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1. 개요
Universal Flash Storage
2011년 2월에 표준이 최초로 공개된 새 플래시 메모리 규격이다. 물리적으로는 MIPI의 M-PHY 인터페이스를 채택하여 레인당 5.8Gbps 속도로 두 개의 레인을 사용하면 최대 11.6Gbps 대역폭을 가지도록 정해졌고, 링크 계층은 MIPI의 UniPro를 채택하여 그 위에 UTP 전송 계층을 올리도록 만들어졌다. SW적으로는 SCSI 명령어 세트를 서브셋으로 차용했다. 즉, 이미 있는 표준인 M-PHY, UniPro, SCSI를 조합하여 시장에서 빨리 채택되도록 의도했으나, UFS 1.0 표준은 그냥 사장됐고, UFS 2.0 표준을 따르는 제품이 2015년에 나왔으니, 실제로는 4년 넘게 걸린 셈이다.
디지털 카메라, 스마트폰, 태블릿 컴퓨터 등 임베디드 시스템을 위한 플래시 스토리지 규격이며, eMMC를 대체하기 위해 개발됐다. 주로 전자제품의 내부 회로기판에 납땜으로 고정되며(eUFS, embedded UFS) 따라서 확장하거나 교체할 수 없다. 2015년에 출시된 삼성전자의 갤럭시 S6에서 최초로 탑재됐으며, 이후 대부분의 삼성의 플래그십 스마트폰에 탑재됐고, 뒤를 이어 중국의 많은 스마트폰과 LG의 스마트폰에도 탑재됐다.
애플은 컨트롤러는 SoC 내에 통합되어 있고 저장소는 NAND만 달랑 있는 독자규격 스토리지를 쓰다가 아이폰 6s 이후로는 쭉 NVMe 규격을 사용하고 있다. 후술하겠지만 NVMe는 UFS에 비해 대역폭과 랜덤 읽기/쓰기 성능에서 전반적으로 더 좋은 성능을 보이나, 높은 발열과 전력 소모량 때문에 스마트폰용 저전력 세팅에서의 실제 성능은 최신 규격 UFS와 별반 다르지 않다.
마이크로 SD 카드처럼 휴대용/외장용 메모리로 보급하려는 시도가 있다. (UFS Card) 2016년 3월에 UFS Card 표준 1.0이 발표됐다. 하지만 기존의 마이크로 SD카드나 슬롯과는 전혀 호환성이 없어 표준이 제정된 지 몇 년이 지나도록 거의 보급이 안 되다가 사장되었다. 호환성이 없는 이유는 eMMC는 8비트 버스 인터페이스를 사용하는 반면 UFS는 MIPI 표준의 하나인 M-PHY라는 고속 직렬 통신 인터페이스를 사용하기 때문이다. 마이크로 SD 카드와는 달리 상어 지느러미 모양을 가지도록 하여 외관상 구분이 되도록 했고, 사용하는 핀의 위치가 다르도록 했기 때문에 콤보 소켓이 장착되면 소켓 하나로 마이크로 SD 카드와 UFS 카드를 모두 사용할 수 있게 된다.
2. 버전별 특징(속도 및 대역폭, IOPS)
하이닉스의 설명반이중(Half duplex) 통신[1]을 사용하는 eMMC와 다르게 1세대부터 전이중(Full duplex) 통신[2]을 사용한다. 또한 eMMC와 비교해 전송 속도가 훨씬 빠르며[3], 그러면서 전력 소모량은 오히려 더 적다.
||<tablebordercolor=#fff,#1f2023><rowbgcolor=#fff,#1f2023> Product || Sequential Read || Sequential Write || Random Read || Random Write ||이미지
microSD는 90MB/s (UHS-I 기준), 하드디스크 속도가 빨라봐야 300MB/s, eMMC는 250 ~ 400MB/s를 넘기 힘든 반면, UFS는 1세대에서도 800MB/s, 외장 카드일 경우 500MB/s까지 찍을 수 있어서 SATA 인터페이스를 쓰는 SSD와 맞먹는다.
