才具備真正的普及機會。

此外，存儲設備在長時間運行時都會遭遇一個嚴峻的考驗，那就是發(fā)熱。PC上的PCle NVMeSSD往往需要搭配金屬散熱片（或借助筆記本底蓋散熱）才能保證不掉速，超過200MB/s速度的閃存盤在全速運行時表面也非常燙手。作為速度接近1000MB/s、尺寸只有指甲蓋大小、使用塑料材質基板且無任何散熱措施的SD Express存儲卡，你能想象它的“熱情”嗎？

小提示

最新的SD7.1規(guī)范還有一個隱藏賣點，那就是使用的PCI-E 3.1總線包含低功耗子狀態(tài)（L1.1，L1.2），可進一步降低存儲卡待機時的耗電。