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使用双通道eMMC存储器的USB3.0 高速U盘

2015-05-04

       USB3.0今年已经完全进入了普及的一年,一方面在主机端无论是最新的个人PC还是笔记本电脑都已经配备了USB3.0接口,另一方面支持USB3.0的移动硬盘、U盘、读卡器产品也随着价格的持续下调提高了其对于USB2.0产品的竞争优势。越来越多的用户开始放弃USB2.0产品,转而选择性能价格比更高的USB3.0产品,所以今年厂商的产品重点也都放在了USB3.0新接口上。今天我们要评测的威宝USB3.0高速U盘就是这样一款产品。其采用了天津瑞发科半导体公司(Norelsys)推出的NS1081 USB3.0主控芯片,并采用两颗三星原厂eMMC芯片作为存储芯片,以RAID0方式进行操作,使容量和性能达到了加倍的效果。

  从外形尺寸上看,威宝USB3.0 高速U盘非常小巧、便携,并采用了推拉式的外壳设计,使用时将USB连接头推出即可,不用时可将连接头缩回外壳里面,免去了丢失保护盖的问题,在这一点上为用户考虑的比较周到。  

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▲ 威宝USB3.0高速U盘外观图

  除了具备向下兼容USB2.0和高速传输的特点,威宝USB3.0高速U盘还兼容包括Windows8、Windows7、Vista、XP、Mac和Linux在内的多种操作系统,非常适合当前全面升级、支持USB3.0的各种PC和笔记本。

产品拆解  

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▲ 威宝USB3.0高速U盘 正面拆解图

   将U盘外壳拆开,PCB板正面有两颗芯片,较小的一颗是天津瑞发科半导体公司(Norelsys)推出的NS1081主控芯片,而较大的一颗是三星原厂 的eMMC芯片,型号为KLMBG4GE4A-A001,容量为32G,此外还有一些电阻电容等分立元件,注意这个威宝U盘的PCB上并没有找到电源芯片,应该是被主控厂商集成到了芯片内部,这样可以为生产厂商节省物料成本。  

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▲威宝USB3.0高速U盘 背面拆解图

  PCB板背面还有一颗芯片,仍然是三星原厂的eMMC芯片,容量型号与正面那一颗完全相同,这样U盘的总容量为64G,并且这两颗eMMC是按照RAID0方式进行操作的,究竟这颗NS1081主控在USB3.0接口下能够让两个eMMC芯片发挥多大的性能呢?  

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▲威宝USB3.0高速U盘与金士顿USB3.0 U盘对比图

  从威宝USB3.0高速U盘与金士顿USB3.0 U盘拆解后的对比图中可以看到,威宝U盘的PCB长度明显小于金士顿U盘,元件排放更加紧凑,仔细看一下发现eMMC芯片封装尺寸要比NAND Flash芯片稍小。

  搞清楚了威宝USB3.0高速U盘的内部结构,下面我们来看一看它的性能究竟如何吧!

测试平台

  在测试平台方面,为了不让系统中其它配件成为影响U盘发挥性能的瓶颈,所有配件尽量使用较高性能的产品,并且在Win7和Win8系统下分别进行了测试。同时在测试时将会关闭所有的不必要程序,以便测试出准确、公平的测试成绩。

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测试软件

  ATTO Disk Bench32:一款简单易用的磁盘传输速率检测软件,可以用来检测硬盘、U盘、存储卡及其它可移动磁盘的读取及写入速率。采用分级测试模式,可以看到不同传输长度下设备的读写性能,让测试结果更加精准可靠。

  CrystalDiskMark v3.0.3:一款测试你的硬盘或者存储设备的小巧工具,简单易于操作的界面让你随时可以测试你的存储设备,测试循环次数和传输长度都可以选择,可以测试连续读写,512KB读写和4KB读写情况下设备的性能。