과거 UFS 2.1에 도입됐던 특징:
- M-PHY 3.1 어댑터 계층과 UniPro v1.6 링크 계층을 사용한 UFS 2.1 호스트 컨트롤러를 사용한다.
- UFS 사용 디바이스에서 다중 이니시에이터 지원.
- UPIU들에 대한 CMD 우선순위 지원.
- SCSI CMD 쓰기 버퍼를 이용한 FFU(Field Firmware Update) 지원.
- 블록 사이즈 단에서의 데이터 카운트 지원.
| EXAMPLE - Phison's Error Correction Engine IP Study | |||
| <rowcolor=#fff> Phison Gen 1 | Phison Gen 2 | Next Gen | |
| <colbgcolor=#528ED3><colcolor=#fff> Application | UFS 2.1 - HS G3 x1-L | UFS 2.1 - HS G3 x2-L | UFS3.0 - HS G4 x2-L |
| ECC Throughput (Higher than I/F) | 800MB/s (800 x1) | 1333MB/s (800 x1.66) | 2666MB/s (800 x3.33) |
| Area (aprox.) | x1 | x0.32 | x0.44 |
| Power Consumption | x1 | x0.46 | x0.67 |
| DIE Area Cost | x1 | x0.53 | x0.75 |
1세대 UFS는 800MB/s가 한계였지만 2세대 UFS는 최대 1333MB/s 의 데이터 대역폭을 가지며, 2018년에 나온 3세대 UFS 3.0은 어댑터 계층이 M-PHY 4.1로 링크 계층이 UniPro v1.8로 업데이트됐고 HS-Gear4 즉 2666MB/s 까지 가능하여, PCIe 3.0 × 4 NVMe형 SSD보다 약간 못미치는 대역폭을 자랑한다. 다만, 랜덤 읽기/쓰기 속도는 SATA3 SSD 급이라 NVMe SSD에 비하면 한참 딸린다.
2020년에 나온 UFS 3.1은 대역폭은 UFS 3.0과 동일하나 SLC 캐시에 해당되는 쓰기 부스트 [4], 새로운 저전력 상태인 딥슬립, 써멀 스로틀링인 퍼포먼스 스로틀링 노티피케이션 등이 추가됐다.
2022년 5월 4일 삼성전자에서 UFS 4.0 스토리지를 개발했다고 발표했다. 연속읽기 4,200MB/s, 연속쓰기 2,800MB/s로 UFS 3.1 대비 각각 2배, 1.6배 빨라져 M.2 SSD에 버금가는 수준이 되었으며, 3.1 규격 대비 에너지 효율은 약 45% 이상 향상됐다. 2023년 출시된 갤럭시 S23 시리즈에 최초로 탑재됐다.
3. 적용 기기
- 내부 저장소 한정
- 외부 저장소 한정
- 내부/외부 저장소 둘 다 지원
eMMC 대비 원가가 비싸서인지 각 제조사의 플래그십 제품군에만 탑재되는 경향이 있다. 2019년 기준으로 갤럭시 A 시리즈, 샤오미 Redmi Note 시리즈 등 AP나 RAM 성능으로는 2세대 전은 물론 바로 전세대 플래그십과도 대등한 성능을 가진 중급기들도 나오고 있지만 갤럭시 A8(2016)이나 LG Q9처럼 전세대 플래그십의 칩셋을 재활용한 모델 등을 빼면 이들에게도 UFS는 탑재되지 않는 경우가 많다. 허나 2020년에 들어서 Redmi note 9s, Realme 6 등의 중급기에도 UFS 2.1이 탑재되는 추세이다.
