淺析手機(jī)內(nèi)存和閃存的優(yōu)化技術(shù)

RAM和ROM的區(qū)別

直到現(xiàn)在還有不少朋友搞不清R A M 和ROM的差異，本文我們就再做次小科普。RAM代表手機(jī)內(nèi)存（又稱“運(yùn)存”），就好像P C上的內(nèi)存條，只是手機(jī)內(nèi)存都是一顆單獨(dú)的芯片。ROM代表存儲(chǔ)空間（又稱“ 閃存”），類似PC上的硬盤，而手機(jī)上的ROM依舊是以一顆N A N D閃存芯片的形態(tài)存在（圖1）。

誰(shuí)在影響內(nèi)存性能

我們都知道，手機(jī)內(nèi)存越大性能和體驗(yàn)越好。但除了容量，還有很多因素會(huì)影響手機(jī)內(nèi)存的性能。

內(nèi)存標(biāo)準(zhǔn)

如今手機(jī)內(nèi)存主要以LPDDR4X和LPDDR5兩種標(biāo)準(zhǔn)為主。LPDDR5相比較于LPDDR4X，綜合場(chǎng)景續(xù)航提升大約10%，玩游戲省電大約20%，微信視頻和語(yǔ)音續(xù)航大約提升10%，一句話概括就是性能更強(qiáng)，功耗更低。實(shí)際上，從LPDDR3→LPDDR4→ LPDDR4X→LPDDR5，下一代內(nèi)存較之前輩都具備上述優(yōu)勢(shì)（圖2）。

內(nèi)存頻率

我們都知道，內(nèi)存頻率越高，性能越強(qiáng)。LPDDR4X就存在LPDDR4X-1866（等效3733MH）和LPDDR4X-2133（等效4266MHz）兩種頻率，LPDDR5也包含LPDDR5-2750（等效5500MHz）和LPDDR5-3200（等效6400MHz）兩種頻率，現(xiàn)在很多旗艦手機(jī)搭載的所謂“滿血LPDDR5內(nèi)存”，指的就是LPDDR5-3200標(biāo)準(zhǔn)。

內(nèi)存通道

手機(jī)專用的LPDDR內(nèi)存默認(rèn)均為16bit位通道。以驍龍7系、6系、4系為代表的中低端移動(dòng)平臺(tái)都是2×16bit，即16位雙通道（共計(jì)32位）;而驍龍8系移動(dòng)平臺(tái)則是4×16bi t，即16位四通道（共計(jì)64位）。此外，旗艦級(jí)芯片普遍還能搭配更高頻率的LPDDR5內(nèi)存，所以它們才能保持對(duì)中端芯片的全面壓制。

內(nèi)存管理機(jī)制

iPhone手機(jī)的內(nèi)存遠(yuǎn)不如同期的Android旗艦，但前者卻依舊能保持良好的流暢性，也很少聽(tīng)說(shuō)因內(nèi)存不夠用而導(dǎo)致系統(tǒng)卡頓，在這背后就是內(nèi)存的調(diào)用和回收等管理機(jī)制邏輯有別了。配置一模一樣的Android手機(jī)，打開相同數(shù)量的APP總有一款更流暢，說(shuō)明其研發(fā)團(tuán)隊(duì)的“軟實(shí)力”更強(qiáng)。

RAM Boost技術(shù)

RAM Boost最早出現(xiàn)在2019年上市的一加7 Pro身上，可以讓8GB內(nèi)存的一加7 Pro擁有等同于12GB內(nèi)存競(jìng)品的多任務(wù)后臺(tái)能力（圖3）。2021年，努比亞發(fā)布的紅魔6游戲手機(jī)也引入了RAM Boost技術(shù)，號(hào)稱可以讓12GB內(nèi)存猶如18GB內(nèi)存般使用。

所謂的RAM Boost即內(nèi)存虛擬快速擴(kuò)展技術(shù)，我們可以將它理解為PC領(lǐng)域的“虛擬內(nèi)存技術(shù)”，即將部分硬盤容量虛擬為內(nèi)存，當(dāng)后臺(tái)程序快要擠滿內(nèi)存時(shí)，將部分程序劃分到虛擬內(nèi)存中。R AM Boost的原理和其類似—— 用手機(jī)閑置的ROM閃存來(lái)接納來(lái)自物理內(nèi)存的碎片。

