浅析手机内存和闪存的优化技术

2021-06-07

电脑爱好者 2021年11期

RAM和ROM的区别

直到现在还有不少朋友搞不清R A M 和ROM的差异，本文我们就再做次小科普。RAM代表手机内存（又称“运存”），就好像P C上的内存条，只是手机内存都是一颗单独的芯片。ROM代表存储空间（又称“ 闪存”），类似PC上的硬盘，而手机上的ROM依旧是以一颗N A N D闪存芯片的形态存在（图1）。

谁在影响内存性能

我们都知道，手机内存越大性能和体验越好。但除了容量，还有很多因素会影响手机内存的性能。

内存标准

如今手机内存主要以LPDDR4X和LPDDR5两种标准为主。LPDDR5相比较于LPDDR4X，综合场景续航提升大约10%，玩游戏省电大约20%，微信视频和语音续航大约提升10%，一句话概括就是性能更强，功耗更低。实际上，从LPDDR3→LPDDR4→ LPDDR4X→LPDDR5，下一代内存较之前辈都具备上述优势（图2）。

内存频率

我们都知道，内存频率越高，性能越强。LPDDR4X就存在LPDDR4X-1866（等效3733MH）和LPDDR4X-2133（等效4266MHz）两种频率，LPDDR5也包含LPDDR5-2750（等效5500MHz）和LPDDR5-3200（等效6400MHz）兩种频率，现在很多旗舰手机搭载的所谓“满血LPDDR5内存”，指的就是LPDDR5-3200标准。

内存通道

手机专用的LPDDR内存默认均为16bit位通道。以骁龙7系、6系、4系为代表的中低端移动平台都是2×16bit，即16位双通道（共计32位）;而骁龙8系移动平台则是4×16bi t，即16位四通道（共计64位）。此外，旗舰级芯片普遍还能搭配更高频率的LPDDR5内存，所以它们才能保持对中端芯片的全面压制。

内存管理机制

iPhone手机的内存远不如同期的Android旗舰，但前者却依旧能保持良好的流畅性，也很少听说因内存不够用而导致系统卡顿，在这背后就是内存的调用和回收等管理机制逻辑有别了。配置一模一样的Android手机，打开相同数量的APP总有一款更流畅，说明其研发团队的“软实力”更强。

RAM Boost技术

RAM Boost最早出现在2019年上市的一加7 Pro身上，可以让8GB内存的一加7 Pro拥有等同于12GB内存竞品的多任务后台能力（图3）。2021年，努比亚发布的红魔6游戏手机也引入了RAM Boost技术，号称可以让12GB内存犹如18GB内存般使用。

所谓的RAM Boost即内存虚拟快速扩展技术，我们可以将它理解为PC领域的“虚拟内存技术”，即将部分硬盘容量虚拟为内存，当后台程序快要挤满内存时，将部分程序划分到虚拟内存中。R AM Boost的原理和其类似—— 用手机闲置的ROM闪存来接纳来自物理内存的碎片。

但是，R O M 闪存的读写速度远不如R AM内存，如果你真的在后台同时驻留数十个应用，同时挤满RAM和ROM虚拟出来的内存时，系统流畅性肯定会受到影响。因此，RAM Boost并不能提升内存性能，它只能同时在内存中驻留更多程序（图4）。与其指望它带来惊喜，还不如期待手机可以直接搭配更大的内存以及更具效率的内存管理机制呢。

谁在影响闪存性能

就好像新款PC的主硬盘已经全面过渡到SSD一样，如今智能手机的闪存也都经历了一次较大的迭代，就是从eMMC闪存跨越到了UFS闪存（图5）。那么，又有谁在影响UFS闪存的性能呢？

闪存标准

早期智能手机都内置eMMC闪存，它是在NAND闪存芯片的基础上，额外集成了主控制器，并将二者“打包”封装封成一颗BGA芯片，从而减少了对PCB主板的空间占用。eMMC的最新标准为eMMC 5.1，常见于千元以内的入门级手机市场，读取速度最高只有400MB/s左右。