4. 한계점
PC용 SSD의 모듈로는 채용된 사례가 없는데, 생산 단가도 단가지만 전력 제한 문제가 덜한 PC 환경(데스크톱, 노트북 컴퓨터, 태블릿 PC)에서는 NVMe 대비 느린 전송속도 때문에 이미 널리 보급된 NVMe 규격을 내버려두고 UFS를 새로 채용할 필요성이 없다시피한 점이 크다.예시로 PCIe 4.0 NVMe 드라이브는 최대 64Gbps(8GB/s)[5]의 전송속도가 나오는데, 4세대 UFS 보다도 훨씬 빠르다. 이외에도 x86 PC 진영에서는 아무래도 공간이나 전성비에 구애받는 것이 훨씬 덜하기 때문에 3D XPoint, RAID 0, PCI Express 버전업 등 어느정도의 전력 소모량 증대를 감수하고 채택할 수 있는 선택지가 훨씬 많다.
게다가 PCIe 5.0으로 버전이 올라가면서 NVMe SSD의 이론상 최대 전송속도가 128Gbps(16GB/s)까지 확장되었고, 무엇보다 순차 읽기/쓰기 속도는 그런대로 비슷해 보이지만 실제 사용 환경에서 훨씬 중요한 스펙인 랜덤 읽기/쓰기 속도가 UFS 대비 NVMe SSD가 압도적으로 빠르다. 예시로 UFS 3.1은 순차 읽기/쓰기 속도는 PCIe 3.0 x 4 NVMe SSD와 비슷한 수준이지만, 랜덤 읽기/쓰기에서는 NVMe에 처참하게 발리며 SATA3 SSD와 유사한 수준이다. UFS 4.0에 와서는 랜덤 읽기/쓰기 성능도 많이 향상되었지만, 여전히 PCIe 3.0 x 4 NVMe SSD급 속도라 여전히 최신세대 NVMe와 비교하면 많이 느리다.
물론 차이가 이 정도로 좁혀졌으면 실 사용 시 차이를 느끼기 불가능한 수준이긴 한데,[6] 굳이 이미 잔뜩 보급된 NVMe 규격을 PC 환경에서 딱히 비교우위가 없는 UFS로 돈들여서 교체할 필요성이 없기 때문에 보급되지 않는다고 보는게 타당하다. 또한 UFS는 DirectStorage를 지원하지 않기 때문에 x86 환경에 적용한다 쳐도 차후 DirectStorage가 적용된 게임에서는 성능이 많이 뒤떨어질 것이다.
갤럭시 시리즈 중 오래된 기종에서는 펌웨어 문제로 오래 사용하는 경우, 특히 펌웨어 업데이트 지원이 끊긴 기종의 경우 IO속도가 느려지는 경우가 생기는데, 메모리 Wipe 어플리케이션(iShredder 등)으로 빈공간을 Wipe 해주면 제 속도가 돌아오는 경우가 많다.
5. UFS 카드
삼성전자는 UFS 를 내장 저장장치 부품뿐 아니라 외장용/휴대용 메모리로 널리 보급해서 마이크로 SD 카드처럼 쓰이거나 이를 대체하기 위해 외장용 규격의 UFS 카드라는 새로운 외장용 메모리카드 규격의 보급을 추진하고 있다.
2016년 3월 31일, JEDEC JESD220-2에서 MicroSD처럼 이동식으로 사용할 수 있는 UFS 1.0 카드 확장 표준이 공식으로 제정됐다. UFS 2.0 기반 HCI 2.0과 호환되며, 크기는 15 x 11 x 1 mm이고 모양은 돌고래와 비슷한 모양이다. 전송 속도는 채널당 2.9~5.8Gbps이며 UFS 1.0에서는 싱글 채널의 단방향으로 600MB/s가 나오고 UFS 2.0에서는 그 2배인 1.2GB/s로 높아질 예정이다. 스마트폰 등 UFS를 시스템 메모리로 사용하는 임베디드 시스템에서는 microSD 확장 슬롯이 이 UFS 1.0 카드 확장 표준을 만족하는 외부 스토리지로 대체될 것으로 예상되며, 카드의 크기[7]나 핀의 위치[8]상 microSD 카드와의 호환성을 고려한 것으로 보인다.
