모바일 제품에 사용되는 스토리지 솔루션은 오래 전부터 eMMC 스토리지와 SD 카드가 사용되었지만 요즘에는 보다 빠른 속도와 저전력으로 동작하는 UFS(Universal Flash Storage) 솔루션이 각광을 받고 있다.

이미 스마트폰과 태블릿은 물론 드론, 자동차, 카메라 등 고성능 및 저전력, 높은 신뢰성을 요구하는 분야에서 널리 사용되고 있으며, 외장 메모리 카드 형태의 UFS 카드는 아직 널리 보급되진 않았지만 microSD 카드를 대체할 것으로 기대를 모으고 있다.

메모리 반도체 분야에서 글로벌 선두 업체인 삼성전자는 다양한 UFS 솔루션을 출시하고 있는데, 며칠 전 영문 사이트에 UFS 기술 특징에 대해 자세하게 설명한 글을 게재해 이를 정리해보았다. 

 

 

고성능, 저전력, 안정성 갖춘 UFS 기술

UFS 인터페이스 프로토콜은 효율적인 처리량, 시스템 성능 및 안정성을 위해 최적화됐다. 구식 시그널링 아키텍처 기반 eMMC/SD 카드와 eUFS/UFS 카드의 주요 차이점은 높은 신뢰성을 가진 고속 및 저전력 직렬 인터페이스다.

UFS 직렬 인터페이스는 차동 신호(differential signaling)를 사용해 높은 잡음 여유도(noise immunity)를 제공한다. 모바일 기기처럼 전원 액세스가 제한적인 장치의 경우 배터리를 절약하고 전자파 방출을 낮추기 위해 더 낮은 전압으로 동작하는 것이 중요하다. 그러나 공급 전압을 낮추면 잡음 여유도 역시 감소하게 된다. 이를 극복하기 위해 차동 신호가 사용되며, 이는 단일 종단 시스템에 비해 높은 잡음 여유도를 제공한다.

UFS에 사용된 직렬 인터페이스 기술은 신호 무결성을 크게 향상시켜 0.2v ~ 0.4v 정도의 낮은 신호 전압으로 고속 신호 전송이 가능하다. UFS를 사용할 때 MIPI (Mobile Industry Processor Interface) 절전 기능과 결합하면 거의 유휴 전력 수준으로 전력 소비가 줄어든다. 덕분에 모바일 장치는 UFS 카드 v1.0/1.1 규격에서는 최대 6Gbps, 그리고 eUFS v2.0/2.1에서는 최대 12Gbps의 고대역 속도로 동작할 수 있다.

강화된 성능은 오디오 및 비디오 콘텐츠 관리, 고해상도 멀티미디어 캡처 및 다운로드 경험, 내비게이션 응답, 핸즈프리 음성 명령, 소셜 미디어 상호 작용을 가속화 할 수 있다.

 

UFS는 M-PHY / Unipro 물리 구조 및 링크 레이어와 SCSI 표준 프로토콜을 결합해 차세대 모바일, 연결 장치 및 차량용 시스템에 필수적인 일관된 효율적인 오류 처리 프로세스를 구현한다. UFS는 UniPro 하드웨어 계층을 통해 I/O 오류를 자동으로 감지하고 복구하며, M-PHY 하드웨어 계층을 통해 안정적인 데이터 전송을 제공한다.

또한 UFS는 매우 효율적인 다중 스레드 프로그래밍을 가능하게 하는 여러 개의 동시 명령 및 명령 대기열 기능을 지원하는 것으로 잘 알려진 SCSI (Small Computer System Interface) 아키텍처 모델과 명령 프로토콜을 채택했다. SCSI 명령 프로토콜과 아키텍처는 25년 이상 다양한 스토리지 솔루션으로 진화해왔으며, SCSI 명령 프로토콜을 기반으로 구축된 시스템은 안정적이고 신뢰할 수 있다.

