性能堪比SSD浅析存储卡如何提速

不断扩容的存储卡

存储卡曾经包括Secure Digital Memory Card （SD）、Micro SDCard（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（图1）。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看下表（表1）。

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？

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有关存储卡更详细参数的说明，感兴趣的朋友可以参考2019年第5期《速度容量兩不误教你挑选最新款存储卡》这篇文章。

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—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左右的读取速度和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。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.Ox4就是四通道的PCI-E3.0总线）的M.2接口（图2），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的读取速度和3000MB/s左右的写入速度（图3），是SATA总线时的6倍—7倍！

可见，总线接口的进化，是SSD能不断提速的核心竞争力。

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（SDAssociation，简称SDA）制定，时至今日存储卡规范已经从SDl.O、SD2.0……一路升级到了SD7.1T标准（表2）。

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SD1.1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Class10要求存储卡具备最低1OMB/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（图4）。

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-11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（图5），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FDT56和HD312工作模式（图6）。

两排针脚，让UHS-Ⅱ以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（图7）。

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。

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（固態技术协会）主导的UFS标准也是给存储卡提速的不二法门，2018年推出UFS vl.l标准的最高存储速度可达1 .5GB/s（UFSl.O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（图8）。

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。

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PCle Gen3.Ox1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“SDExpress”（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。2019年初，SD协会更新了SD7.1规范，加入Micro SDExpress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（图9）。

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SDExpress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（图10）。

目前，瑞昱和群联都已发布了支持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SD7.0规范的主控制器型号为“RTS5261”，其读取速度最高为985MB/s。群联的SD7.1规范主控型号为“PS5017”，完全支持SD7.0和SD7.1，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ONFl、Toggle2.0接口，读/写速度最高分别为900MB/s和500MB/s（图11），同样堪比PC领域入门级的PCle NVMe SSD。

前不久西部数据也曾在ComputeX 2019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（图12）。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。

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 SDExpress存储卡诞生后（图13），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。

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SDExpress的读卡器（图14），它才具备真正的普及机会。

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PCle NVMeSSD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？

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。