UFS 카드는 마이크로 SD 카드보다 몇 배로 IO 속도가 빠르지만 가격이 비싸고 무엇보다 기존의 마이크로 SD 카드와는 카드와 슬롯 모두 호환성이 전혀 없다.[9] 2016년 3월 표준이 제정됐음에도 6개월씩이나 지난 2016년 9월 현재 UFS 카드 슬롯이 장착된 휴대폰이나 디지털 카메라가 전혀 없기 때문에 UFS 카드의 보급이 더디다. USB 3.0만 해도 2008년 표준이 제정되고 상용화하기까지 2년, 대중화에 진입하기까지 4년밖에 걸리지 않았다. 반면, UFS는 대중화도 아닌 처음 도입되기까지 4년이나 걸렸다.
물론 이는 기존 규격의 버전 업과 신규 규격이라는 차이라는 것을 감안해야 하는데, USB 3.0의 경우 기존의 2.0과의 완벽한 하위호환을 자랑했으며 포트조차도 2017년부터 모바일 기기를 중심으로 확산되는 Type-C가 보급되기 전까진 2.0시절부터 써오던 Type-A단자를 그대로 사용해왔다. 아예 처음부터 시작해야하는 UFS와는 사정이 다르다. 현재 사실상 모든 단자들을 다 압살한 USB도 처음 출시 당시에는 컨트롤러의 프로그래밍이 귀찮고 복잡하단 이유로 시리얼포트와 상당한 기간동안 경쟁해야 했었던 역사가 있다.
삼성전자의 갤럭시 스마트폰 조차도 내장 메모리는 UFS를 사용하지만 외장용 메모리는 마이크로 SD만 지원하고 외장의 UFS 카드를 지원하지는 않는다. UFS 카드 지원 마운트 슬롯과 SD카드 마운트 슬롯을 따로 내주는 식으로 보급 할 수 있을 텐데 그러지 않고 있다.
2017년 하반기 최신폰에서도 지원하지 않고 있고, 2018년 후반기에 들어서야 처음으로 지원하는 기기가 등장했다. 모두의 예상과 달리 스마트폰이 아닌 삼성 노트북 Flash에 최초로 UFS 카드 슬롯이 탑재됐고 후속기종인 삼성 노트북 Pen S와 같은 기종에도 계속적으로 UFS/microSD 호환 슬롯이 탑재되어 나오는 중이다.
2016년 7월 7일, 삼성전자에서 세계 최초로 256GB UFS 카드를 공개했다. 순차 읽기는 530 MB/s, 순차 쓰기는 170 MB/s, 랜덤 액세스 성능은 40,000 read IOPS/ 35,000 write IOPS.
2018년 11월 23일, 마침내 실 제품의 제품 페이지가 등록됐다. 최초로 공개된 스펙에서 약간 변경된 순차 읽기 500MB/s, 순차 쓰기 200MB/s의 속도를 제공한다.
그러나 2020년 기준 사용처가 사실상 전무하다. 기술적으로 경쟁 기술보다 우월할지라도 사용처가 없고 micro sd와의 호환성도 없어서[10] UFS카드를 쓰기 위해서는 UFS도 인식가능한 기기를 새로 생산해야 하므로, 삼성에서도 노트북에만 쓰이고, 삼성 갤럭시 등 스마트폰이나 태블릿에는 2021년 2월 기준 적용된 모델이 없다.[11] 심지어 더 큰 문제는 삼성전자의 경쟁사 노트북인 LG gram(2020)부터도 지원하는 UFS 카드를 삼성이 2021년 4월에 발표한 플래그십 노트북인 갤럭시 북 Pro와 갤럭시 북 Pro 360에서 제외했다.
가격은 동 용량의 Micro SD 카드보다 두 배 가량 비싼 편. 마치 플래시 메모리 기반 SSD와 옵테인 메모리를 보는 격인 셈. 다만 2020년 8월 기준 Micro SD 카드와 몇천원 정도 차이로 거의 비슷한 가격대까지 내려왔다. UFS 규격을 지원하는 제품을 사용하고 있다면 괜찮은 선택지가 될 수 있다.