이것은 개별 명령만 처리할 수 있어 임의 읽기/쓰기 액세스 성능에 제한이 있는 레거시 플래시 기반 메모리 카드 및 임베디드 플래시 솔루션과 비교해 상당한 차이가 있는 부분이다.

 

 

eUFS - eMMC 대체하는 초고속 임베디드 스토리지 솔루션

모바일 CPU, GPU 및 네트워크는 세대가 넘어갈 때마다 점점 더 빨라지고 있다. 내부 스토리지 또는 플래시 메모리는 성능상의 병목 현상을 일으킬 수 있다.

삼성전자는 업계 표준 UFS v2.1을 준수하는 업계 최초의 플래시 저장 메모리를 만들었으며, eMMC의 저전력 소모로 SSD의 속도를 약속했다. 그 이후 UFS는 시장에서 eMMC의 역할을 대체하기 시작했다.

 

UFS는 플래시 메모리의 읽기/쓰기 성능을 두 가지 방식으로 향상시킨다. 먼저 eMMC와 달리 동시 읽기/쓰기 데이터 흐름을 허용하는 데이터 읽기 및 쓰기 전용 채널을 갖췄다. 

eMMC는 한 번에 읽기 또는 쓰기 작업 하나만 가능한 하프 듀플렉스 방식의 8-bit 병렬(x8) 인터페이스를 사용하는데, 라인 숫자는 많아도 한 번에 읽기 또는 쓰기 한 작업만 가능하므로 두 가지 작업을 동시에 수행하지 못한다.

이에 비해 UFS는 읽기/쓰기를 동시에 할 수 있는 풀 듀플렉스 방식의 LVDS 직렬 인터페이스로 만들어졌다. 데이터를 전송하는 라인과 수신하는 라인을 따로 구분해 한 세트를 레인(Lanes)으로 구성하므로 읽기/쓰기 작업을 동시에 할 수 있다.

 

두 번째로 처리 성능을 극대화 할 수 있도록 읽기 또는 쓰기 명령을 효율적으로 그룹화하고 재정렬하는 CQ (Command Queue, 명령 대기열) 기능을 지원한다는 것이다.

eMMC를 사용하면 시스템은 다음 명령을 시작하기 전에 이전 명령을 완료해야 한다. 그러나 UFS는 여러 개의 명령을 동시에 처리할 수 있어 멀티태스킹시 버퍼링이 발생하지 않으며 작업 우선순위를 조절하는 등 데이터를 효율적으로 처리해 스토리지 성능을 극대화한다.  

JEDEC에서 eMMC v5.1 최종 버전에 UFS의 커맨드 큐 매커니즘을 모방한 기술을 넣었지만, 전송 방식이 다른데 CQ 개념만 모방했기 때문에 실제 성능 향상은 제한적이다.

2014년 제정된 eMMC v5.1 규격과 비교해 UFS 2.1 규격은 순차 읽기 속도는 500MB/s, 순사 쓰기 속도는 50MB/s 더 빠르며, 임의 읽기 및 쓰기 속도는 2배 이상 높은 것으로 나타난다.

 

성능과 에너지 효율성을 극대화하기 위해 삼성전자는 독자적인 기술인 64-bit 512Gb V-NAND 고급 회로 설계 기술을 통합했다. 이 같은 고급 전력 관리 기술을 통해 512GB eUFS 제품은 256GB에 비해 낸드 셀을 2배 포함하고 논리 블록 주소를 물리적으로 변환할 때 매핑 프로세스를 가속화하는 새로운 컨트롤러 칩이 탑재됐음에도 전력 소비를 최소화한다.

 

UFS v3.0 사양에서는 고급 데이터 리프레시(Data Refresh) 및 온도 감지(Temperature Notification) 기능을 지원해 자동차 애플리케이션을 위한 뛰어난 시스템 안정성을 제공한다.

장치의 온도가 상한 또는 하한선을 넘으면 이 상황을 호스트에 자동으로 표시하며, 호스트가 이 표시를 받으면 쿨링팬을 작동하거나 장치의 작업량을 낮추는 등의 조치로 온도를 조절할 수 있다.

