История развития карт памяти и внутренних накопителей смартфонов

В последние годы производители гаджетов считают, что хороший смартфон — монолитный смартфон. Аккумуляторы перестали быть съёмными, привычные SIM-карты, в их классическом понимании, тоже могут кануть в небытие, а взамен старой доброй microSD производители активно «педалируют» развитие встроенных в смартфоны накопителей. Действительно ли «приколоченные гвоздями» гигабайты настолько быстрые, выгодные и надёжные, или перед нами всего лишь новый виток на пути к «одноразовым» гаджетам ? Правда ли, что внутренние накопители смартфонов лучше любой карты памяти, и когда отправят на пенсию microSD ?

----------------------<cut>----------------------

Карты памяти соседствовали с умными телефонами ещё с «доисторических» врёмён. Первый в мире смартфон, IBM Simon, ещё в 1994 году довольствовался 1 Мбайт на внутреннем накопителе, но поддерживал подключение накопителей объёмом до 1,8 Мбайт при помощи интерфейса PCMCIA. И Nokia 9000 Communicator, которая появилась двумя годами позже, тоже могла похвастать слотом MMC.
После этого годы напролет слот MMC/RS-MMC/Memory Stick/SD/miniSD/microSD стал постоянным спутником мобильных телефонов. Исключение составляли только модели с огромным, монструозным объёмом памяти, которое выделялись на фоне конкурентов, как нынешние мобильники с 256 Гбайт на борту по соседству с обычным стиральным порошком смартфоном.
О чудесных отговорках производителей, которые ампутировали слот microSD в смартфонах, и «подвальном» способе нарастить память мы уже говорили ранее, а сегодня нам предстоит разобраться, является ли внутренний накопитель чем-то большим, чем «флэшкой наизнанку», и что он собой представляет в сравнении с microSD такого же периода выпуска.

eMMC — интегрированная «флэшка» в мультимедийных мобильниках
Отказ от съёмных накопителей в смартфонах, не будем лукавить, спровоцировал iPhone в 2007 году, а техническая реализация для производителей устройств «подъехала» из комитета стандартизации JEDEC в виде модулей eMMC.

История развития карт памяти и внутренних накопителей смартфонов

Сферический eMMC-чип в упаковке: Kingston KE4CN2H5A, 4 Гбайт, 153-Pin, BGA


Что такое eMMC? Интегрированная мультимедиа карта (Embedded Multimedia Card). Разрабатывалась для мобильников, планшетов, навигаторов, автомобильных мультимедиа-систем и другой потребительской электроники. Дебют чипов eMMC пришёлся на 2008 год и совпал с периодом, когда производители электроники вынесли своё решение в так называемой «битвой форматов». За внимание вендоров боролись два варианта подсистемы памяти в мобильных устройствах:
• NOR-флэш память для хранения и SRAM/PSRAM в роли ОЗУ. За такую комбинацию выступали Intel и Spansion (ныне — Cypress Semiconductor). Накопитель в такой конструкции представлял собой MCP-чип, такого вида конструкция была наиболее распространена в эпоху кнопочных смартфонов.
«Олдскульная» комбинация была мила производителям гаджетов умеренным энергопотреблением и более высокой производительностью в операциях на чтение данных.
• NAND-флэш память и SDRAM ОЗУ была новомодной конструкцией, за распространение которой выступал огромный альянс, в котором главными идеологами были Samsung и Toshiba. Такое сочетание компонентов негативно сказывалось на автономности мобильных устройств, зато производительность оперативной памяти и дешевизна (уже тогда) NAND сделали своё дело — мобильники нуждались в собственных накопителях не только для служебных нужд, а NAND уже на раннем этапе своего внедрения в гаджеты обходилась вендорам на треть дешевле, чем NOR.
История развития карт памяти и внутренних накопителей смартфонов

Принцип работы eMMC в сравнении с типичными флэш-накопителями


Наибольшее распространение получил второй вариант, поэтому типичный накопитель eMMC представлял собой чип на базе NAND-памяти + интегрированный контроллер с поддержкой коррекции ошибок (ECC). Таким образом, производители мобильной техники заполучили ёмкую и недорогую реализацию подсистемы памяти, минуя неуклюжие (как для телефонов) жёсткие диски.

