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定義
UFS（Universal Flash Storage）は、スマートフォンやタブレットなどのモバイル機器をはじめ、デジタルカメラやその他の電子機器で広く使用されている不揮発性メモリ の一種です。
UFS（フラッシュ・メモリ ）仕様は、ノキア、ソニー・エリクソン、テキサス・インスツルメンツ、STマイクロエレクトロニクス、サムスン、マイクロン、SKハイニックスなどの家電メーカーによってサポートされています。UFSは、eMMCやSDカードの代替として位置づけられています。 UFSの電気的インターフェースには、MIPIアライアンスのM-PHY高速シリアルインターフェースが採用されており、レーンあたり23.32Gps（レーンあたり2.9GBs）を目標としています。これは最新バージョン（2022年8月リリース、UFS4.0）です。 UFSは全二重シリアルLVDSインターフェースを採用しており、eMMCの8レーン並列・半二重インターフェースよりも高い帯域幅への拡張性に優れています。eMMCとは異なり、UFSはSCSIアーキテクチャモデルに基づいており、SCSIタグ付きコマンドキューイング（Tagged Command Queuing）をサポートしています。この規格はJEDEC Solid State Technology Associationによって策定され、同協会から入手可能です。
また、UFSは、パフォーマンスと電力効率を向上させる、複数のキュー、コマンドの順序変更、パワーゲーティングなどの機能もサポートしています。現在、UFS2.0、UFS2.1、UFS3.0、UFS3.1、UFS 4.0など、いくつかのバージョンが提供されています。
| UFSのバージョン | 発売日 | レーンごとの最高速度 | 最大総スループット |
| UFS 2.0 | 2013 | 約5.8 Gbps | 約1.2 GB/s |
| UFS 2.1 | 2016 | 約5.8 Gbps | 約1.2 GB/s |
| UFS 3.0 | 2018 | 約11.6 Gbps | 約2.9 GB/s |
| UFS 3.1 | 2020 | 約11.6 Gbps | 約2.9 GB/s |
| UFS 4.0 | 2022 | 23.32 Gbps | デュアルレーンあたり 5.8 GB/s |
UFSはどのように機能するのでしょうか？
ユニバーサル・フラッシュ・ストレージ（UFS）は、ハードウェアとソフトウェアを組み合わせて、不揮発性フラッシュ・メモリ チップ上にデータを保存・読み出す仕組みとなっています。以下に、UFSの仕組みについて簡単に説明します。
UFSは、UFSホスト／デバイスコントローラ層、トランスポート層（UniPro）、および物理層（MIPI M-PHY）から構成される階層型アーキテクチャを採用しています。 ホストインターフェース層は、ホスト（スマートフォンなど）とUFSストレージデバイス間のインターフェースです。UFSはホストとデバイスに分かれており、ホストはアプリケーションプロセッサからストレージICとしてのデバイスへのデータ転送を処理し、デバイスはフラッシュ・メモリ チップやその他のハードウェアコンポーネントを管理します。コマンドキューシステムが、ホストとデバイス間のデータ転送を管理します。このアプローチにより、デバイスは複数の読み取りおよび書き込み要求を同時に処理できるようになり、パフォーマンスが向上します。
UFSは、高度な電力管理技術を採用して消費電力を低減しています。例えば、このメモリタイプは「パワーゲーティング」と呼ばれる機能をサポートしており、これにより未使用のコンポーネントの電源をオフにして電力を節約することができます。
セキュリティ上の理由から、UFSではペイロードの暗号化・復号化が必要です。UFSデバイスは、書き込み保護として設定されている場合、その領域への書き込みを禁止しますが、読み取りに関してはそのような制限はありません。この問題に対処するため、UFSコントローラは書き込み時にデータを暗号化し、読み取り時にデータを復号化します。 AES-XTS、BitLocker-AES-CBC、AES-ECB、ESSIV-AES-CBCといった複数の暗号化アルゴリズムがサポートされており、AES鍵長は128、192、256ビットから選択可能です。鍵長が長いほど、セキュリティレベルは高くなります。
UFSのメリット
スマートフォン、タブレット、その他のモバイル機器などの電子機器において、UFS（ユニバーサル・フラッシュ・ストレージ）をストレージソリューションとして採用することには、以下のようなメリットがあります。