다만 UFS 카드를 NTFS로 포맷시 프리징이 종종 발생한다. 그래서 사실상 exFAT이 강제된다. 이 점은 마이크로 SD카드 대비 불리한 점이다. 특히 OneDrive 등의 클라우드 동기화 위치는 NTFS가 강제되는 경우가 있다. 따라서 NTFS 파일 시스템이 필요한 경우에는 속도가 느려도 마이크로 SD카드를 사거나, 빠른 속도를 원한다면 C드라이브를 고용량 SSD로 교체하는 편이 낫다.
제조사도 삼성전자 하나밖에 없었고, 지원되는 기기도 국내 브랜드 노트북 상위모델 몇 개 정도로 보급이 처참한 수준인 상황이 반복되다가 2022년 초에 소리소문 없이 단종되며 UFS 메모리카드는 사실상 실패로 끝나게 됐다.
2024년 2월, 삼성전자가 microSD express 카드를 발표하였다.# microSD 핀 배열이 2열이 될 예정이며, 핀 공간이 겹치는 UFS카드 슬롯(+ 카드)은 설 자리를 완전히 잃어버릴 것이 명백해졌다.
[1] 한쪽에서 정보를 보내면 다른 한쪽에서는 정보를 모두 받아야만 반대쪽으로 정보를 보낼 수 있는 통신 방식. 산업용 규격 중에서는 RS-485가 널리 사용된다.[2] 송신자와 수신자가 동시에 양방향으로 통신하는 것. 산업용 규격 중에서는 RS232C와 RS-422가 대표적이다.[3] UFS 4.0 규격에 와서는 무려 15배 이상의 차이다![4] 이 기능을 2.1에 추가한게 2.2 규격이다. 그래서 2.2 발표가 오히려 3.1보다 나중이다.[5] PCIe 4.0 × 4 NVMe SSD의 이론상 최대 속도이며, 실질적으로는 순차 읽기 7,000~7,500MB/s, 순차쓰기 5,000~6,900MB/s 이다.[6] SATA SSD와 M.2 하급, M.2 최상급 스토리지의 게임 로딩 등의 실 사용 속도를 비교하는 리뷰들을 찾아보면 된다.[7] microSD 카드의 크기도 UFS 카드와 마찬가지로 15 x 11 x 1 mm이다.[8] 11번, 12번 핀인 Vcc와 Vss의 위치가 MicroSD와 동일하며 나머지 단자들은 전부 중앙에 위치한다. 도면 참조.[9] 기존의 단자에 적절하게 핀 개수를 추가해 속도를 늘리는 것으로 2.0 슬롯에 3.0 기기를 꽂아도 동작하고, 3.0 슬롯에 2.0 기기를 꽂아도 역시 동작하는 양방향 하위호환으로 이루어진 USB의 버전업과 달리, UFS 카드는 전원부만 기존의 microSD카드와 공유하고 데이터 통신용 핀의 위치 자체가 다르기 때문에 UFS 슬롯에 microSD카드가 호환될 수는 있어도 기존에 microSD카드 슬롯만 탑재되어 출시된 기기는 물리적으로 UFS카드를 사용할 수 없는 일종의 단방향 하위호환이다.[10] 슬롯 자체는 micro SD와 같이 쓸 수 있는 겸용 슬롯을 만들 수는 있다. microSD 카드의 핀배열 중 전원용 핀을 공용하고, 나머지 데이터 핀은 마이크로 SD카드의 핀 위치와 혼동되지 않도록 카드의 중앙부에 배열되어 있기 때문이다.[11] 2010년대 중후반에 일체형 베터리 모델이 증가하면서, 핀을 꽂아서 카드 트레이를 꺼내는 방식이 자주 쓰이게 됐는데, 이 경우 UFS/microSD 호환 슬롯의 구현이 어려운 것이 원인으로 보인다. 갤럭시북 플렉스 같은 노트북도 똑같은 방식을 쓰는데?