2008 год. Учёные выяснили, что памяти в смартфонах может быть много
Был ли этот прогресс заметен просты пользователям? Только когда речь шла о флагманских моделях — eMMC стартовал как разновидность реализации MMC 4.3 в 2008 году, когда DRAM стала привычной ОЗУ во флагманах, а 16 Гбайт на внутреннем накопителе были невероятной роскошью. Например, iPhone 3GS с 16 Гбайт на борту в это же время стоил 27000 рублей, а базовая версия с 8 Гбайт — 23 тысячи. Никого не удивляет, что флагманский смартфон с учётом инфляции стоил примерно 60 тысяч рублей, вряд ли кого-то удивит. А вот доплата за 8 Гбайт памяти в пересчете на реалии 2017 года была эквивалентна ~8500 рублей.
Словом, интегрированная универсальная (а не только под настройки, реестр приложений и телефонную книгу) память в смартфонах всё ещё была бешено дорогой, но уже могла похвастаться внушительным на объёмом на рубеже 2009-2010 гг. Не забывайте, что до съёмки видео в Full HD в популярных смартфонах ещё оставалось немало времени, а в 2009 году на свет появилась Nokia N97 с умопомрачительными 32 Гбайт встроенной памяти стоимостью всё те же 27 тысяч рублей на старте продаж.

История развития карт памяти и внутренних накопителей смартфонов

Ёмкость eMMC в смартфонах увеличивалась не так интенсивно, как хотелось бы (источник: Micron Marketing)


И всё же карты памяти аналогичного периода были в разы дешевле. Даже с учётом того, что microSDHC был новым стандартом, а продажи приходились чаще всего на карты стандарта Class 4.
На стороне интегрированной памяти, в теории, была более высокая производительность в линейных операциях на чтение и запись, и новейший стандарт eMMC 4.41 образца 2010 года допускал «потолок» пропускной способности до 100 Мбайт/с, скорость записи до 30 Мбайт/с. Стоит ли говорить, что:
1. В реальных сценариях работы скорость была несравнимо ниже
2. Аппаратная платформа смартфонов 2010 модельного года не могла реализовать весь потенциал eMMC 4.1
3. Подавляющее большинство смартфонов довольствовались 4-8 Гбайт встроенной памяти
При этом карты памяти классов 4 и 6 де-факто умели работать даже быстрее, чем им позволял встроенный в смартфоны контроллер, запись видео с битрейтом свыше 50 Мбит/с в мобильниках была экзотикой, а быстродействие приложений, как и в случае с SSD зависело не от пиковых линейных значений скорости, а от быстродействия в работе с крохотными файлами объёмом до мегабайта.

2013 год. Период зрелости eMMC, «доработка напильником»
С 2010 года интегрированные в смартфоны накопители развивались эволюционным путём — JEDEC раз за разом «полировали» стандарт MMC 4.x, типичный объём встроенной памяти к 2014 году дорос до 8/16 Гбайт, а смартфоны без слота для карт памяти были редкостью: либо iPhone, либо Google Nexus, либо китайские флагманы Meizu/Xiaomi с аналогичной идеологией по отношению к накопителям.

История развития карт памяти и внутренних накопителей смартфонов

В дальнейшем JEDEC дорабатывали eMMC неспешно: если не принимать в расчёт эволюцию NAND-флэш, заключалось во внедрении и доработке SecureTRIM, а ещё накопители учили взаимодействовать с новыми типами оперативной памяти DDR. Производительность eMMC выросла до пиковых 260 Мбайт/с по шине и 50 Мбайт/с для записи «в прыжке», в линейных операциях. И, хотя системы на чипе в смартфонах всё ещё были слишком медленными для того, чтобы «выжать все соки» из такой памяти, интегрированные накопители наконец созрели для работы с другим классом устройств — Windows-планшетами.
На этом стандарт eMMC 4.5 устаканился с 2013 года, когда смартфоны начали примерять модули памяти ёмкостью 64 Гбайт.
Что в аналогичную эпоху могли предложить карты памяти microSDXC? Например, новый стандарт быстродействия Class 10 UHS-I с передачей данных до 104 Мбайт/с (~50 Мбайт/с на чтение и ~40 Мбайт/с для записи в реальных условиях при линейных операциях), до 2000 IOPS в режиме чтения. То есть, видеопоток даже с самым внушительным битрейтом укладывался в быстродействие карт памяти с запасом. А вот запуск исполняемых файлов с карты памяти в смартфонах 2013 года, увы, отвоевала eMMC — начиная с Android 4.4 KitKat Google «закручивал» гайки и ограничивал доступ приложений к карте памяти до тех пор, пока в «ванильной» версии операционной системы не был закрыт доступ даже для записи кэша гигантских 3D-игр.
История развития карт памяти и внутренних накопителей смартфонов

Android, который мы потеряли. Ну, по крайней мере, его менеджмент памяти


С дебютом eMMC 5.0 интегрированная память смартфонов сделала гигантский рывок в производительности, но на смену ей пришёл новый и, по результатам тестирования, более перспективный стандарт интегрированных накопителей.