  FastCopy:FastCopy是Windows平台上最快的文件拷贝、删除软件。由于其功能强劲,性能优越,一时间便超越相同类型的所有其他软件。此软件支持目录拷贝,其测试结果更符合用户真实的使用环境。

性能测试

  我们的测试在WIN7和WIN8两套测试环境下进行,分别使用ATTO Disk Bench32、CrystalDiskMark v3.0.3、FastCopy软件进行测试。

  ATTO Disk Bench32测试  

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▲威宝USB3.0高速U盘 ATTO Disk Bench32测试 @ Win7 Platform

  在WIN7测试环境下ATTO Disk Bench32测试最高连续写速度为85.5MB/s,最高连续读速度为144.4MB/s,这个速度真是很不错,达到了中高端USB3.0 U盘的性能,超出预期!  

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▲ 威宝USB3.0高速U盘 ATTO Disk Bench32测试 @ Win8 Platform

   再来看看在WIN8测试环境下的性能,用ATTO Disk Bench32测试最高连续写速度为85.8MB/s,最高连续读速度为162.3MB/s。写速度相对于WIN7没有提高,但读速度有比较明显的提高, 这主要是因为在WIN8系统下主机对命令的处理效率更高,可以连续处理更长数据长度的命令,所以读速度会有提升,而写速度没有提升可能是受限于eMMC芯 片的性能。

  CrystalDiskMark v3.0.3测试  

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▲威宝USB3.0高速U盘 CrystalDiskMark v3.0.3测试 @ Win7 Platform

   在WIN7测试环境下CrystalDiskMark v3.0.3测试最高连续写速度为82.4MB/s,最高连续读速度为142.2MB/s,与ATTO Disk Bench32软件测试结果几乎相同,而随机读写512KB和随机读写4KB的性能很好,明显高于采用NAND Flash方案的USB3.0 U盘,这应该得益于两颗三星原厂的eMMC芯片,毕竟是给智能手机和平板电脑用的^_^!  

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▲威宝USB3.0高速U盘 CrystalDiskMark v3.0.3测试 @ Win8 Platform

  在WIN8测试环境下CrystalDiskMark v3.0.3测试最高连续写速度为81.8MB/s,最高连续读速度为158.2MB/s,连续读速度仍然比WIN7下有明显的提高,连续写速度和随机性能则变化不大。

  FastCopy测试  

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▲ 威宝USB3.0高速U盘 FastCopy测试 @ Win7 Platform(左图为写入文件,右图为读取文件)

   在WIN7测试环境下,通过FastCopy测试拷贝本地文件夹(10.59GB)到U盘上,包含44个文件,总耗时143.65秒,平均写入速度为 73.7MB/s。再将同一个文件夹从U盘上拷贝到本地硬盘上,总耗时94.36秒,平均读取速度为112.2MB/s。FastCopy测试很接近实际 使用情况,结果仍然很令人满意。  

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▲ 威宝USB3.0高速U盘 FastCopy测试 @ Win8 Platform(左图为写入文件,右图为读取文件)

   在WIN8测试环境下,通过FastCopy测试拷贝本地文件夹(10.59GB)到U盘上,包含44个文件,总耗时148.14秒,平均写入速度为 71.4MB/s。再将同一个文件夹从U盘上拷贝到本地硬盘上,总耗时79.65秒,平均读取速度为132.9MB/s。

  测试总结

   大家都知道决定U盘产品性能最重要的组件就是主控芯片和闪存芯片,在这一点上USB2.0和USB3.0时代都是一样的,而现在主流的方案都是U盘主控 加上NAND Flash闪存,主控负责对NAND Flash进行管理,由于NAND Flash器件自身的特性,其每个存储单元的使用寿命是有限的,也就是我们常说的可擦写次数(也叫PE周期),NAND Flash随着其工艺水平的不断演进(40nm->30nm->20nm->1xnm)和闪存类型的变化 (SLC->MLC->TLC),其成本是在不断降低的,而PE周期是在持续下降的。所以一方面主控需要使用各种软件算法对NAND Flash进行损耗均衡、垃圾回收、地址映射等操作以提高其使用寿命,另一方面主控内部也包含了用于错误纠正的硬件(ECC),可以自动纠正传输和储存中 所产生的错误,这种ECC的能力越强,主控所能支持的闪存工艺和类型越新,U盘的使用寿命就越长。

