最近，清华紫光，武汉新芯在存储芯片领域动作频频，让大家把目光投向了以前被忽略的存储芯片。长期以来，在CPU，GPU，基带等“先进”芯片聚光灯的掩盖之下，存储芯片一直处在默默无闻地步，不过，任何一个涉及到数字IC的产品，小到银行卡，大到服务器，都不可能离存储芯片而存在，因为一代宗师冯诺依曼曾指出现代计算机控制的核心，是指令和数据两部分，而指令和数据并不是存在空中楼阁的，必须存储在相关存储芯片中。今天存储芯片的市值规模已经远远高于CPU或基带等任何一个单一IC种类，不幸的是，在新芯紫光没有量产之前，国内存储芯片几乎100%依赖进口。
抛开掉电就丢失数据的DRAM SRAM不说，市场上主流的掉电还能保存数据的存储芯片主要有，EEPROM，NOR FLASH, NAND FLASH，EMMC, UFS。其中EEPROM历史最为悠久，容量在几KB到1MB左右，非常非常小，但其使用发读写/擦除命令规则方便，直到今天他还广泛应用在低端嵌入式，比如电视机的遥控器，交通卡，因为这些系统的程序非常简单，几百KB就可以完全存放下代码和数据。
在EEPROM之后，英特尔为了解决EEPROM容量不够的问题，在80年代末发明了NOR FLASH，NOR的容量有所提升，大概在几MB到几十MB左右，尽管容量也不大，但由于工艺结构特殊，价格却相对昂贵。在智能手机出现以前，红遍全球的诺基亚用的就是NOR芯片，如今NOR仍然有一定市场，他应用领域面向高端嵌入式控制，主打的是可靠性，往往用在通信基站，单反相机，工业机器人等相对“不差钱”的领域。
90年代末，三星接棒英特尔，简化了NOR的电路结构，发明了NAND FLASH，一举使存储芯片的容量步入超过100MB量级。与NOR和EEPROM相比，目前所有主流的消费类大容量存储器如U盘，固态硬盘，都由NAND FLASH构成。由于NAND FLASH简化了电路，使其更容易被“做小压缩”，NOR公认的工艺极限在40nm左右，而NAND的量产工艺则早就突破了16nm，因此其容量也水涨船高到GB量级。
当然NAND简化电路来达到扩大容量的目的，并不是没有代价的，其代价是牺牲了可靠性，比如NAND允许出现2%-3%的存储单元损坏，这是一个比较奇葩的事情，不管存代码，还是存照片存游戏，任何用户都不希望自己的东西丢失了。于是，一种新的芯片EMMC横空出世了。
EMMC最广泛用于智能手机上，买手机所谓16G或者32G容量指的就是EMMC芯片的容量。EMMC的本质仍然是NAND，但在存储芯片内多封装了一个微控制器（micro controller），一般是ARM单片机，少数老式芯片还用51单片机。微控制器的目的在于，将比较娇气的NAND“管理”起来，所以EMMC类的芯片也被称为manage NAND。在EEPROM/NOR/NAND芯片上，用户读写的地址均为芯片物理地址，即根据存储地址，高手可以解析出其存放在阵列结构的哪一行哪一列，而在EMMC上，所有用户读写地址都是逻辑地址，要经过micro controller换算成物理地址，这个过程类似于CPU的MMU内存管理单元，也类似于windows文件系统的映射表。总之，micro controller的加入把NAND芯片遇到损坏，读写纠错，损耗均衡，碎片管理等问题在芯片内部就一并解决了，使存储芯片不再只是简单的读写，而更加“智能化”。然而这种解决方案带来新的问题就是，micro controller自己要占用约5%-10%的NAND存储空间，这是为了存放自己的运算资源，同时预留一部分空间对坏块进行替换。这就是为什么16G的空间往往只能看到15G的大小。另外这种所谓NAND+ micro controller的模式现在已经通用于所有大容量存储产品中，比如常见的SD卡，可以说就是EMMC一个“马甲”。
EMMC在设计之初，为了保持和以前NAND/NOR的兼容性，采用了8个IO并行读写数据，这以今天的技术标准来看无疑落后的。最近10年里，大量的并行接口由于受到速度和时序限制，被串行接口所取代，比如硬盘的IDE接口被SATA取代，主板上的PCI被PCIE取代，打印机的并口被USB取代。于是这2年里，三星提出了新一代的存储芯片UFS以取代EMMC。其本质仍然是micro controller + NAND 结构，但外部接口套用了SATA的协议，全串行输入输出，差分信号，并且没有时钟线，时钟嵌入数据传输，其速度可达600MB/S，而EMMC最高是400MB/S。目前UFS只有三星一家可以投产，用在了其自家的三星S7旗舰机上。最新发布的小米5也采用了三星UFS，被其吹为“黑科技”。另外，好东西苹果当然也不可能拉下，iphone6s采用了苹果自研的NVMe存储芯片，其内容不对外开放，但基于猜测是类似于UFS，其接口是基于串行PCIE协议，核心仍然是micro controller + NAND。
注：转自周捷 E课网
参考文献：