Новейшее время. UFS, NVMe и другие способы «наваливать» сверхбыстрые накопители в телефоны
В поздних ревизиях eMMC (5.0 в 2013 году и 5.1 в 2015 году) JEDEC в кои-то веки не просто «надули» линейную скорость чтения и записи, но и внедрили многопоточный протокол обработки команд — задержки в операциях с произвольным доступом к информации стали ниже. Также появился сбор статистики о здоровье накопители (до этого по-настоящему толковой системы диагностики в eMMC попросту не было), функция безопасного ухода в сон и возможность обновления прошивки на работающем устройстве (пригождается в устройствах промышленного класса).
И всё же гораздо более громким событием стал дебют стандарта UFS. Его разработка началась в 2011 году, но разрабатывали его «в муках», поэтому распространение получили лишь устройства на базе поздних (2013 год) вариантов UFS 2.0 и 2.1. В частности, накопитель стандарта UFS 2.0 и память LPDDR4 впервые получил смартфон Samsung Galaxy S6. Корейский производитель даже пошёл на риск и отказался от слота для microSD, чтобы обратить внимание покупателей на быстродействие нового типа памяти. Как показала практика, такой ход был ошибочным, поэтому в новом поколении Galaxy S Самсунг вернул возможность установки карт памяти.

История развития карт памяти и внутренних накопителей смартфонов

Карты памяти UFS придут на смену microSD… наверное


В силу многих причин UFS выглядит наиболее вероятным преемником современных разновидностей Embedded Multimedia Card:
• последовательный интерфейс (UFS) намного предпочтительнее параллельного (eMMC) с точки зрения производительности
• энергопотребление в простое почти в 2 раза ниже, чем в вариантах на базе MMC
• возможность разработки карт памяти и бесшовной интеграции с внутреннем накопителем смартфонов
• эффективный swap в случае, когда ОЗУ мобильного устройства набита битком
Сегодня за внедрение нового стандарта памяти выступают Samsung, Nokia, Texas Instruments, STMicroelectronics и Micron Technology. Но реализовать новый стандарт в серийных устройствах — дорогое удовольствие, тем более, что ни о какой обратной совместимости с microSD речи не идёт.
История развития карт памяти и внутренних накопителей смартфонов

Второе поколение накопителей UFS должно было перевернуть рынок накопителей в мобильной технике, однако его внедрение отложили на неопределённый срок


Большинство производителей придерживаются консервативных взглядов и предпочитают более распространённый, хотя и менее производительный вариант с eMMC 5.1. Раньше 2018 года ожидать серийных устройств со сменными накопителями стандарта UFS вряд ли стоит.
Есть ли в такой ситуации производитель с третьей точкой зрения? Есть, и вы с одного раза угадаете, кто норовит, так сказать, «Think different» вопреки всем конкурентам.

А не замахнуться ли нам на SSD в мобильнике?
Если Samsung «переизобретает» улучшенный вариант MMC, а консервативные производители отвечают «мы и со старым ещё повоюем!», то Apple, по сути, выступает за интеграцию в смартфон привычной нам по новейшим SSD памяти при помощи кастомной реализации PCI-e и протокола NVMe!

История развития карт памяти и внутренних накопителей смартфонов

Энтузиаст разработал драйвер и картридер для чипы NVMe из iPhone 6s (Осторожно! Все права защищены, и тому подобное)
Сказать, что Apple установил SSD в смартфон, было бы слишком громким заявлением (всё-таки, внутри iPhone нетипичная реализация твердотельных накопителей), но среди всех распространённых вариантов накопителей в мобильниках этот ближе всех к тому, что мы наблюдаем в ПК и ноутбуках.
Впервые такой накопитель Apple применила в iPhone 6s и 6s Plus без особого пиара такого подхода, поэтому разрыв порядка 35-37% в сравнении с UFS 2.0 и одним из быстрейших в плане памяти Samsung Galaxy S6 был практически сенсационным.
История развития карт памяти и внутренних накопителей смартфонов