이는 UFS 스토리지가 온도 상한을 넘지 못하게 함으로써 낸드 플래시 셀이 자동차 애플리케이션처럼 데이터가 날아갈 수 있는 높은 온도 환경에서도 완벽하게 작동하도록 만들어준다.  

기존 eMMC 5.0 메모리의 경우 저장모드는 -40℃에서 85℃까지, 구동모드는 -25℃에서 85℃까지만 보증했으나, UFS v3.0을 지원하는 삼성전자 자동차용 256GB eUFS는 보증구간을 -40℃에서 105℃까지 크게 확장했다.

 

 

UFS 카드 - SD 카드보다 최대 10배 빠른 메모리 카드

UFS 카드는 우수한 순차 및 임의 읽기/쓰기을 제공하는 이동식 저장장치의 선도적인 기술 솔루션으로 무인항공기(드론), 여러 개의 4K/8K 카메라 또는 센서가 달린 360도 기기, 그리고 스마트폰 및 태블릿 등 오늘날 연결 장치(Connected devices)에 중요한 영향을 미친다.

삼성전자는 이미 2년 전인 2016년 3월 JEDEC UFS v1.0 사양이 발표한 이후 세계 최초로 UFSA 인증을 획득한 초고속 UFS 카드를 공개했으며, 2018년 1월 JEDEC의 UFS v1.1 사양 및 UFSA의 CTM v1.3 사양 인증을 발표하자 UFS v1.1 사양을 지원하도록 새로 개발된 UFS 카드로 인증을 통과했다.

 

삼성 UFS 메모리 카드는 4K/8K 비디오 레코딩, 360도 VR, RAW 이미지 및 고급 모바일 장치와 같은 콘텐츠를 위한 빠르고 큰 외부 스토리지가 필요한 고급 애플리케이션을 위해 특별히 설계됐다.

삼성 UFS 카드는 SATA3 SSD와 비교할 수 있는 최대 500MB/s의 순차 데이터 전송 속도를 지원한다. UFS 카드는 표준 microSD 카드 규격(11 x 15mm)과 거의 비슷한 폼 팩터로 디자인 되었으며, UFS 카드와 microSD 카드를 하나의 콤보 소켓에서 사용할 수 있도록 커넥터를 설계했다.

 

microSD 카드의 커넥터가 있는 부분 아래로 UFS 카드용 커넥터를 구성했기 때문에, 기존 microSD 카드 리더기는 UFS 카드를 인식하지 못하지만 UFS 리더는 두 가지 카드 모두를 지원한다.

 

UFS 카드는 고속 직렬 인터페이스와 분리된 TX/RX 레인(separated TX/RX lanes)을 지원하여 호스트 시스템과 UFS 카드 사이에 데이터를 동시에 전송할 수 있어 높은 효율의 멀티 태스킹이 가능하다. 구조가 바뀌긴 했지만 기본 개념은 eMMC와 eUFS 관계의 연장선이라고 보면 된다.

기존 SD 카드 인터페이스는 저속 병렬 구조에 낮은 CLK 사이클 펄스, 읽기와 쓰기를 동시에 할 수 없는 하프 듀플렉스 방식이다. SD 카드의 명령 및 데이터 신호는 초기화 단계에서 3.3v, 읽기/쓰기 작업에서 1.8v가 필요하다. 총 소비 전력이 1.8v가 아니라 데이터 신호 4개, 명령 신호 1개, 클럭 신호 1개 등 총 6개의 신호에 각각 1.8v를 사용하게 되니 실제로는 많은 양의 전력을 소비하게 된다.

이에 비해 UFS 카드 인터페이스에 적용된 고속 직렬 인터페이스는 고속 CLK 사이클 펄스, 분리된 데이터 송수신(TX/RX) 레인을 갖춘 풀 듀플렉스 모드로 구성된다. 소비 전력도 RX 차동 신호는 0.4v, TX 차동 신호는 0.2v의 매우 낮은 전력으로 동작한다.

