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NGFF M.2及SATA Express基礎知識入門

NGFF M.2(以下下簡稱M2)和SATA Express(以下下簡稱SATAe)是用以替代當前Mini PCI-Express(以下下簡稱MIni PCIe)/mSATA和SATA的新一代接口。
M2接口和SATAe接口已經可以在部分新款筆記本電腦和Intel 9系列主板上見到了,因為易與現有的接口相混淆,在這裡做一個簡單介紹。

一、M2

M2是目前常見於無線網卡、3G網卡和部分小型SSD的Mini PCIe/mSATA的替代升級版,具備小尺寸、低高度、集成度更高的優勢。


M2接口、板卡因尺寸規格(長寬高)和鍵位(Key)不同,分為多種規格。下面引用鏈接器製造商TE的一篇PDF,簡單說明。(參考資料都在帖子最後提供下載)

NGFF M.2及SATA Express基礎知識入門
NGFF M.2及SATA Express基礎知識入門

比如舉例中的2242-D2-B-M,是一個寬度22mm 長度 42mm 雙面各高1.35mm B+M鍵位的M2插卡,這塊插卡應當是一塊SSD,具備PCIe x2及SATA接口(當然任何M2設備只能用其中一種接口,具體使用哪個接口由主控決定)。
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(上圖中右側這個便是2242-D2-B-M規格的SSD,與左側mSATA規格的SSD做對比)
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(上圖是2280-D2-M規格的三星XP941 SSD)
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(上圖分別是Mini PCIe半高規格和M2 2230-S3-A-E規格的Intel 7260無線網卡)
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(上圖是華碩Z97 Deluxe,可以看到PCH散熱器下方靠近SATAe端口旁邊有一個M2 M鍵插槽,可以支持M2 2260和2280兩種規格的SSD)

通過上面的例子可以看出M2插卡、插槽的用途可以通過鍵位來區分。同時,每種規格中也包含多組數據/信號通道,供不同用途使用。跟Mini PCIe/mSATA一樣,M2接口的金手指也是兩面交錯排列的。這裡為了說明,給幾種常見規格的針腳定義。
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(上圖 M2-A,鍵位在pin8-pin15。具備PCIe x2、NFC、Display Port和USB 2.0通道等)
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(上圖 M2-B,鍵位在pin12-pin19。具備SIM卡、音頻、PCIe 2.0、SATA及USB 3.0通道復用通道等)
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(上圖 M2-E,鍵位在pin24-pin31。具備PCIe x2、NFC、SDIO、PCM、USB 2.0通道等)
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(上圖 M2-M,鍵位在pin59-pin66。具備PCIe x4及SATA復用通道)
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(上圖 M2-1216 HMC規格,非插卡形式,主要用於通信模塊)
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(上圖 M2-2226 HMC規格,非插卡形式,依然是通信模塊)
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(上圖 M2接口金手指及鍵位佈局,可以看到金手指是交錯排列的)

從規格中我們可以看到除了A B E M四個鍵位以外,還有其他鍵位,但大部分尚未應用。

M2的鍵位設計的比較有迷惑性,像當年DDR內存一樣,容易被強插導致插反。比如A和M鍵位,注意數一下兩面剩餘的金手指片數,一個是4/3,一個是5/4。另外就是碰見不熟悉的,不要強插,以免損壞。

從針腳定義圖中可以發現A及E的針腳定義有一定的共通性,B及M的有一定共同性,但AE/BM二者之間差異較大。也就是說M2接口是通過不同的鍵位加以區別的,不能通過物理損壞的方式,強行將其他鍵位的插卡插入不合規格的插槽中。

跟Mini PCIe/mSATA接口類似,B M鍵位的M2接口的PCIe通道和SATA通道也是復用的,通過一組檢測針腳來判斷設備是走PCIe通道還是SATA通道,同一設備只能用其一。

M2接口也是只用3.3v為輸入電壓,如果未來會有向2.5"轉接的設備,可能需要DC-DC轉換或者要求直接3.3V輸入。

點評:

M2接口在設計之時就考慮到了可用於多種用途,多種尺寸規格可以用在不同場合之中(不僅有前面介紹的22mm寬度和HMC模塊形式,還有16mm和30mm寬度,在最後的資料中提供),而且未來還有進一步擴展的空間。

但就是因為規格太多,容易使人發生混淆和兼容性的障礙。就比如一台筆記本裡面是2242規格的插槽,那麼其他2260/2280規格的SSD就肯定無法使用;同樣,如果2260規格的插槽在42mm位置沒有預製螺絲孔,那麼也沒法使用2242規格的SSD。

現階段M2規格的設備尚少,某些廠家走在了前列,或者同時推出M2和Mini PCIe/mSATA規格的設備。在購買時候一定要確定插槽的規格,以及設備的規格。除了尺寸和鍵位以外,還要注意SSD走的是PCIe通道還是SATA通道。如果同一款SSD既有mSATA規格又有M2規格的(比如Intel 530),那麼肯定是走SATA通道的,不要被外形所迷惑。



