Comparison between
ATA and eMMC Devices
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Feature and Summary
項目ATA(PATA/SATA)

e・MMC

1ドライバ

OS Built-in

Windows 8 より

2

OS Boot

容易困難（規格がBootドライブ目的）（CMD体系が特殊）

3Price

高い

安い

4

容量大きい

小さい

5

解析能力

強い

弱い

6

電源管理回路

強い

弱い

7

拡張性

容易

困難

8

コマンド

多数

少数

9

Impedance等の微調整

容易

困難

1
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１. ドライバ状況
MMC規格は、元々OS外部メディア用途のためであり、更に一時期、市場が低迷していた為、ドライバ開発・Maintenanceが必要。
~ Intel BIOS Image~

検証・サポート

ドライバ

ATA規格は、既にどのOS・BIOSでも熟成されたドライバがBuilt-inされている。
しかし、eMMCは、MMCドライバの開発や、互換性検証、Maintenanceと手間隙がかかってしまう。
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２. Bootableデバイスとして
eMMCでは、Boot Loaderを保護するため、通常Data領域以外に2つのBoot専用エリアが設けられている。
安心度と引き換えに、CMD Flow等が特殊になっている。
~ eMMC概念図~~ eMMC state diagram (boot mode)~

Boot Partition
Boot Area Partition1

Boot Area Partition2

Boot領域を使用してBootするには、右のStateDiagram通りに行う必要がある。

RPMB (Replay ProtectedMemory Block) Area

User Data Area

3
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３. デバイスの容量
eMMCは、TSOPパッケージのNANDフラッシュより小型の為、物理的な容量はATAデバイスの方が大きく出来る。

TSOPより小さいBGAサイズ

TSOPサイズNAND Flash

ここ数年で使用するData量は格段に大きくなっている。
1年後、数年後にはBootドライブの容量も格段に増えると予想される。

またeMMCは容量毎にフォームファクタが違う為、安易に容量を増やすことはできない。

~ Micron eMMC webページより引用 ~4© 2015 ADTEC Corporation

４. 解析手法
eMMCはCOBタイプなので、解析手段に制限があり、手間・費用がかかる。
~ COB製造 ~~ SMT製造 ~Molding

各部品毎の摘出が容易で、部品での動作確認が可能なため、原因特定が早い。

WaferのDieを特殊接着剤で基板に貼り付けて、最後は樹脂にて封止するため、完成後の部品取り外しは困難を極める。

~ COBの部品調査の場合 ~溶剤による開封工程（開封作業）~ 失敗例 ~
拡大・断面観察

溶剤として発煙硝酸などや、レーザーなどを開封作業で、使用するため中にあるDieを損傷することがあり、最後の最後での解析手段とされる。
また開封作業時の損傷が考えられるため、可能な試験は断面観察がほとんどである。
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５. 電源管理回路(1)NAND Flashの電源は、大変重要なもの。 常に電源を管理する必要がある。
~ 東芝SLC Datasheetの注意書きより抜粋~~ 東芝DatasheetのBlock Diagram抜粋 ~NANDをDataを書き込むときには、高電圧が必要

イメージ図

電荷が酸化膜を通り抜けて行く為に、高電圧が必要。

# of
Cells

閾値に近いと、”0”と”1”の判別がつかなくｴﾗｰとなる。

# of
Cells

電圧不足
Logic
“1”

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Logic
“0”

Logic
“1”
VTH

通常Logic“0”VTH
6６. 電源管理回路(2)eMMCはコスト削減、サイズ縮小のため、電源に関しての回路を大幅削減。
~ e.MMCのBlock Diagram ~DATA

赤枠の部分がController ICのみで対応する仕組み。

ADTECの産業用向け
CF/CFastはここを最重要視して設計

電源何もない！
HostとNANDの間に何も介在しないため、電源はHost頼り。
主流のNANDは、保証動作電圧は2.7V～3.6Vだが、2.7V以下でも動いてしまう。
2.7V以下のときの動作は前ページで記載した懸念事項が発生することになる。
また、3.6Vの上限を超えて供給してしまうと故障する恐れもある。

電源

NAND

DATA

Controller

CMD

CMD

NAND

CLKController~ 通常のSDカードBlock Diagram ~7© 2015 ADTEC Corporation

７. 拡張性
eMMCはPackageサイズの選択はベンダーに依存。
そのため、間違えたPackage選択と設計は、将来的にM/Bの改版が必要。
~ 153-Ball WFBGA – 11.5mm x 13.0mm x
0.8mm ~