  我们今天评测的威宝USB3.0高速 U盘采用了一种完全创新的架构,其使用了来自天津瑞发科半导体公司的NS1081主控芯片,NS1081主控芯片不同于传统的NAND Flash主控芯片,其可以支持多个eMMC存储芯片并以RAID0的方式进行操作,这样存储容量和读写性能都达到了加倍的效果,充分利用了USB3.0 接口的带宽。

  说到这里不得不给大家普及一下关于eMMC的知识,eMMC全称Embedded Multi Media Card(嵌入式多媒体卡),是由JEDEC标准化组织所制定的一种内嵌式存储器标准规格,带有MMC(多媒体卡)接口、快闪存储器设备及主控制器,所有 这些组件都在一个小型的BGA 封装内,其版本历经了4.3->4.41->4.51->5.0,每一代的接口速度都有所提高,最常见的4.41和4.51版本接口带 宽分别为100MB/s和200MB/s,同时其接口电压可以是1.8V或3.3V。eMMC最初推出的目的是为了简化手机存 储器的设计,一方面由于NAND Flash芯片由不同厂商生产制造,使用时需要根据每家公司产品的技术特性来重新设计主控制器,过去并没有技术能够通用所有厂商的NAND Flash芯片。另一方面每次NAND Flash工艺技术改朝换代,包括70nm演进至50nm,再演进至40nm或30nm制程技术,手机客户也都要重新设计,但半导体产品每年制程技术都会 推陈出新,存储器问题也拖累手机新机种推出的速度,因此像eMMC这种把NAND Flash存储芯片和控制芯片都包在一颗芯片里的概念,逐渐在市场中流行开来。eMMC的推出大大加速了产品研发速度,手机客户只需要采购eMMC芯片, 放进新手机中,不需处理其它繁杂的NAND Flash兼容性和管理问题,最大优点是缩短新产品的上市周期和研发成本,加速产品更新换代速度。

   国际上生产NAND Flash存储芯片的主要厂商包括英特尔、三星、东芝、闪迪、镁光、海力士等,其最高等级的NAND Flash芯片主要供企业级SSD产品和军工产品使用,下一个等级的NAND Flash芯片供eMMC/eMCP产品和消费级SSD产品使用,较差等级的NAND Flash则供Micro-SD存储卡和USB Flash Drive产品使用。从NAND Flash品质上看,eMMC的性能是接近SSD产品的,某些eMMC内部还集成了Cache模块,这样就大大提高了eMMC的随机读写性能,eMMC芯 片所包含的主控芯片大部分由NAND Flash原厂开发,可以最大程度发挥其自家器件的性能,而U盘主控芯片通常由独立控制器芯片厂商进行开发,需要考虑不同生产厂商、不同工艺制程、不同闪 存类型器件兼容性问题,通常无法最大程度发挥NAND Flash芯片的性能。NAND Flash U盘主控芯片的这种劣势在USB2.0时代并不明显,因为对产品性能的要求不高,进入USB3.0时代后这种劣势就越发凸显。

  采用NS1081 USB3.0读卡器主控芯片加eMMC存储芯片的架构可以大大简化U盘主控芯片的设计复杂度并提供稳定高速的性能,由于生产eMMC芯片的厂商都是NAND Flash供货大厂,如三星、镁光、闪迪、海力士等,产品都是几大原厂给智能手机和平板电脑供货的高端产品,其品质和性能都是出类拔萃的,受惠于近年来智能手机和平板电脑出货量的爆发,存储器生产厂商都加大了eMMC产量,拥有很充足的货源保证,且eMMC容量和性能在逐步提高,成本在不断下降。

