¿Qué son las Memorias UFS y Cuáles son las Diferencias entre las Diferentes Versiones?

Las especificaciones de los smartphones siempre incluyen siglas asociadas a la memoria, como UFS 2.2, UFS 3.1 o UFS 4.0. ¿Qué significan?

Probablemente te has encontrado con la sigla UFS, seguida de un número como 2.2, 3.1 o 4.0, al leer las especificaciones de un teléfono. Todos estamos familiarizados con el concepto de almacenamiento de datos, pero ¿qué son las memorias UFS y cuáles son las diferencias entre las distintas versiones?

Empecemos por decir que UFS significa Universal Flash Storage, y es un estándar de memoria que se diferencia de otras como eMMC y SSD, que seguramente has escuchado en relación a los ordenadores.

Vamos a descubrir qué significan estas siglas y por qué deberíamos prestarles atención, ya que, te lo adelantamos, tienen una importancia notable en la experiencia de uso de tu dispositivo.

¿Qué son las memorias UFS?

UFS, como ya mencionamos, significa Universal Flash Storage y es un estándar establecido por el JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council).

Este organismo lo define como “un estándar abierto y de alto rendimiento diseñado para su uso en dispositivos donde el consumo de energía debe minimizarse“, especificando que también está hecho para ser utilizado en “sistemas móviles como teléfonos inteligentes y tabletas, y aplicaciones automotrices“. Finalmente, el JEDEC agrega que “la interfaz serial de alta velocidad y el protocolo optimizado permiten mejoras significativas en el rendimiento y las prestaciones del sistema“.

Esta definición nos permite saber dos cosas importantes: la UFS está diseñada para ofrecer velocidades elevadas y una gran eficiencia. En cuanto a los usos, está pensada para teléfonos y cámaras digitales, pero en general para dispositivos electrónicos de consumo.

Es importante destacar que el estándar abarca tanto los paquetes permanentemente conectados (integrados) en un dispositivo (eUFS) como las tarjetas de memoria UFS extraíbles.

Históricamente, la especificación UFS ha sido respaldada por empresas como Nokia, Sony Ericsson, Texas Instruments, STMicroelectronics, Samsung, Micron y SK Hynix para reemplazar el eMMC. Estas empresas crearon la MIPI Alliance en 2003, responsable del desarrollo de los estándares M-PHY y UniPro.

El nacimiento de la UFS se remonta a 2010, con la fundación de la Universal Flash Storage Association (UFSA), que lanzó el primer estándar en 2011. Como veremos en el capítulo dedicado, en los años siguientes se han lanzado actualizaciones sucesivas del estándar.

En 2012 siguió la UFS 1.1 y en 2013 la UFS 2.0. Este fue un paso importante, ya que permitió aumentar el ancho de banda, mayor seguridad y un mayor ahorro de energía. En 2018 llegó la UFS 3.0, que trajo una velocidad de datos más alta.

En 2020 llegó el estándar 3.1, mientras que en 2022 Samsung anunció la versión 4.0, que alcanza los 23,2 Gbit/s gracias al uso de MIPI M-PHY v5.0 y UniPro v2.0.

Esto no significa que todas las memorias UFS actualmente en el mercado sean UFS 4.0, pero puedes encontrar dispositivos con memorias UFS2.0, UFS2.1, UFS3.0, UFS3.1 o UFS 4.0.

¿Dónde se usan son las memorias UFS?

A continuación, puedes encontrar una lista de los dispositivos en los que puedes encontrar memorias UFS:

