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存储卡是一种通用型的存储外设,它适用于手机、平板、相机、无人机、行车记录仪、监控摄像头等数码设备。然而,存储卡的读写速度始终是它的最大瓶颈,也是高端智能手机们取消对其支持的最大借口。那么,存储卡都有哪些标准,它有没有机会获得媲美SSD的性能,并重新被高端手机接纳呢?

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不断扩容的存储卡

存储卡曾经包括Secure Digital Memory Card(SD)、Micro SD Card(又称TF)、Compact Flash(CF)、Memory Stick(MS)等形态,但如今依旧流行的则只剩下了SD和MicroSD。

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其中,随着SD卡容量的不断提升,这两种形态的存储卡还进一步衍生出了SDHC(SD High Capacity)、SDXC(SD eXtended Capacity)和SDUC(SD Ultra Capacity)标准,有关它们的差别请参照下表(表1)。

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从容量上来看,SD卡很好地完成了外置存储设备的本职工作,它所提供的容量恰好可以满足同期数码产品的扩容需要。

然而,容量是够用了,但速度呢?

不断提速的存储卡

在讨论存储卡的速度之前,我们不妨先来回顾一下SSD固态硬盘的发展历程。

SSD和存储卡一样,都使用NAND闪存作为存储介质,在使用SATA3.0总线接口时可以取得550MB/s左右的读取和520MB/s左右的写入速度(顺序速度,下同),将HDD机械硬盘远远甩在身后。

然而,作为SSD的消费主力,PC对存储性能的需求是无止境的,SATA总线很快就成为了制约整机性能发挥的瓶颈。

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笔记本身上支持SATA/PCIe和仅支持PCIe总线的M.2插槽

因此,SSD开始改换门庭,尝试使用PCI-E总线(包括PCI-E2.0和PCI-E3.0,以及双通道和四通道,比如PCI Express Gen3.0×4就是四通道的PCI-E3.0总线)的M.2接口,再加上NVMe协议的加持(AHCI协议的进阶版本),让NVMe SSD实现了高达3500MB/s的读取和3000MB/s左右的写入速度,是SATA总线时的6倍~7倍!

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可见,总线接口的进化,是SSD能不断提速的核心竞争力。

翻回头再来看看存储卡,这种最小只有指甲盖一般大小的NAND衍生外设,其速度的快慢同样取决于总线接口,而相关的规范技术标准则由SD协会(SD Association,简称SDA)制定,时至今日存储卡规范已经从SD1.0、SD2.0……一路升级到了SD7.1标准(表2)。

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在存储卡刚诞生时,对应的SD1.0规范很有意思,它是按照CD-ROM的速度作为1X倍速来定义存储卡的性能,此时存储卡最高读取速度只有12.5MB/s,随后在SD 1.1的规范中引入了HS高速模式,将速度进一步提升到了25MB/s。

在数码相机和智能手机先后普及的年代,用户需要存储卡具备稳定的写入速度来满足连续拍摄功能的需要,因此在SD2.x规范时期SD协会引入了Class x的定义方式,最高等级的Class 10要求存储卡具备最低10MB/s的写入速度,录制标清视频毫无压力。

自SD3.0开始,存储卡支持全新的UHS-I超高速总线接口,它可以与DS和HS模式共存,在不改变存储卡针脚的前提下就能实现50MB/s或104MB/s的理论读取速度。

同时,SD3.0规范还加入了U1和U3的定义方式,将存储卡的写入速度进一步提升到了30MB/s,满足了录制FHD全高清视频的基本要求。

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随着4K视频录制需求的兴起,存储卡需要更高的速率才能满足发烧用户的需求,于是,SD协会在SD4.0和SD6.0规范中先后引入了UHS-II和UHS-III总线接口,它们和UHS-I最大的差异就是启用了一排额外的针脚,上方的传统针脚兼容DS、HS和UHS-I总线,而下方的新增针脚则用于识别UHS-II新增的FD156和HD312工作模式。

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标准UHS-II SD卡

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UHS-II Micro SD卡和标准Micro SD卡对比

两排针脚,让UHS-II从此就有了两条数据传输的线路,一条线路可分配给主机到存储卡,另一条线路则可用于存储卡到主机,并获得了双通道半双工的工作方式。

在“全双工模式”(FD)时,两条线路分别用于传输数据和接收数据,此时其理论传输速率为156MB/s,即FD156。在双通道的“半双工模式”(HD)下,数据可以在两个方向上同时发送或接收数据,从而获得带宽翻番、总线性能加倍的增益效果,让理论传输速率提升到312MB/s,也就是HD312。

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SD6.0规范中新增的UHS-III总线接口更厉害,虽然它仅支持以全双工的方式运行,但却将速度提升到了FD312(312MB/s)和 FD624(624MB/s),同时该总线还减少了存储卡从省电状态转变为活动状态所需的时间。

没错,UHS-III总线接口其实更像是专门针对专业摄像机和智能设备定制的新方案,安装在里面的APP不仅运行飞快/连拍和4K视频录制无延迟,从待机到唤醒的延迟更低,还不耽误存储卡长时间处于省电状态。

可以说,从UHS-II总线接口开始,存储卡就具备了挑战手机专用的eMMC5.1闪存的实力,而UHS-III总线接口则可媲美UFS2.0闪存和SATA总线接口SSD固态硬盘的速度。