二、SATAe

SATAe是目前SATA接口的升級版,有點類似於M2,也是PCIe x2及SATA的復用接口。

SATAe並不是全新設計的接口,它是在現有SATA接口上加以改造得來的,借鑑了一部分SAS接口的設計。
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如上圖所示:(a)是SATAe設備端插頭;(b)是SATAe數據線設備端插口;(c)是SATAe熱插拔背板設備端插口;(d)是SATAe主機端插口;(e)是SATAe數據線主機端插頭。

這裡我們跟現有的SATA接口和數據線插頭找不同就可以了。如果手裡有空閒不用的SATA硬盤和數據線/電源線(一體的最好),可以拿來進行對比。如果手裡有SAS接口設備更佳。

先說設備端。

目前SATA設備的接口是分兩段——數據線7pin和電源線15pin,有一個"7"或者"L"形的舌頭或者缺口。在SATAe裡面,"7"和"L"拐角處被連接起來,也就是舌頭成了一個完整的平面,底下空缺。同時,在連接處的另一面多了7pin金手指。

不太形象?這裡借用一下SAS接口用以說明(SAS接口跟SATAe的設備端接口具有很大的相似性)。
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A段和C段是SATA、SATAe、SAS接口共有的部分,B段是SATAe和SAS接口獨有的部分。SATAe接口和SAS接口B段的物理外形並不完全相同,結合最上方圖(b)的就能發現SAS接口是B端下方整個掏空了,而SATAe接口B端下面依然有個突出。這也就保證SAS和包括SATA一體線纜無法插入SATAe設備中,反之,SATAe線纜可以插入SATA和SAS設備中。

換個視角。看你手裡SATA硬盤的接口、最上方圖(a)(b)和上圖。SATA接口是"7"和"L"中間是斷開的;SATAe接口是"7"和"L"拐角處被連接起來,但底下空缺一塊;SAS接口是"7"和"L"拐角處整個連成一體。

再到主機端。

SATAe接口的主機端實際上就是兩個SATA接口並排,再加上一個只有4pin的縮小版SATA接口。這是為了保證向下兼容性,畢竟SATAe接口是復用PCIe x2及2組SATA線路,如果不考慮兼容性的話,接口浪費會很嚴重,而且難以佈局。

其實還有一種只有PCIe x2線路的SATAe接口,實在最上方圖(d)的SATA接口中多了幾個凸起,這樣SATA數據線纜就無法插入這個接口,只能用專門的SATAe PCIe x2線纜。

也許有人要問,既然是用PCIe x2替代兩組SATA線路,那麼為什麼還要多4pin接口?除了物理上加以區分以外,其中一個原因就是SATA是存儲專用,但PCIe是外圍通用,不僅要有數據pin,還要有時鐘pin等。

SATAe我沒有找到確切的針腳定義,但基本上可以推斷出是PCIe Tx+/Tx-/Rx+/Rx-與SATA Tx+/Tx-/Rx+/Rx-相復用,PCIe額外要用的針腳可能與其他針腳相復用。這也就導致SATAe線纜雖然能插進SAS設備中,但實際上沒法用。

點評:

SATAe是為瞭解決目前標準2.5"和3.5"外形存儲設備帶寬而設計的,出發點是好的,但可能很快淪為雞肋。

為了保證對SATA的向下兼容性,SATAe的接口占地面積過大。相對於M2小巧的接口,SATAe簡直巨大,而且帶寬只有M2 M鍵規格的一半(這還不算上M2可以用來自CPU的PCIe 3.0,但SATAe目前只能用PCH提供的PCIe 2.0的差異),在有更大帶寬的設備時,新的瓶頸就會出現。所以SATAe很可能只是過度設備,或者只能作為消費級平台上的非固定存儲設備。因為:
1 在不追求單一設備高帶寬的情況下,有便宜量又足的SATA 6Gbps(半雙工)。即使主板原生的不夠用,還有低成本的PCIe SATA擴展卡。

2 在追求高可靠性和高可用性的情況下,有雙端口SAS,單端口帶寬就可達12Gbps(全雙工)。可以通過SAS HBA和SAS Expender成規模擴展。

3 在追求高性能的情況下,有PCIe插卡形式的SSD(包括M2)。可以自主選擇x2 x4 x8甚至更高的PCIe鏈路需求,以實現更高帶寬。

4 在同時追求高性能和熱插拔的情況下,有為下一代NVMe SSD設計的多功能接口 SFF-8639。包含6條數據通道,可用於PCIe 3.0 x4、SATAe x2、SAS 12Gbps、SATA 6Gbps,根據需要以分配。


SFF-8639,目前可見於Intel和三喪最新的2.5" PCIe NVMe SSD和DELL PowerEdge R920服務器上。
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SFF-8639接口在SAS接口(SFF-8482)的兩面上都排列了針腳,使其具備6條數據通道(復用):白色SATAe x2;白色及灰色SAS x4;黑色PCIe x4。
未來的SATAe設備接口可能會轉向SFF-8639接口,以適應下一代需求。