• Smartphones y tablets. La memoria UFS se usa comúnmente para el almacenamiento en teléfonos inteligentes y tabletas de gama alta debido a su alta velocidad y confiabilidad. Con las memorias UFS, los dispositivos móviles pueden ofrecer tiempos de carga de aplicaciones más rápidos, un acceso a los datos más rápido, una mayor velocidad y un rendimiento general mejorado.
• Cámaras digitales y videocámaras. La memoria UFS se usa a menudo en cámaras digitales y videocámaras para almacenar fotos y videos de alta resolución. Las altas velocidades de escritura de las memorias UFS permiten un guardado más rápido de archivos de gran tamaño, y las altas velocidades de lectura permiten una transferencia más rápida de los archivos a una computadora.
• Sector automotriz. La memoria UFS se usa cada vez más en aplicaciones automotrices como sistemas de infoentretenimiento, sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) y sistemas de navegación. Sus rápidos tiempos de inicio y acceso rápido a los datos la convierten en fundamental para las aplicaciones en tiempo real en la industria automotriz, sin considerar su confiabilidad. Las memorias UFS reducen el riesgo general de desgaste del dispositivo de almacenamiento, ya que permiten al dispositivo de almacenamiento informar al host de variaciones excesivas de temperatura, permitiendo al host reducir la carga o tomar medidas para enfriar la temperatura del dispositivo.
• Realidad virtual (VR) y realidad aumentada (AR). La memoria UFS es ideal para dispositivos VR y AR, que requieren almacenamiento de alta velocidad y baja latencia. Estos dispositivos pueden cargar y procesar rápidamente grandes cantidades de datos a 5,8 GB por carril doble en UFS4.0, obteniendo una experiencia más fluida y receptiva.
• Dispositivos portátiles. La UFS también se usa en dispositivos portátiles como relojes inteligentes y rastreadores de actividad física, donde el almacenamiento de alta velocidad y bajo consumo de energía es esencial. Los dispositivos portátiles pueden ofrecer una mayor duración de la batería, en particular utilizando el modo de hibernación UFS.
• Unidad de disco duro (HDD). La arquitectura de almacenamiento HDD combina los discos rotatorios tradicionales con la tecnología OptiNAND. La unidad agrega una unidad flash integrada iNAND UFS integrada, que junto con las mejoras del firmware patentado y el SoC, está diseñada para satisfacer las necesidades de almacenamiento de los clientes empresariales.

¿Cómo funcionan las memorias UFS?

Las memorias UFS funcionan utilizando una combinación de hardware y software para almacenar y recuperar datos en chips de memoria flash no volátil.

En concreto, el estándar UFS utiliza una arquitectura en capas: en primer lugar, está la división entre host y dispositivo. El host gestiona la transferencia de datos desde el procesador de la aplicación al dispositivo como almacenamiento IC (circuito integrado), mientras que el dispositivo gestiona los chips de memoria flash y otros componentes de hardware.

Dentro de los componentes, tenemos un nivel de controlador host/dispositivo UFS, un nivel de transporte (UniPro) y un nivel físico (MIPI M-PHY), los que mencionamos en el capítulo anterior.

Un sistema de cola de comandos gestiona las transferencias de datos entre el host y el dispositivo. Este enfoque permite al dispositivo gestionar varias solicitudes de lectura y escritura simultáneamente, mejorando el rendimiento.

También hemos mencionado que las memorias UFS utilizan técnicas avanzadas de gestión de la alimentación para reducir el consumo energético. Por ejemplo, el tipo de memoria admite una función llamada “power gating”, que permite apagar los componentes no utilizados para ahorrar energía.

Por razones de seguridad, la UFS debe cifrar/descifrar la carga útil, además, el dispositivo UFS prohíbe la escritura en sus posiciones cuando está configurado como protegido contra escritura, mientras que no hay restricciones para la lectura.

Para abordar este problema, el controlador UFS cifra los datos durante la escritura y descifra los datos durante la lectura. Se admiten varios algoritmos de cifrado: AES-XTS, Bit locker-AES-CBC, AES-ECB y ESSIV-AES-CBC, con diferentes tamaños de clave AES: 128, 192 y 256 bits (cuanto mayor es el tamaño de la clave, mayor es el nivel de seguridad).

¿Qué diferencias existen entre las versiones de memorias UFS?

En los capítulos anteriores, hemos mencionado que desde 2010, año de la fundación de la Universal Flash Storage Association, se han lanzado diferentes versiones de UFS.

UFS 2.0 se lanzó en 2013 como actualización de la versión 1.1 lanzada en 2012. Esta versión, número JESD220B, presenta un mayor ancho de banda por carril (600 MB/s en lugar de 300 MB/s) y duplica el número de carriles (2 en lugar de 1), para un total de ancho de banda de 1200 MB/s en lugar de 300 MB/s.