- データ転送速度の向上：UFS4.0は、MIPI UniPro v2.0とMIPI M-PHY Gear5伝送ラインの2レーンを活用することで、最大約46 Gbpsのデータ転送速度を実現します。
- パフォーマンスの向上：UFSは、レイテンシを最小限に抑え、UFS 4.0ではデュアルレーンあたり5.8GBsのデータ転送速度を実現することで、デバイスの全体的なパフォーマンスを向上させるよう設計されています。また、コマンドキューイングやパワーゲーティングといった高度な機能もサポートしており、これによりパフォーマンスをさらに向上させ、消費電力を低減することができます。
- 電力効率の向上：UFSは、消費電力を最小限に抑えるために、パワーゲーティングなどの高度な電力管理技術をサポートしています。M-PHYハイバネートモードを利用することで、HSバーストへの復帰時間をマイクロ秒単位に抑えつつ、M-PHYの消費電力を最小限に抑えることができます。 一方、ストール電力モードを利用すると、HSバースト動作への復帰時間が大幅に短縮されますが、省電力効果は低くなります。これらのオプションにより、SoCはデータトラフィックの特性に合わせて最適な手法を柔軟に選択でき、モバイル機器のバッテリー寿命を延ばしたり、その他の電子機器の消費電力を削減したりするのに役立ちます。
- 大容量ストレージ：UFSは、256GBのeMMCなどの他のストレージソリューションに比べ、1TBという大容量に対応しています。つまり、UFSはOS、アプリケーションソフトウェア、およびデータのために、より多くのストレージ容量を提供できるということです。
- 安全性とセキュリティ： eMMCおよびUFSの両方の標準化団体であるJEDECは、データの機密性を保護し、UFS仕様に固有の盗聴や中間者攻撃を防ぐため、インライン暗号化（IE）およびリプレイ保護メモリブロック（RPMB）のサポートを導入しました。ホストとデバイスのあらゆる組み合わせにおいて標準化が可能となるよう、堅牢な暗号化メカニズムが提案されています。
| メリット | 詳細 |
| データ転送速度の向上 | UFS 4.0は、デュアルMIPI M-PHY Gear5レーン（デュアルレーンあたり5.8 GB/s）により、最大46 Gbpsに対応しています。 |
| パフォーマンスの向上 | 低レイテンシ、複数キュー、コマンドの順序変更、パワーゲーティング |
| 電力効率 | パワーゲーティング、ハイバネーションモード、ストールモード、適応型省電力機能 |
| 大容量ストレージ | 最大1TB。eMMC（最大256GB）よりも大容量です。 |
| セキュリティの強化 | インライン暗号化（AESの各種方式）、RPMB、およびMITM攻撃に対する保護 |
UFSのユースケース
全体として、UFSは、高速かつ大容量のストレージ、低レイテンシ、低消費電力が求められる多くの用途に活用できる汎用性の高い技術です。UFSの代表的な活用例としては、次のようなものがあります：
- スマートフォンとタブレット：UFSは、その高速性と信頼性から、スマートフォンやハイエンドタブレットのストレージとして広く採用されています。UFSを採用することで、モバイルデバイスはアプリの起動時間の短縮、データアクセスの高速化、レスポンスの向上、そして全体的なパフォーマンスの向上を実現できます。
- デジタルカメラとビデオカメラ：UFSは、高解像度の写真や動画を保存するために、デジタルカメラやビデオカメラでよく使用されています。UFSの高い書き込み速度により、大容量ファイルの保存が高速化され、高い読み取り速度により、コンピュータへのファイル転送も迅速に行えます。
- 自動車：UFSは、インフォテインメントシステム、先進運転支援システム（ADAS）、ナビゲーションシステムなどの自動車用途でますます採用が進んでいます。UFSは、自動車業界におけるリアルタイムアプリケーションに不可欠な、高速な起動時間とデータへの迅速なアクセスを可能にします。 UFSが自動車用途に最適である理由として重要な特徴の一つが、その信頼性です。UFSは、ストレージデバイスが急激な温度変化をホストに通知できるようにすることで、ストレージデバイスの摩耗や劣化に伴う全体的なリスクを低減します。ストレージデバイスが危険な温度を示した場合、ホストは動作を抑制したり、デバイスの温度を下げるための措置を講じたりすることができます。
- バーチャルリアリティ（VR）と拡張現実（AR）：UFSは、没入感のある体験を実現するために高速かつ低遅延のストレージを必要とするVRおよびARデバイスに最適です。これらのデバイスは、UFS 4.0においてデュアルレーンあたり5.8GBsの速度で大量のデータを迅速に読み込み、処理できるため、よりスムーズで応答性の高い体験を実現します。