但是，R O M 閃存的讀寫速度遠(yuǎn)不如R AM內(nèi)存，如果你真的在后臺(tái)同時(shí)駐留數(shù)十個(gè)應(yīng)用，同時(shí)擠滿RAM和ROM虛擬出來(lái)的內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)流暢性肯定會(huì)受到影響。因此，RAM Boost并不能提升內(nèi)存性能，它只能同時(shí)在內(nèi)存中駐留更多程序（圖4）。與其指望它帶來(lái)驚喜，還不如期待手機(jī)可以直接搭配更大的內(nèi)存以及更具效率的內(nèi)存管理機(jī)制呢。

誰(shuí)在影響閃存性能

就好像新款PC的主硬盤已經(jīng)全面過(guò)渡到SSD一樣，如今智能手機(jī)的閃存也都經(jīng)歷了一次較大的迭代，就是從eMMC閃存跨越到了UFS閃存（圖5）。那么，又有誰(shuí)在影響UFS閃存的性能呢？

閃存標(biāo)準(zhǔn)

早期智能手機(jī)都內(nèi)置eMMC閃存，它是在NAND閃存芯片的基礎(chǔ)上，額外集成了主控制器，并將二者“打包”封裝封成一顆BGA芯片，從而減少了對(duì)PCB主板的空間占用。eMMC的最新標(biāo)準(zhǔn)為eMMC 5.1，常見(jiàn)于千元以內(nèi)的入門級(jí)手機(jī)市場(chǎng)，讀取速度最高只有400MB/s左右。

U FS是eMMC的進(jìn)階版，它是由多個(gè)閃存芯片、主控、緩存組成的陣列式存儲(chǔ)模塊。UFS彌補(bǔ)了eMMC僅支持半雙工運(yùn)行（讀寫必須分開執(zhí)行）的缺陷，可以實(shí)現(xiàn)全雙工運(yùn)行，所以性能得以翻番。UFS目前存在UFS2.0（讀取速度70 0MB/s）、UFS2.1（9 0 0MB/s）、UFS2.2（900MB/s）、UFS3.0（1700MB/s）和UFS3.1（1900MB/s）等標(biāo)準(zhǔn)，UFS2.x常見(jiàn)于中低端產(chǎn)品，UFS3.x則是高端手機(jī)的標(biāo)配（圖6）。

閃存通道

和內(nèi)存一樣，UFS閃存也存在單通道和雙通道之別，兩者讀寫性能相差30%～50%之間。好消息是，如今新款手機(jī)都已標(biāo)配雙通道UFS，所以咱們只要簡(jiǎn)單了解一下即可。

Write Turbo技術(shù)

Write Turbo是UFS3.0時(shí)期引入的一項(xiàng)虛擬技術(shù)，很多品牌主打的閃存增強(qiáng)技術(shù)大多是基于它優(yōu)化而來(lái)，比如紅魔6主打的Magic Write 2.0。我們都知道，現(xiàn)在手機(jī)閃存都是TLC介質(zhì)的NAND芯片，它的優(yōu)勢(shì)是可以在每個(gè)存儲(chǔ)單元中保存3bit，能以低成本實(shí)現(xiàn)更大的容量，但讀寫，特別是寫入速度遠(yuǎn)不如SLC NAND。

所謂的Write Turbo，其實(shí)就是虛擬SLC技術(shù)（圖7）。它會(huì)將部分TLC閃存容量虛擬成SLC，當(dāng)手機(jī)在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)優(yōu)先將其寫入到虛擬的S LC空間，由于后者每個(gè)存儲(chǔ)單元只需保存1bit數(shù)據(jù)，所以寫入速度會(huì)有大幅提升（讀取速度也有明顯提升）。但是，如果一次寫入的數(shù)據(jù)容量超過(guò)了虛擬S L C 容量，讀寫速度便會(huì)驟降至TLC的水平上。