~ 169-Ball LFBGA – 14.0mm x 18.00mm x1.4mm ~CF/CFastは、どの容量でも同じサイズであり、何よりも交換作業は誰にでも手作業にて可能である。
また、大容量化に対応するため、NANDを4枚搭載できるサイズになる。

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8. コマンド体系の趣き (1)MMC規格は、当初Embedded向けとして企画された仕様でないため、まだ発展途上。
また追加されたCMDなどは、Option対応ばかりなので、注意が必要。
NAND適合性
NVMe
MMC~ 規格団体による方向性 ~PCIe

Data保全性
SATA

SAS
USB

MMC・・・ SanDiskが開発したMMC仕様が基になっているため、NAND使用を想定しているが、写真や動画の様なMeta Data保存用に策定されたProtocolである。 しかし、それをEmbedded向けとして仕様更新が行われているが、Option対応が多数。
USB・・・ PC周辺機器規格にFlashデバイスを使用できるようにしているため、今後もNAND適合性やData保全性の向上は望めない。
SATA・・・ PATAと同じProtocolを採用したシリアル通信である。 一般市場向けに安価で販売できるように策定されているため、Data保全性は欠けてしまう。
SAS・・・ 元々、Enterprise向けのSCSIコマンドを使用し、SATA規格の長所を取り入れた規格。 何よりもData保全を第一に考えられているため、NAND適合性は劣っている。 しかし、やはりSSDの普及で、規格の見直しをしている。
PCIe・・・ 高速通信目的で開発されたInterfaceだが、いろいろな目的で使用されているため、記憶媒体向けに適合しているとは言い難い。 重要なファクターとして、記憶装置として使用するためのSSDベンダー配布のドライバーに大きく影響される。
NVMe・・・ PCIe Interfaceを利用したSSDに特化したProtocolである。 NVMeはIntelが発起した規格なため、最近のCPUに最も適合したProtocolであり、今後はEnterprise市場への普及も目指すよう活発にData保全のためのProtocolを拡充していっている。
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9. コマンド体系の趣き (2)MMC規格では、Revision5.0よりDeviceの状態を知らせる仕組みが整ってきた。
しかし、ATA規格のように専用CMDではなく、Registerの一部を割り当てられている。
~ MMC規格の該当部 ~~ ATA規格のS.M.A.R.T. ~MMC規格のExtended CSD registerの33Bytes分しか割り当てられてないため、どうしても各メーカー詳細なDevice状態をみるために、VUC（Vendor Unique CMD）を用意して対応している。
そのために、API変更し情報を入手する必要がある上、Vendor都合で内容を変更することもある。
その一方、ATA規格では、専用CMDが規格に設けられているので、CMD体系を変更する必要がない。 実際に、市場にはS.M.A.R.T.情報を入手してくれるFree Softがたくさんあるので、非常に身近である。
また情報的には、512 BytesのData bufferのため、Registerと違い詳細な情報が入手可能。

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10. Impedance等の調整
SATAを始めとした高速規格やADTEC製CFやCFastカードなどのATAデバイスは、正しくデータを送受信できるように、波形を調整できる仕様になっている。
~ ADTEC製CFのDumping抵抗 ~ここの青い菱形をマスクと言い、避けるように波形を出すことが規格で決まっている。

~ ADTEC製CFastの波形調整 ~VIHの閾値

カードにあるDumping
抵抗を変えることで、波形を改良して、いつでも正しいDataの送受信を行えるようにする。

上の波形では、リンギングと言われる現象が発生し、システム側は『Low』にしようとしているが、カード側は『High』に見える。
下の波形はDumping抵抗をシステムからの信号へ最適化することでノイズを減らし、『Low』のときは、『Low』の信号を受けられるようにした波形。

VIHの閾値上の波形では、システム側が差動信号（『+』線と『-』線） の差が小さすぎて、システム側で『1』と認識できない状況が出ることがある状態。
下の波形はその波形を調整して、差動信号の差を明確にし、『1』のときは、システム側も『1』と分かるようにした調整した波形。

ATAデバイスは、DATAを常に正しく送受信できるように、波形調整の手段を規格で確立しており、ADTECは、それらの手段で必要な計測器を保有しているので、実際に調整して波形信頼性を産業用途にしている。
MMC規格では、実装 TypeのDeviceなので、DRAMのようにDriver Strength設定があるが、Option対応、且つ、33、50（Default）、66、100Ωの4種類のみ。 また実物の抵抗のような精度はない。
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