История развития карт памяти и внутренних накопителей смартфонов

Накопитель под управлением NVM Express в iPhone 6s задал жару конкурентам в последовательных чтении и записи (источник: Anandtech.com)
История развития карт памяти и внутренних накопителей смартфонов

История развития карт памяти и внутренних накопителей смартфонов

… хотя в случайных операциях отнюдь не блистал


Но ведь об этом никто не писал, верно? Поэтому, вы будете смеяться, но ратующий за высокую производительность накопителей Samsung не стал модернизировать встроенную память в Galaxy S7, а Apple посчитали революцию в iPhone 6s достаточной, поэтому с точки зрения быстродействия воз и ныне там — айфон с его «микро-SSD» второй год подряд остаётся смартфоном с самой быстрой подсистемой памяти.
Солидные цифры в последовательных операциях на накопителях смартфонов радуют глаз, но на деле пользователю мобильника неоткуда взять и начать качать/загружать данные на гигабитной скорости.
Гораздо важнее время отклика, скорость запуска компактных приложений, надёжность (чтобы не «ой, зависла, нужно подождать) и скоростные характеристики, которых хватит для записи сверхчёткого видео в современных камерах. Под такие задачи сегодня проектируются карты памяти microSD стандарта UHS-I Speed Class 3. Например, карты памяти Kingston SDCA3 не «захлебнутся» даже в записи потокового видео при битрейте свыше 500 Мбит/с, да и штамповать фотографии в RAW можно десятками штук. В смартфонах скоростного потенциала карты хватает с внушительным запасом — накопитель по-настоящему «хардкорен».
История развития карт памяти и внутренних накопителей смартфонов

Kingston SDCA3 — новейшая карта памяти стандарта UHS-I Speed Class 3


Чуть менее агрессивная по скоростным характеристикам, но тоже современная модель — карта SDCG Kingston Gold UHS-I Speed Class 3. Её главная суперспособность — быть достаточно быстрой для записи 4K-видео и сохранять информацию в ситуациях, когда «ой, кажется моя камера/смартфон всё». Золотая серия Kingston не столь быстрая в экстремальной нагрузке, как SDCA3, но даже она в 4,5 раза проворнее карт памяти стандарта Class 10.
История развития карт памяти и внутренних накопителей смартфонов

Kingston Gold UHS-I Speed Class 3 — устойчивая к внешним воздействиям карта с быстродействием для записи 4K-видео

Так может ну их, эти карты памяти?
В идеальном мире, о котором любят рассказывать Apple и Google, владелец смартфона путешествует между точками доступа Wi-Fi с безупречной скоростью и по территории с необычайно качественной, не перегруженной связью стандарта LTE-Advanced. Причём делает это с безлимитным тарифным планом (ха-ха-ха!), посредством которого 4K-видео, фильмы в разрешении Full HD и гигабайты игр равномерно размазываются по накопителям ёмкостью 64 Гбайт или чуть менее того. Реальность настолько прозаичнее, что лучше не будем расписывать её в подробностях — мечтатели будут огорчены.
Не стоит забывать и о том, что мобильные системы на чипе перешли на техпроцесс 10 нм FinFET, а это значит, что дальнейшее развитие технорм будет проходить мучительно долго. То есть, процессоры в смартфонах будут развиваться менее интенсивно, как это уже происходит в десктопах. И, если покупатели смартфонов будут реже менять их на новые модели, накопители станут «бутылочным» горлышком для обладателей смартфонов без слота microSD.

История развития карт памяти и внутренних накопителей смартфонов

Видишь ёмкость 16 Гбайт — не верь глазам своим (источник: ZDNet.com)


А ещё покупка карты памяти высокой ёмкости по-прежнему обходится выгоднее, чем пара лет оплаты облачного хранилища (для доступа к которому требуется соответствующее качество интернета). Тем более, что надёжность современных «флэшек» поможет спасти все необходимые данные, когда смартфон умер и не успел синхронизироваться с онлайн-накопителем.
Пусть в вашей жизни всегда будет эффективный «план Б» даже в самых неприятных ситуациях, а дорогие сердцу данные никогда не теряются! Ведь только в них и дорогих нам людях запечатлены детали повседневной жизни, о которых мы с теплотой будем вспоминать десятилетия спустя.