   在USB2.0时代也曾出现过采用读卡器方案的U盘产品,即用一颗读卡器主控芯片加一颗eMMC或tf卡做成的U盘,但这种方案不具备容量和性能的可扩 展性,U盘的性能被限制在一颗eMMC或tf卡的容量和性能,甚至被限制在USB2.0接口的性能。NS1081主控芯片的推出则完全解决了这一问题,其 USB3.0接口使主机端不再成为性能的瓶颈,同时其创新性的闪存卡RAID0操作方式,可以给客户提供最大的设计灵活性,U盘生产厂商可以根据目标市场 的需求和拥有的eMMC资源来决定U盘最终的设计方案,由于NS1081支持4通道4bit或者双通道8bit闪存卡速度和容量叠加,使客户可以非常灵活 的利用手中资源以满足不同目标市场对于U盘容量和性能的要求。

  后记

  在我们的评测中,这款威宝USB3.0高速U盘具有非常不俗的性能,完全达到了中高端USB3.0 U盘的级别,这主要归功于其采用的NS1081主控芯片。

   这颗NS1081主控芯片由天津瑞发科半导体公司设计,这是一家在U盘主控领域的新公司,笔者处于好奇,在百度上搜索了一下,其公司主页上有如下信息 “天津瑞发科半导体技术有限公司成立于2009年,由多名归国硅谷半导体技术专家和本土资深半导体营销行家创立,在发展过程中获得了君联资本(原联想投 资)、赛富投资基金、联想之星等全球著名产业风险投资基金支持。公司位于天津华苑高新区,并在深圳设有销售和客户支持办公室。”看来这是一家初创不久的芯 片设计公司,但投资者却是业内知名的土豪级大VC。除了NS1081 USB3.0 U盘主控芯片外,其产品还包括NS1066/NS1066X和NS1068/NS1068X USB3.0-SATA2/3 桥接控制器芯片,公司的每一款USB3.0芯片都通过了USB-IF官方认证和微软WHQL认证(早在2013年初就拿到了第一个认证,并且目前在大陆半 导体公司中还是唯一一家),其USB3.0芯片都已在联想、东芝等品牌大厂量产了。这还真是一个名不见经传的设计公司,行事风格很低调,但其产品和客户却 并不低端。

  如前文所述,基于eMMC存储芯片的USB3.0 U盘可以说是U盘中的高大上产品,因其采用的eMMC芯片和其中的NAND Flash芯片均由国际知名大厂生产,性能出众,而在国内这种eMMC芯片资源则掌握在如江波龙(Netcom)、佰维(Biwin)等少数一线模组存储 大厂的手中,不过其产品则以外销品牌如威宝(Verbatim)等为主,在国内市场刚刚开始出现,对于终端用户还有一个认识接受的过程。

  其它

   从上文的性能评测中我们可以看到,基于eMMC存储芯片的USB3.0 U盘相较于普通基于NAND Flash芯片的USB3.0 U盘的一个重要优势是其4K随机访问速度明显更快,利用这一特点,U盘玩家可以使用基于eMMC存储芯片的USB3.0 U盘来制作win to go。所谓win to go就是可以在U盘上运行的Windows8系统,并且可以在不同的电脑硬件上运行,相当于用户能够随身携带自己的专属系统到其他的PC上进行工作,这个 功能在当今办公移动化、系统个性化和用户数据安全化的大背景下越来越受到欢迎。由于win to go使用的是U盘作为存储媒介,所以性能瓶颈是在U盘的读写速度上,win to go应用强烈建议使用 USB3.0 的设备,并且对U盘的随机访问性能有较高的要求,否则当数据传输速率较大时画面可能会出现停滞和卡机的现象,从而影响用户体验。