各大手機(jī)廠商會(huì)在虛擬SLC的容量和調(diào)度規(guī)則上存在差異，比如有些廠商會(huì)選擇全盤虛擬S LC的方式，隨著使用空間的逐漸增加，速度會(huì)逐漸下降。因此，都是內(nèi)置UFS 3 .1+Wr i te Tur b o閃存的手機(jī)，它們之間的實(shí)際體驗(yàn)可能也有高低之分。

磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)

除了使用Write Turbo虛擬SLC以外，剛上市不久的黑鯊4 Pro還給我們帶來(lái)了一個(gè)全新的思路——磁盤陣列存儲(chǔ)系統(tǒng)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這款手機(jī)除了內(nèi)置閃存芯片以外，還額外添加了一顆來(lái)自群聯(lián)的SSD芯片（圖8），并將二者組成了Raid 0陣列，如此讓手機(jī)的讀寫速度都有著50%以上的提升（圖9）。

RAMDISK磁盤加速器

黑鯊4 Pro同時(shí)還主打一項(xiàng)名為RAMDISK磁盤加速器的功能。提起“RAMDISK”很多朋友應(yīng)該非常熟悉（圖10），很早以前CFan曾多次報(bào)道過(guò)如何將電腦閑置內(nèi)存使用虛擬成RAMDISK“內(nèi)存盤”，保存其中的程序運(yùn)行飛快，但每次關(guān)機(jī)內(nèi)存盤都會(huì)被清空，下次開機(jī)后還需重新加載程序。

黑鯊4 Pro的RAMDISK磁盤加速器的原理和內(nèi)存盤差不多，都是直接通過(guò)內(nèi)存模擬閃存存儲(chǔ)空間，讓游戲文件直接在內(nèi)存中完成讀寫，游戲的啟動(dòng)、加載和運(yùn)行速度更是大幅提升（圖11）。需要注意的是，該功能僅限標(biāo)配12GB或16GB內(nèi)存的高配版本，8GB內(nèi)存版則不支持RAMDISK技術(shù)。原因也很簡(jiǎn)單，在當(dāng)前的應(yīng)用環(huán)境8GB內(nèi)存都不嫌多，哪里還有額外空間供你虛擬閃存？此外，同一時(shí)間僅有一款游戲可以運(yùn)行在基于RAMDISK技術(shù)的極速模式下，想切換其他游戲時(shí)必須等待一定的時(shí)間讓極速模式掛載完成。

閃存內(nèi)存合二為一

作為手機(jī)內(nèi)部最占用PCB主板空間的“大戶”，內(nèi)存（包括隱藏在其下面的SoC）和閃存的體型都不小，如果能將這顆存儲(chǔ)芯片也和處理器內(nèi)存摞在一起，不就可以更加節(jié)省主板空間了嗎？2020年底，美光發(fā)布的uMCP5閃存技術(shù)就有望實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，uMCP5是全球首次通過(guò)MCP多芯片封裝的方式，在單顆芯片內(nèi)就完整集成了自家的LPDDR5內(nèi)存芯片、NAND閃存芯片以及UFS 3.1控制器（圖12），它采用TFBGA封裝格式，最大可選12GB+256GB容量。其中，該產(chǎn)品LPDDR5內(nèi)存的部分支持6400Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率，UFS3.1閃存部分的編程/擦寫循環(huán)次數(shù)可達(dá)到5000次。

總之，美光uMCP5的出現(xiàn)，可以進(jìn)一步提升手機(jī)的存儲(chǔ)密度，節(jié)省內(nèi)部空間、成本和功耗，而我們也期待這種“二合一”的存儲(chǔ)芯片可以早日在手機(jī)領(lǐng)域量產(chǎn)（圖13），并有機(jī)會(huì)用于筆記本等其他計(jì)算設(shè)備領(lǐng)域。

小結(jié)

作為影響手機(jī)性能輸出的“鐵三角”，閃存和內(nèi)存的重要性不次于處理器，因此每次它們的技術(shù)革新，都會(huì)帶來(lái)切實(shí)的實(shí)際體驗(yàn)提升。希望大家今后在選購(gòu)手機(jī)時(shí)，可以將目光多多投向這兩個(gè)領(lǐng)域的優(yōu)化和升級(jí)上。