 

결과적으로 UFS 카드의 최대 소비 전력은 microSD 카드의 60%에 불과하며, 전력 효율성 측면에서 동일한 양의 데이터를 전송하는데 소비되는 전력은 UFS 카드가 microSD보다 10배 뛰어나다.

 

삼성전자는 CrystalDiskMark 테스트를 통해 동일한 하드웨어 환경에서 각각의 스토리지 성능을 측정한 결과 UFS 카드는 순차 읽기 성능과 관계있는 빠른 부팅 및 게임 로딩에서 micoSD 카드보다 최대 5배 빠른 속도를 기록했다고 밝혔다.

 

또한 오늘날 스마트폰 환경처럼 먾은 앱을 병렬로 실행할 때와 관계있는 임의 읽기/쓰기 성능은 UFS 카드가 microSD 카드보다 임의 읽기는 20배, 임의 쓰기는 70배 더 빠른 것으로 나타났다. 이 같은 성능은 microSD는 물론 일반적인 HDD보다도 높은 결과다.

 

삼성전자는 UFS 카드 라인업으로 64GB, 128GB, 256GB 등 3가지 용량 제품을 출시했는데, 시장의 요구에 맞춰 향후 512GB 이상의 고용량 제품도 출시할 수 있다고 언급했다.

또한 삼성 UFS 카드는 2018년 1월 제정된 UFS Card v1.1 사양을 지원한다. UFS Card v1.1 사양은 UFS v2.1 사양을 기반으로 UFS v2.1에서 지원하는 기능 대부분이 지원된다.

 

 

uMCP - UFS와 모바일 DRAM을 내장한 원칩 솔루션

UFS가 개발되기 전에는 eMMC와 모바일 D램(Mobile DRAM)이 내장된 단일 칩 솔루션인 eMCP가 대부분의 모바일 제품에 사용되어 왔다. 그러나 eMMC를 기반으로 한 eMCP는 앞에서 살펴본 eMMC의 단점(병렬 인터페이스, 하프 듀플렉스, 높은 소비전력, 낮은 명령 효율성)을 그대로 답습하고 있어 인공지능 및 5G 네트워크 시대를 고려할 때 충분하지 않다.

UFS는 eMMC보다 우수한 성능과 낮은 전력 소모로 eMMC를 대체하고 있으며, 업계에서도 eMMC와 DRAM을 통합한 기존의 eMCP 대신 UFS 기술을 사용하는 단일 칩 솔루션(uMCP)을 요구하고 있다.

 

삼성전자의 주요 제품인 GX128.48 uMCP는 6GB LPDDR4x DRAM 및 UFS 기반 128GB 4세대 낸드 플래시 스토리지를 단일 로우 프로파일(Low Profile), 소형 폼 팩터(Small-Form-Factor) 패키지로 통합한 uMCP 최고 용량 중 하나다.

업계 선두 18nm 공정 기술을 사용한 GX128.48 uMCP는 이전 세대 eMCP보다 17% 더 얇아진 11.5 x 13 x 1.2mm 크기의 작은 PCB 공간에서 높은 용량을 제공한다.

 

삼성전자는 eMMC 낸드 플래시가 통합된 기존 eMCP와 UFS 기반 uMCP의 사용자 경험(UX)에 따른 성능을 비교한 차트도 공개했는데, 모바일 장치에 사용할 경우 장치 초기화(Factory Reset)에 걸리는 시간이 19% 줄어들고, 부팅 시간도 16% 단축됐다.

또한 150MB 용량의 사진 파일 복사에 걸리는 시간은 57%, 16GB 비디오 파일 복사에 걸리는 시간은 43%가 줄었는데, 데이터 읽기 쓰기를 동시에 할 수 없는 eMCP(eMMC)와 달리 uMCP(UFS)는 읽기/쓰기 동시 처리 및 CQ 기능으로 내부 복사시 효율이 더 높아진 것으로 보인다.

이미지 및 내용 출처: 삼성전자

 

 

이수원 수석기자 / swlee@bodnara.co.kr

 

 

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