También se han introducido más funciones de seguridad y ahorro de energía (este último llega al 50% menos) en comparación con UFS v1.1, y la versión M-PHY era 3.0, mientras que UniPro era 1.6. Esta memoria presenta los siguientes valores de lectura y escritura:

• Lectura secuencial (Mbps): 350 Mbps (con 128 GB), 850 Mbps (con 256 GB)
• Escritura secuencial (Mbps): 150 Mbps (con 128 GB), 260 Mbps (con 256 GB)
• Lectura aleatoria (IOP/sec): 19.000 (con 128 GB), 45.000 (con 256 GB)
• Escritura aleatoria (IOP/sec): 14.000 (con 128 GB), 40.000 (con 256 GB)

Las opciones de memoria disponibles eran 128 GB y 256 GB, y en 2015, la familia Galaxy S6 de Samsung fue el primer teléfono en comercializarse con memorias eUFS, utilizando precisamente el estándar UFS 2.0 (anteriormente se utilizaba el estándar eMMC).

UFS 2.0 se implementó en los chips Snapdragon 820 y 821, Kirin 950 y 955, y Exynos 7420.

En 2016 llegó el estándar UFS 2.1, que mantiene la mayoría de las características de la versión 2.0, haciéndolo un 20% más seguro. Cambian las opciones de memoria, que llegan a 512 GB y 1 TB, y el estándar admite por primera vez el sector automotriz.

UFS 2.1 se implementó en los chips Snapdragon 712 (710&720G), 730G, 732G, 835, 845 y 855, Kirin 960, 970 y 980, y Exynos 9609, 9610, 9611, 9810 y 980.

También aumentan las velocidades de escritura y lectura: estos son los valores:

• Lectura secuencial (Mbps): 860 Mbps (con 512 GB)
• Escritura secuencial (Mbps): 255 Mbps (con 512 GB)
• Lectura aleatoria (IOP/sec): 42.000 (con 512 GB)
• Escritura aleatoria (IOP/sec): 40.000 (con 512 GB)

En 2018 se anuncia el estándar 3.0, pero primero hablemos del estándar UFS 2.2 anunciado en 2020. Este estándar mantiene las mismas características que el 2.1, pero según el JEDEC, “el objetivo de este estándar es la definición de una interfaz eléctrica Universal Flash Storage y un dispositivo de memoria. Este estándar define un conjunto único de funcionalidades de almacenamiento flash universal que incluye el conjunto de funcionalidades de los estándares eMMC como subconjunto. Este estándar reemplaza JESD220C, versión 2.1, e introduce una función llamada WriteBooster”.

Al iniciar un navegador u otras actividades desde un dispositivo que utiliza UFS 2.2, verás un tiempo de respuesta significativamente más rápido que en la generación anterior 2.1.

La velocidad de lectura y la transferencia de datos no se han aumentado o mejorado con respecto a 2.1, al igual que las opciones de memoria.

Llegamos finalmente a la versión UFS 3.0, que como decíamos se anunció en 2018. Esta versión aumenta enormemente el ancho de banda por carril, que pasa a 1450 MB/s, para 2900 MB/s totales, M-PHY pasa a la versión 4.1 y UniPro a la versión 1.8.

Las opciones de memoria del estándar UFS 3.0 llegan a 512 GB, y estas son sus velocidades de escritura y lectura:

• Lectura secuencial (Mbps): 2100 Mbps (con 512 GB)
• Escritura secuencial (Mbps): 410 Mbps (con 512 GB)
• Lectura aleatoria (IOP/sec): 63.000 (con 512 GB)
• Escritura aleatoria (IOP/sec): 68.000 (con 512 GB)

En mayo de 2019, OnePlus lanzó la serie OnePlus 7, los primeros teléfonos con eUFS 3.0 integrado, seguido del Galaxy Fold original, que debería haber sido el primero, pero cuyo lanzamiento se retrasó.

