유니버설 플래시 스토리지

 



1. 개요
2. 버전 별 특징
3. 적용 기기
4. UFS 카드


1. 개요

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'''Universal Flash Storage'''
2011년 2월에 표준이 최초로 공개된 새 플래시 메모리 규격이다. 물리적으로는 MIPI의 M-PHY 인터페이스를 채택하여 레인당 5.8Gbps 속도로 두 개의 레인을 사용하면 최대 11.6Gbps 대역폭을 가지도록 정해졌고, 링크 계층은 MIPI의 UniPro를 채택하여 그 위에 UTP 전송 계층을 올리도록 만들어졌다. SW적으로는 SCSI 명령어 세트를 서브셋으로 차용하였다. 즉, 이미 있는 표준인 M-PHY, UniPro, SCSI를 조합하여 시장에서 빨리 채택되도록 의도하였으나, UFS 1.0 표준은 그냥 사장되었고, UFS 2.0 표준을 따르는 제품이 2015년에 나왔으니, 실제로는 4년 넘게 걸린 셈이다.
디지털 카메라, '''스마트폰,''' 태블릿 컴퓨터 등 임베디드 시스템을 위한 플래시 스토리지 규격이며, eMMC를 대체하기 위해 개발되었다. 주로 전자제품의 내부에 부품형태로 고정된 저장장치로 사용되며(eUFS, embedded UFS) 따라서 확장하거나 교체할 수 없다. 2015년에 출시된 삼성전자의 갤럭시 S6에서 최초로 탑재되었으며, 이후 대부분의 삼성의 플래그십 스마트폰에 탑재되었고, 뒤를 이어 중국의 많은 스마트폰과 LG의 스마트폰에도 탑재되었다. 다만 애플은 NVMe를 선택하였으며, NVMe 특유의 높은 데이터 대역폭 대신 높은 발열과 전력 소모량 때문에 모바일 환경에서 실제 성능은 UFS와 차이가 없는 수준이다.
마이크로 SD 카드처럼 휴대용/외장용 메모리로 보급하려는 시도가 있다. (UFS Card) 2016년 3월에 UFS Card 표준 1.0이 발표되었다. 하지만 기존의 마이크로 SD카드나 슬롯과는 전혀 호환성이 없어 표준이 제정된 지 1년 넘게 지났음에도 아직도 거의 보급이 안 되고 있다. 호환성이 없는 이유는 eMMC는 8비트 버스 인터페이스를 사용하는 반면 UFS는 MIPI 표준의 하나인 M-PHY라는 고속 직렬 통신 인터페이스를 사용하기 때문이다. 마이크로 SD 카드와는 달리 상어 지느러미 모양을 가지도록 하여 외관상 구분이 되도록 하였고, 사용하는 핀의 위치가 다르도록 하였기 때문에 콤보 소켓이 장착되면 소켓 하나로 마이크로 SD 카드와 UFS 카드를 모두 사용할 수 있게 된다.

2. 버전 별 특징

하이닉스의 설명
1세대부터 반이중(Half duplex)인 eMMC와 다르게 전이중(Full duplex) 통신을 사용한다. 또한 eMMC와 비교해 전송 속도가 훨씬 높으며[1], 훨씬 더 저전력이다.
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microSD는 8~90MB/s, 하드디스크 속도가 빨라봐야 133MB/s(체감속도는 0.5~1MB/s), eMMC는 250 ~ 400MB/s를 넘기 힘든 반면, UFS는 1세대에서도 800MB/s, 외장 카드일 경우 500MB/s까지 찍을 수 있어서 SATA 인터페이스를 쓰는 SSD와 맞먹는다.
최신 규격인 UFS 2.1에 도입된 특징:
  • M-PHY 3.1 어댑터 계층과 UniPro v1.6 링크 계층을 사용한 UFS 2.1 호스트 컨트롤러를 사용한다.
  • UFS 사용 디바이스에서 다중 이니시에이터 지원.
  • UPIU들에 대한 CMD 우선순위 지원.
  • SCSI CMD 쓰기 버퍼를 이용한 FFU(Field Firmware Update) 지원.
  • 블록 사이즈 단에서의 데이터 카운트 지원.
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1세대 UFS는 800MB/s가 한계였지만 2세대 UFS는 최대 1333MB/s 의 데이터 대역폭을 가지며, 2018년에 나온 3세대 UFS 3.0은 어댑터 계층이 M-PHY 4.1로 링크 계층이 UniPro v1.8로 업데이트되었고 HS-Gear4 즉 2666MB/s 까지 가능하여, NVMe형 SSD보다 약간 못미치는 대역폭을 자랑한다.
2020년에 나온 UFS 3.1은 대역폭은 UFS 3.0과 동일하나 SLC 캐시에 해당되는 라이트 부스트, 새로운 저전력 상태인 딥슬립, 써멀 스로틀링인 퍼포먼스 스로틀링 노티피케이션 등이 추가 되었다.