可惜,虽然SD6.0规范和UHS-III总线技术2017年就已经制定发布,但至今市面上最高档的存储卡却依旧停留在UHS-II总线接口层面。

随着2018年SD7.0规范的推出,存储卡很有可能跳过UHS-III总线,直接拥抱最新的PCI-E总线接口和NVMe协议。

扩展阅读:三星UFS存储卡

除了SD协会规范的UHS-III总线接口可提供媲美SSD的性能以外,由JEDEC(固态技术协会)主导的UFS标准也是给存储卡提速的不二法门,2018年推出UFS v1.1标准的最高存储速度可达1.5GB/s(UFS1.0标准顺序读写速度分别为530MB/s和170MB/s)。UFS存储卡的大小和Micro SD相似,只是外观更像“鲨鱼鳍”,金手指也经过了重新设计。

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SD7.x向SSD宣战

2018年6月,SD协会正式公布了SD7.0规范,它主要包括两个全新的特性:第一是让存储卡能通过用PCIe Gen3.0×1总线接口和NVMe协议传输数据,将理论传输(读取)速度从UHS-III总线最高的624MB/s提升到了985MB/s;第二则是定义了全新的“SDUC”标准,将存储卡容量从2TB扩容到最高128TB。

符合SD7.0规范的存储卡将被称为“SD Express”(存储卡表面会增加Express或EX的标识),它的外观样式和现有的SD卡相同,只是和UHS-II/III一样,在原有的金属接点下方增加了10个新针脚。

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2019年初,SD协会更新了SD7.1规范,加入Micro SD Express来满足手机等小尺寸设备在未来的应用需求,通过PCI-E总线接口提供985MB/s理论频宽,同时运用NVMe v1.3通讯协定来提升数据吞吐量。

小提示:SDUC只是容量标准,采用UHS总线接口的存储卡要是容量超过你2TB也能被称为SDUC存储卡。现阶段SD Express存储卡的容量还停留在GB级别,所以未来很长一段时间里,SD Express还都属于SDXC存储卡的范畴。

和过去一样,SD Express存储卡同样向下兼容所有的SD读卡器(或手机、无人机、数码相机等终端设备,下同),但要想获得985MB/s的理论值需要搭配SD Express专用的读卡器,在支持UHS-II/III总线接口的读卡器(或设备)上则仅能取得104MB/s的传输速度。同理,UHS-II/III存储卡碰到SD Express专用的读卡器(或设备)时也会被限速到104MB/s。

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目前,瑞昱和群联都已发布支持SD7.x的主控,为这种超高速存储卡的普及奠定了基础。 其中,瑞昱符合SD 7.0规范的主控制器型号为“RTS5261”,其读取速度最高为985MB/s。群联的SD 7.1规范主控型号为“PS5017”,完全支持SD 7.0和SD 7.1,也是当前第一款同时实现了SD Expess、Micro SD Express的方案。PS5017支持3D TLC/QLC闪存,支持ONFI、Toggle 2.0接口,读/写速度最高分别为900MB/s和500MB/s,同样堪比PC领域入门级的PCIe NVMe SSD。

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前不久西部数据也曾在ComputeX2019上展示了Micro SD Express标准的存储卡,在现场 DEMO测试中,其连续读取速度为888.9MB/s,写入速度也达到了428.2MB/s,传输一份12GB容量的文件不足30秒。同时,JMicro(智微科技)也表示将和西部数据同步推出相应的SD7.x读卡器,让这种新一代高速存储卡能有用武之地。

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实际应用路漫漫

当PC都用上SSD,手机集成UFS闪存之后,再使用传统存储卡作为数据的周转无疑就是一种体验上的倒退。当SD7.1规范和Micro SD Express存储卡诞生后,则为整个移动行业提供了一个引人注目的新选择——手机等移动设备终于可以用上能随时安装或取出的“移动SSD”了,接近1000MB/s的传输速度,足以满足手机上具有高速要求的应用程序、不断发展的游戏系统、多信道物联网设备、众多汽车应用、更高分辨率的移动视频、动作相机、360度视频和VR等应用场景的交互需求。

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小提示:最新的SD7.1规范还有一个隐藏卖点,那就是使用的PCI-E 3.1总线包含低功耗子状态(L1.1, L1.2),可进一步降低存储卡待机时的耗电。

但是,就好像UHS-II存储卡至今也没能在手机和PC圈普及一样,(Micro)SD Express存储卡虽然拥有更极致的速度表现,但周边生态并不完善,生产成本也相对高昂,短时间内它主要的应用领域还是4K/8K视频摄像机、无人机等高端领域,什么时候我们新买的笔记本和手机都标配支持SD Express的读卡器,它才具备真正的普及机会。

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此外,存储设备在长时间运行时都会遭遇一个严峻的考验,那就是发热。PC上的PCIe NVMe SSD往往需要搭配金属散热片(或借助笔记本底盖散热)才能保证不掉速,超过200MB/s速度的闪存盘在全速运行时表面也非常烫手。

作为速度接近1000MB/s、尺寸只有指甲盖大小、使用塑料材质基板且无任何散热措施的SD Express存储卡,你能想象它的“热情”吗?

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