UFS 3.0 se implementó en los chips Snapdragon 855, 855+, 860, 865, Exynos 9820-9825, y Kirin 990.

El estándar UFS 3.1 hizo su aparición en 2020, con una mejora notable en las velocidades de escritura y lectura, manteniendo la mayoría de las características vistas en el estándar UFS 3.0:

• Lectura secuencial (Mbps): 2100 (con 512 GB)
• Escritura secuencial (Mbps): 1200 Mbps (3 x mejora) (con 512 GB)
• Lectura aleatoria (IOP/sec): 100.000 (mejora 1,6 x) (con 512 GB)
• Escritura aleatoria (IOP/sec): 70.000 (mejora 1,3 x) (con 512 GB)

UFS 3.1 se implementó en los chips Snapdragon 855+/860, Snapdragon 865, Snapdragon 870, Snapdragon 888, Exynos 2100 y Exynos 2200.

Finalmente, llegamos a 2022, con el lanzamiento del estándar UFS 4.0, un enorme avance respecto al pasado. El estándar pasa a 2900 MB/s por carril de ancho de banda, para un total de 5800 MB/s, mientras que M-PHY pasa a la versión 5.0 y UniPro a la 2.0.

La eficiencia mejora un 46% con respecto a la generación anterior, y ofrece una mejora de la seguridad de 1,8 veces, gracias a su Advanced Replay Protected Memory Block (RPMB). RPMB permite al sistema almacenar datos en un área de memoria específica donde la autenticación está protegida contra ataques de repetición, de modo que los usuarios pueden almacenar de forma segura datos importantes como ID o contraseñas.

Samsung ha desarrollado un controlador único que utiliza una V-NAND de séptima generación a 176 capas, mientras que MIPI M-PHY 5.0 ofrece transferencias de datos de hasta 23,2 Gbps, duplicando la velocidad de UFS 3.1. UFS está disponible hasta 1 TB de espacio.

• Velocidad de lectura: 4.200 MBps
• Velocidad de escritura: 2.800 MBps (mejora de 1,6 veces con respecto a UFS 3.1)

El estándar se ha implementado en los chips MediaTek Dimensity 9200, MediaTek Dimensity 8300 y Snapdragon 8 Gen 2, y el primer teléfono en adoptarlo fue el IQOO 11.

Hay un último aspecto a considerar. Hasta ahora hemos hablado de las memorias integradas, pero como dijimos, también existen las tarjetas de memoria, definidas por el estándar UFS Card.

Este estándar, lanzado en 2016 con la versión 1.0, presenta 1 solo carril. La primera versión ofrecía 600 MB/s de ancho de banda, además del soporte M-PHY 3.0 y UniPro 1.6.

En 2018 llegó la versión 1.1, mientras que en 2020 se pasó a la versión 3.0, que trajo un ancho de banda de 1200 MB/s, además de las versiones M-PHY 4.1 y UniPro 1.8.

Estas tarjetas de memoria aún son bastante raras en comparación con las tarjetas microSD más comunes.

¿Qué diferencia hay entre las memorias UFS y eMMC?

Cuando se habla de eMMC, ya sea en teléfonos o en ordenadores (donde afortunadamente ya es una rareza), siempre se siente un movimiento de desdén o decepción. ¿Por qué?

Empecemos por el principio. eMMC (embedded multimedia card) es una memoria flash MMC soldada directamente en la placa base del dispositivo.

Se compone de tres elementos: el chip de memoria Flash NAND, el controlador y la interfaz eMMC, que permiten a la memoria comunicarse con los demás componentes del dispositivo. Ahorrando así “trabajo” al procesador del dispositivo.

La memoria eMMC es extremadamente compacta (es más pequeña que un sello) y económica, y ha contribuido a la proliferación de dispositivos como teléfonos y tabletas cada vez más delgados.

Con el tiempo se han lanzado diferentes versiones de esta memoria, que han mejorado las velocidades de escritura y lectura, pero con un defecto: son mucho más bajas que las que se pueden alcanzar con una memoria UFS.