3. 적용 기기

eMMC 대비 원가가 비싸서인지 각 제조사의 플래그십 제품군에만 탑재되는 경향이 있다. 2019년 기준으로 갤럭시 A 시리즈, 샤오미 Redmi Note 시리즈 등 AP나 RAM 성능으로는 2세대 전은 물론 바로 전세대 플래그십과도 대등한 성능을 가진 중급기들도 나오고 있지만 갤럭시 A8(2016)이나 LG Q9처럼 전세대 플래그십의 칩셋을 재활용한 모델 등을 빼면 이들에게도 UFS는 탑재되지 않는 경우가 많다. 허나 2020년에 들어서 Redmi note 9s, Realme 6 등의 중급기에도 UFS 2.1이 탑재되는 추세이다.
한편 아직 SSD의 모듈로는 채용되지 않았는데, 생산 단가도 단가지만 굳이 PC 환경(데스크톱, 노트북 컴퓨터, 태블릿 PC)에 UFS를 채용할 필요성이 없다시피한 점도 있다. 2020년 기준 동일 시기 규격으로 비교하면 NVMe 드라이브가 쓰는 48Gbps(6GB/s)의 속도는 3세대 UFS 보다 빠르다. 이외에도 x86 PC 진영에서는 아무래도 공간이나 전성비에 구애받는 것이 훨씬 덜하기 때문에 3D XPoint, RAID 0, PCI Express 버전[2] 등 전력소모 문제만 없다면 저장공간의 속도를 높일 수 있는 방법은 차고 넘쳐서 구태여 UFS까지 끌어들여 속도를 높일 필요성은 현재까지도 제기되지 않고 있다.