由於Intel決定不在新的9系列平台上提供對SATAe的原生支持,所以目前計畫推出的9系列新主板也只有部分高端型號加入了該接口,但PCH PCIe鏈路爭搶嚴重,加之與CPU通信的DMI總線只有相當於PCIe 2.0 x4的帶寬,所以即使有了新接口,但也難以發揮出優勢。況且目前尚無量產的SATAe設備,主板上的接口只能暫時當一般的SATA接口使用,或者轉接為標準PCIe 2.0 x2插槽使用。

下一代原生PCIe的SSD主控,比如SF-3700系列,前端同時提供PCIe x2和SATA兩種接口,配合SATAe接口也許能發揮最大作用。


三、M2和SATAe帶來了什麼

顯而易見的就是更高的帶寬。PCIe 2.0 x2 10Gbps要比SATA 6Gbps快了66%,如果升級成PCIe 3.0 x4更是快了5倍以上。

但這是對目前最常見的SATA來說。在數據中心和其他有RAS要求的環境中廣泛應用的SAS具備雙端口功能,而且是全雙工(SATA是半雙工)。在SAS 6Gbps下,利用雙端口就可以實現12Gbps的總帶寬,已經可以超過目前大部分M2和SATAe設備的帶寬。而且SAS已經進化到12Gbps,雙端口也就是24Gbps的帶寬,僅比PCIe 3.0 x4的32Gbps少了1/4。(其實不應該這麼比,SAS的雙端口很多時候是作為冗餘用的,目的是防止單點故障;而且一個是企業級一個是消費級,設計思路是不同的)

存儲接口紛紛擁抱PCIe的一個原因就是PCIe可以通過多通道輕鬆倍增帶寬,x1-x2-x4-x8-x16。而SATA只能通過RAID的方式間接增加帶寬,邏輯更複雜了,系統的不穩定因素也更多了。

但系統中的PCIe資源是有限的。Intel LGA1150 CPU只有16條PCIe通道,9系列芯片組可以拿出8條(其中1條必然要被集成網卡拿走),其中有多少資源可以供給M2和SATAe用?高端主板上排滿了PCIe x16插槽和各種板載設備,還要留出空間給M2和SATAe,資源爭搶非常嚴重。要知道先前提到的配備PCIe NVMe SSD的DELL PowerEdge R920是四路E7v2的服務器,總共有160條PCIe 3.0通道,因此分8x4條出來給存儲用完全無壓力。

當然主板廠商可以依靠老辦法——PCIe通道切換開關和PLX橋接芯片來最大化PCIe佈局。最後的結果可能是密密麻麻的一板子接口,大部分是擺設;或者一堆設備爭搶一條窄路,看上去美,但用起來受罪。(合理應用PCIe開關和PLX橋接芯片可以最大化資源利用,但前提是合理;為確保使用體驗,用戶也應該知道哪些接口共用了一條通道;我不想再說說明書的重要性,但消費級主板廠家的說明書大都是擺設)

至於曾經提及的延遲問題,僅僅是從SATA轉向PCIe並不會帶來實質的進步。相反,轉接過多的話,延遲會不降反增。這跟多卡SLI/CF,用PLX方案的性能要比原生通道拆分的低是一個道理。

也許主板廠商可以大膽地分配一路PCIe 3.0 x4給M2接口與最後一條PCIe x16接口共用,但這目前也是象徵意義大於實際意義。直接用CPU的PCIe通道固然可以降低延遲提高性能,但這也限制了顯卡的擴展,而且目前尚無PCIe 3.0 x4的M2 SSD。所以就實用來說,對主板廠商還是用戶,都是一個兩難境地。而這種尷尬局面也許需要更多的CPU PCIe通道(比如LGA2011平台)和未來新設備的發展才能解決。

SFF-8639 Multi HP conn.pdf
ATTEND_M.2 introduction.pdf
TE_CHI_DS_1-1773706-1NGFF_QRG-SC_0513_1-1773706-1NGFF_QRG-SC.pdf
SFF-8482 SAS DP conn.pdf

Original source bbs.pceva.com.cn by nighttob
2014-05-19 2:53 發佈
changpizz wrote:
NGFF M.2(以...(恕刪)
太感謝了!
其時亞馬遜上已經有拍賣m.2轉sata的轉卡,但是電源一樣要直接吃power的電~

PCIe 2.0 x2 頻寬應該是8Gbps~

changpizz wrote:
NGFF M.2(以...(恕刪)



感謝你的整理~
很讚的教學內容 !! 樓主大大 真的很用心,整理出這麼詳盡的說明 !! 一定要給讚 !!


先標記一下
得好好讀讀
SSD真要比速度的
吃 喝 玩 樂
專業好文,5分奉上

這篇文章詳細說明了M2與SATAe的介紹

Mason.Lyu wrote:
專業好文,5分奉上這...(恕刪)


頂一下技術文
詳細的好文章!!!推!!!
剛好最近想換電腦,可以拿來參考一下,謝謝^^

changpizz wrote:
NGFF M.2(以...(恕刪)


感謝,值得收藏
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