U FS是eMMC的进阶版，它是由多个闪存芯片、主控、缓存组成的阵列式存储模块。UFS弥补了eMMC仅支持半双工运行（读写必须分开执行）的缺陷，可以实现全双工运行，所以性能得以翻番。UFS目前存在UFS2.0（读取速度70 0MB/s）、UFS2.1（9 0 0MB/s）、UFS2.2（900MB/s）、UFS3.0（1700MB/s）和UFS3.1（1900MB/s）等标准，UFS2.x常见于中低端产品，UFS3.x则是高端手机的标配（图6）。

闪存通道

和内存一样，UFS闪存也存在单通道和双通道之别，两者读写性能相差30%～50%之间。好消息是，如今新款手机都已标配双通道UFS，所以咱们只要简单了解一下即可。

Write Turbo技术

Write Turbo是UFS3.0时期引入的一项虚拟技术，很多品牌主打的闪存增强技术大多是基于它优化而来，比如红魔6主打的Magic Write 2.0。我们都知道，现在手机闪存都是TLC介质的NAND芯片，它的优势是可以在每个存储单元中保存3bit，能以低成本实现更大的容量，但读写，特别是写入速度远不如SLC NAND。

所谓的Write Turbo，其实就是虚拟SLC技术（图7）。它会将部分TLC闪存容量虚拟成SLC，当手机在写入数据时，系统会优先将其写入到虚拟的S LC空间，由于后者每个存储单元只需保存1bit数据，所以写入速度会有大幅提升（读取速度也有明显提升）。但是，如果一次写入的数据容量超过了虚拟S L C 容量，读写速度便会骤降至TLC的水平上。

各大手机厂商会在虚拟SLC的容量和调度规则上存在差异，比如有些厂商会选择全盘虚拟S LC的方式，随着使用空间的逐渐增加，速度会逐渐下降。因此，都是内置UFS 3 .1+Wr i te Tur b o闪存的手机，它们之间的实际体验可能也有高低之分。

磁盘阵列存储系统

除了使用Write Turbo虚拟SLC以外，刚上市不久的黑鲨4 Pro还给我们带来了一个全新的思路——磁盘阵列存储系统。

简单来说，这款手机除了内置闪存芯片以外，还额外添加了一颗来自群联的SSD芯片（图8），并将二者组成了Raid 0阵列，如此讓手机的读写速度都有着50%以上的提升（图9）。

RAMDISK磁盘加速器

黑鲨4 Pro同时还主打一项名为RAMDISK磁盘加速器的功能。提起“RAMDISK”很多朋友应该非常熟悉（图10），很早以前CFan曾多次报道过如何将电脑闲置内存使用虚拟成RAMDISK“内存盘”，保存其中的程序运行飞快，但每次关机内存盘都会被清空，下次开机后还需重新加载程序。

黑鲨4 Pro的RAMDISK磁盘加速器的原理和内存盘差不多，都是直接通过内存模拟闪存存储空间，让游戏文件直接在内存中完成读写，游戏的启动、加载和运行速度更是大幅提升（图11）。需要注意的是，该功能仅限标配12GB或16GB内存的高配版本，8GB内存版则不支持RAMDISK技术。原因也很简单，在当前的应用环境8GB内存都不嫌多，哪里还有额外空间供你虚拟闪存？此外，同一时间仅有一款游戏可以运行在基于RAMDISK技术的极速模式下，想切换其他游戏时必须等待一定的时间让极速模式挂载完成。

闪存内存合二为一

作为手机内部最占用PCB主板空间的“大户”，内存（包括隐藏在其下面的SoC）和闪存的体型都不小，如果能将这颗存储芯片也和处理器内存摞在一起，不就可以更加节省主板空间了吗？2020年底，美光发布的uMCP5闪存技术就有望实现这个梦想。

简单来说，uMCP5是全球首次通过MCP多芯片封装的方式，在单颗芯片内就完整集成了自家的LPDDR5内存芯片、NAND闪存芯片以及UFS 3.1控制器（图12），它采用TFBGA封装格式，最大可选12GB+256GB容量。其中，该产品LPDDR5内存的部分支持6400Mbps的数据传输率，UFS3.1闪存部分的编程/擦写循环次数可达到5000次。