4. UFS 카드

삼성전자는 UFS 를 내장 저장장치 부품뿐 아니라 외장용/휴대용 메모리로 널리 보급해서 마이크로 SD 카드처럼 쓰이거나 이를 대체하기 위해 외장용 규격의 UFS 카드라는 새로운 외장용 메모리카드 규격의 보급을 추진하고 있다.
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2016년 3월 31일, JEDEC JESD220-2에서 MicroSD처럼 이동식으로 사용할 수 있는 '''UFS 1.0 카드 확장 표준'''이 공식으로 제정되었다. UFS 2.0 기반 HCI 2.0과 호환되며, 크기는 15 x 11 x 1 mm이고 모양은 돌고래와 비슷한 모양이다. 전송 속도는 채널당 2.9~5.8Gbps이며 UFS 1.0에서는 싱글 채널의 단방향으로 600MB/s가 나오고 UFS 2.0에서는 그 2배인 1.2GB/s로 높아질 예정이다. 스마트폰 등 UFS를 시스템 메모리로 사용하는 임베디드 시스템에서는 microSD 확장 슬롯이 이 UFS 1.0 카드 확장 표준을 만족하는 외부 스토리지로 대체될 것으로 예상되며, 카드의 크기[3]나 핀의 위치[4]상 microSD 카드와의 호환성을 고려한 것으로 보인다.
UFS 카드는 마이크로 SD 카드보다 몇 배로 IO 속도가 빠르지만 가격이 비싸고 무엇보다 기존의 마이크로 SD 카드와는 카드와 슬롯 모두 호환성이 전혀 없다.[5] 2016년 3월 표준이 제정되었음에도 불구하고 6개월씩이나 지난 2016년 9월 현재 UFS 카드 슬롯이 장착된 휴대폰이나 디지털 카메라가 전혀 없기 때문에 UFS 카드의 보급이 더디다. USB 3.0만 해도 2008년 표준이 제정되고 상용화하기까지 2년, 대중화에 진입하기까지 4년밖에 걸리지 않았다. 반면, UFS는 대중화도 아닌 처음 도입되기까지 4년이나 걸렸다.
물론 이는 기존 규격의 버전 업과 신규 규격이라는 차이라는 것을 감안해야 하는데, USB 3.0의 경우 기존의 2.0과의 완벽한 하위호환을 자랑했으며 포트조차도 2017년부터 모바일 기기를 중심으로 확산되는 Type-C가 보급되기 전까진 2.0시절부터 써오던 Type-A단자를 그대로 사용해왔다. 아예 처음부터 시작해야하는 UFS와는 사정이 다르다. 현재 사실상 모든 단자들을 다 압살한 USB도 처음 출시 당시에는 컨트롤러의 프로그래밍이 귀찮고 복잡하단 이유로 시리얼포트와 상당한 기간동안 경쟁해야 했었던 역사가 있다.
삼성전자의 갤럭시 스마트폰 조차도 내장 메모리는 UFS를 사용하지만 외장용 메모리는 마이크로 SD만 지원하고 외장의 UFS 카드를 지원하지는 않는다. UFS 카드 지원 마운트 슬롯과 SD카드 마운트 슬롯을 따로 내주는 식으로 보급 할 수 있을 텐데 그러지 않고 있다.
2017년 하반기 최신폰에서도 지원하지 않고 있고, 2018년 후반기에 들어서야 처음으로 지원하는 기기가 등장했다. 모두의 예상과 달리 스마트폰이 아닌 삼성 노트북 Flash에 최초로 UFS 카드 슬롯이 탑재되었고 후속기종인 삼성 노트북 Pen S와 같은 기종에도 계속적으로 UFS/microSD 호환 슬롯이 탑재되어 나오는 중이다.
2016년 7월 7일, 삼성전자에서 세계 최초로 256GB UFS 카드를 공개하였다. 순차 읽기는 530 MB/s, 순차 쓰기는 170 MB/s, 랜덤 액세스 성능은 40,000 read IOPS/ 35,000 write IOPS.
2018년 11월 23일, 마침내 실 제품의 제품 페이지가 등록되었다. 최초로 공개된 스펙에서 약간 변경된 순차 읽기 500MB/s, 순차 쓰기 200MB/s의 속도를 제공한다.
그러나 2020년 기준 사용처가 사실상 전무하다. 기술적으로 경쟁 기술보다 우월할지라도 사용처가 없고 micro sd와의 호환성도 없어서[6] 사용처는 오직 UFS 카드용 전용기기를 새로 생산해야 하는데, 삼성에서도 노트북에만 쓰이고, 삼성 갤럭시등 스마트폰이나 태블릿에는 2021년 2월 기준 적용된 모델이 없다.[7]
가격은 동 용량의 Micro SD 카드보다 두 배 가량 비싼 편. 마치 플래시 메모리 기반 SSD와 옵테인 메모리를 보는 격인 셈. 다만 2020년 8월 기준 Micro SD 카드와 몇천원 정도 차이로 거의 비슷한 가격대까지 내려왔다. UFS 규격을 지원하는 제품을 사용하고 있다면 괜찮은 선택지가 될 수 있다.

[1] 무려 2~7배 차이다.[2] PCI-E 4.0을 지원하는 AMD RYZEN 시리즈/3세대가 출시되면서 PCI-E 4.0을 지원하는 SSD도 출시되기 시작했다.[3] microSD 카드의 크기도 UFS 카드와 마찬가지로 15 x 11 x 1 mm이다.[4] 11번, 12번 핀인 Vcc와 Vss의 위치가 MicroSD와 동일하며 나머지 단자들은 전부 중앙에 위치한다. 도면 참조.[5] 기존의 단자에 적절하게 핀 개수를 추가해 속도를 늘리는 것으로 2.0 슬롯에 3.0 기기를 꽂아도 동작하고, 3.0 슬롯에 2.0 기기를 꽂아도 역시 동작하는 양방향 하위호환으로 이루어진 USB의 버전업과 달리, UFS 카드는 전원부만 기존의 microSD카드와 공유하고 데이터 통신용 핀의 위치 자체가 다르기 때문에 UFS 슬롯에 microSD카드가 호환될 수는 있어도 기존에 microSD카드 슬롯만 탑재되어 출시된 기기는 물리적으로 UFS카드를 사용할 수 없는 일종의 단방향 하위호환이다.[6] 슬롯 자체는 micro SD와 같이 쓸 수'는' 있다.[7] 2010년대 중후반에 일체형 베터리 모델이 증가하면서, 핀을 꽂아서 카드 트레이를 꺼내는 방식이 자주 쓰이게 되었는데, 이 경우 UFS/microSD 호환 슬롯의 구현이 어려운 것이 원인으로 보인다.

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