- ウェアラブルデバイス：UFSは、スマートウォッチやフィットネストラッカーなどのウェアラブルデバイスにも採用されています。こうしたデバイスでは、スペースが限られており、高速かつ低消費電力のストレージが不可欠です。ウェアラブルデバイスは、特にUFSのハイバネーションモードを利用することで、より長いバッテリー駆動時間を実現できます。
- ハードディスクドライブ（HDD）：HDDのストレージアーキテクチャは、従来の回転ディスクとOptiNAND技術を組み合わせたものです。このドライブには、iNAND UFS組み込みフラッシュドライブが搭載されており、独自のファームウェアやSoCの改良と相まって、エンタープライズ顧客のストレージニーズに対応することを目的としています。
| ユースケース | 用途／メリット |
| スマートフォン／タブレット | アプリの起動が速くなり、パフォーマンスが向上し、データへのアクセスも高速化されます |
| デジタルカメラ／ビデオカメラ | 大容量ファイルの高速書き込み、PCへの迅速な転送 |
| 自動車システム | 高速な起動時間、リアルタイムのデータアクセス、信頼性を高める温度アラート |
| VR/ARデバイス | 没入感のある体験を実現する、高速かつ低遅延のストレージ |
| ウェアラブルデバイス | 省電力、コンパクトなストレージ、ハイバネーションモードによる長時間のバッテリー駆動 |
| OptiNAND搭載HDD | UFSと従来のHDDを組み合わせ、エンタープライズクラスのストレージ効率を実現 |
UFSおよび シノプシス
シノプシス 業界をリードする、シリコン実証済みのUFSサブシステム設計IPおよびプロトコル検証ソリューションを提供しています。 シノプシス UFSホストコントローラ、UniProコントローラ、およびM-PHYのGear4およびGear5レートに対応したIPは、最新のUFS 4.0仕様をサポートしています。これらのコントローラは、高速データ転送と低消費電力を実現し、キュー管理、電源管理、仮想化などの高度な機能をサポートしています。 シノプシス 検証IP 、トランザクタ、スピードアダプタ、およびシミュレーションやエミュレーション向けの仮想ソリューションを含むプロトコル検証ソリューションは、市場をリードする企業との共同開発により、シリコン実証済みの シノプシス IPの検証に用いられています。
- シノプシス のユニバーサル・フラッシュ・ストレージ（UFS）ホストコントローラIPは、JEDEC UFSおよびUFSホストコントローラインターフェース（UFSHCI）規格、ならびにUFSリムーバブルカードv1.1およびユニファイド・メモリ・エクステンション（UME）規格に準拠したJEDEC UFSインターフェースを実装するための、標準ベースのシリアルインターフェースエンジンです。 シノプシス UFSホストコントローラIPは、主に組み込み型またはリムーバブル型の不揮発性大容量記憶装置にデータが保存されるアプリケーションで使用される、高性能かつ低消費電力のインターフェースです。このUFSホストコントローラIPは、UFSホストコントローラのアプリケーション層と、UFSホストアプリケーション向けに最適化された シノプシス MIPI® UniProプロトコルスタックを統合しており、UFSホストアプリケーション向けに最適化されています。
- 最新のMIPI M-PHY v5.0仕様に準拠した、シリコン実証済みのシノプシス MIPI M-PHY IPは、レーンあたり最大23.32 Gbpsの速度に対応しています。このIPは、モバイルおよび自動車用途で広く採用されているJEDEC Universal Flash Storage（UFS）やUniProインターフェースなど、幅広い高速インターフェース向けに最適化されています。
- シノプシス また、AECQ-100のグレード1として–40 °C～125 °Cの温度範囲で認定され、ASIL-Bの機能安全レベルを満たす、自動車グレードのUFSコントローラおよびMIPI M-PHYも提供しています。
- シノプシス 検証IP UFS4向けソリューションは、JEDEC UFS 4.0、UFS 2.1、HCI 4.0、UME 1.1、UMEHCI 1.1、MIPI UniPro 2.0、MIPI M-PHY 5.0など、最新のプロトコル仕様に対応しています。 UFSホストおよびデバイス向けの、すぐに使用可能なテスト・スイート ソースコードにより、プロトコル準拠の実現と検証までの時間の短縮が可能になります。 シノプシス ZeBu®エミュレーションおよび シノプシス HAPS® プラットフォームを基盤とするインサーキットおよび仮想ソリューションにより、アプリケーションレベルの機能および性能検証の両方において、実環境に近いアプリケーション・ペイロードの実行が可能になります。
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