Por ejemplo, la versión 4.5 de la eMMC (lanzada en 2012) llega a 140 MB/s de velocidad de lectura y 50 MB/s de escritura. La versión 5.0 (de 2013) llega a 250 MB/s de velocidad de lectura y 90 MB/s de velocidad de escritura, mientras que la última versión, la 5.1 (de 2015), mantiene la misma velocidad de lectura llegando a 125 MB/s para la de escritura.

Ya desde estos números podemos entender las diferencias entre UFS y eMMC: las memorias UFS son más modernas y presentan velocidades asimilables a las SSD (más adelante exploraremos también este capítulo).

Sin embargo, veamos primero las diferencias técnicas. En primer lugar, la memoria UFS presenta una interfaz serial LVDS (Low-Voltage Differential Signaling) que tiene rutas de lectura/escritura dedicadas. ¿Qué significa esto?

En las memorias eMMC, el bus de la interfaz está formado por varios canales que pueden intercambiar datos en paralelo. Esto significa que el procesador puede acceder simultáneamente a los datos de la memoria, pero en un solo sentido, es decir, en lectura o en escritura.

Las memorias UFS, en cambio, presentan un canal bidireccional que permite al procesador leer y escribir simultáneamente en la memoria.

Hay otro punto importante. Mientras que en las memorias eMMC los procesos deben ejecutarse de forma temporal sin orden de importancia, es decir, hay que esperar a que se ejecute un proceso antes de que pueda empezar el segundo, aunque este último sea más importante, las memorias UFS presentan la tecnología Command Queue (CQ).

Esta función ordena los comandos que deben ejecutarse, dando prioridad a los más importantes. Además, es posible resolver varios comandos simultáneamente, modificando el orden en consecuencia.

Ya solo las UFS 2.0 permitían una mejora sustancial notable con respecto a las eMMC. Dicho esto, las eMMC siguen siendo mucho más económicas, y por esta razón todavía es posible encontrarlas en dispositivos de gama baja.

¿Qué diferencia hay entre las memorias UFS y SSD?

En este punto, podrías preguntarte qué diferencia hay entre las memorias UFS y las memorias SSD. En primer lugar, hay que tener en cuenta que mientras las UFS se utilizan en las aplicaciones integradas, es decir, en dispositivos como teléfonos inteligentes y tabletas, las segundas se utilizan en ordenadores.

Pero, ¿qué diferencia hay entre las dos? Empecemos por las similitudes: las memorias UFS son memorias flash como las memorias eMMC, mientras que las memorias SSD más modernas se basan en memorias flash (no siempre ha sido así).

Ambas no presentan partes móviles y los datos almacenados en ambas son no volátiles, es decir, conservan la información incluso cuando están apagadas y no se utilizan.

Sin embargo, las diferencias están en la interfaz. Las memorias UFS utilizan una interfaz serial basada en las especificaciones de la MIPI Alliance, personalizada para satisfacer los requisitos de los dispositivos móviles. Esta interfaz garantiza la compatibilidad y la eficiencia.

Por el contrario, los SSD, que ahora utilizan el protocolo NVMe, aprovechan la interfaz PCIe, un estándar de bus de expansión del ordenador serial de alta velocidad. Esta elección permite aprovechar al máximo el potencial de la memoria flash, ofreciendo un rendimiento elevado y baja latencia en diferentes plataformas de procesamiento.

En cuanto a la velocidad, las memorias UFS, a pesar de su excelente rendimiento, están por detrás de las memorias SSD. Pero, sobre todo, presentan una escalabilidad inferior. Este es un punto clave, ya que las memorias UFS están pensadas para teléfonos y tabletas, mientras que los SSD pueden adaptarse a portátiles de 128 GB de espacio de almacenamiento hasta los centros de datos más potentes.

Finalmente, está el aspecto del consumo de energía, un aspecto crucial en lo que respecta a las dos memorias y sus aplicaciones. Las memorias UFS están optimizadas para la eficiencia energética y sobresalen en este sentido, lo que las convierte en la opción adecuada para dispositivos ligeros y delgados.

Mientras que los SSD NVMe son más eficientes desde el punto de vista energético que los HDD tradicionales, consumen relativamente más energía, también debido a su mayor rendimiento.