迎接PCIe SSD新趨勢 U.2/M.2介面整合時代來臨

2017-06-05

陳聿英

伴隨固態硬碟(SSD)的發展，直接應用PCIe(PCI Express)匯流排傳輸資料成為SSD業界的新顯學。除了筆記型電腦常見的M.2介面外，在英特爾(Intel)帶頭之下，許多業者把目光轉向U.2介面。

目前推出U.2的SSD廠商，多為國際大廠，除了英特爾外，還包括三星(Samsung)、美光(Micron)，而台灣業者敏博(MemxPro)，是唯一發表U.2產品的台灣SSD製造商。到底PCIe有什麼魅力，U.2/M.2介面又是什麼，可以讓眾多國際大廠競相投入，以下為深入剖析。

AHCI/SATA架構效能不足 NVM Express介面接手

固態硬碟發展迅速，傳統進階主機控制介面(AHCI)的傳輸效能已跟不上固態硬碟發展的腳步。AHCI傳輸介面原本是為機械式硬碟而設計，採用諸如原生指令排序(Native Command Queuing, NCQ)等技術來減少資料存取的時間，改善硬碟的效能。搭配串列式先進附加技術(SATA) 3.0物理介面傳輸頻寬6Gbit/s，在傳統機械式硬碟的應用上，已是綽綽有餘。

然而進入固態硬碟的世界，AHCI/SATA介面的架構就顯現出效能的不足。固態硬碟沒有傳統機械式硬碟所需之存取搜尋的時間延遲，效能更高，SATA 3.0傳輸頻寬6Gbit/s已不敷使用。隨之而來的，就是一個新的架構--NVMe/PCIe介面。

NVMe(Non-Volatile Memory Express, NVM Express)是一個最佳化、高效能、擁有擴展性的主控介面設計，是由英特爾所主導開發與制定規範，讓主從端系統能使用有別於傳統硬碟(HDD)的PCIe SSD。NVMe是指非揮發性記憶體儲存裝置技術，非揮發性記憶體在今日以NAND Flash為代表，隨著NAND Flash技術的發展，NVMe為固態硬碟提供更有效率的傳輸方式與更為優異的效能表現(圖1)。

圖1 NVMe技術特色簡介

NVMe技術介面有幾項主要的效能指標，包括頻寬、每秒輸入輸出(IOPS)效能與低延遲性。舉例而言，SATA 3.0最高效能為200,000 IOPS，而NVMe裝置可達1,000,000 IOPS。擁有PCIe傳輸介面的遠端直接記憶體存取(RDMA)與光纖通道，可支援比SATA與串列連接SCSI(SAS)更高的頻寬，像是PCIe Gen3 x4，頻寬可達32Gbit/s，為SATA介面的五倍多。此外，下一代的記憶體技術的讀取的延遲度須低於1微秒(μs)，正需要一個線性精簡的傳輸協定，使端到端的延遲能在10微秒之內。

PCIe強化SSD架構搶進商業應用市場

隨著科技日新月異，目前以AHCI/SATA架構為主的系統記憶體與儲存裝置溝通的硬體機制已達極限，限制了系統記憶體與SATA儲存裝置間傳輸資料速度，只改善固態硬碟SSD的效能已經不夠了。

儲存媒體邁進高速的應用領域，使用NVMe技術標準之PCIe介面可輕鬆超越AHCI主控介面的極限。AHCI的架構為傳統機械式硬碟而生，與主機控制器的溝通須要藉由主機匯流排配接器(HBA)來完成，效能會因為疊板增加而變差，PCIe SSD則可以直接與主控溝通連結，無須經過HBA，並且一次能進行最多高達64,000個的執行指令數量。此外，AHCI需要四個執行指令去讀取不可緩存的資料，而NVMe則可以一個指令立即執行完成。

在SSD市場快速成長以及SATA 3產品逐漸普及的今日，傳輸速度上已達到SATA 3理論傳輸頻寬6.0Gbit/s的上限。隨著技術的演進，新一代NVMe規格的PCIe Gen3x4 SSD，在PCIe匯流排頻寬優勢下，四通道的傳輸，每一個通道頻寬高達985MB/s，速度為SATA SSD 600MB/s的數倍以上(圖2)。

圖2 SATA與PCIe效能比較圖

穩站PCIe SSD主流規格 U.2/M.2實體介面準備就緒

有了NVMe傳輸協定規範，還須要實體介面的配合，才能發揮PCIe高速傳輸通道的特性，因此M.2與U.2應運而生(圖3)。

圖3 敏博U.2與M.2 PCIe產品

M.2介面原本叫做NGFF (Next Generation Form Factor)，它可以做得比mSATA硬碟還要小巧，也有豐富的可擴展性，寬度22毫米(mm)，長度最長可以做到110毫米。M.2單面厚度2.75毫米，適合高度有限的嵌入式應用，即便是採用雙面快閃記憶體布局，厚度也不過3.50毫米左右，可因此提高SSD的容量。M.2介面現在全面轉向PCIe 3.0 x4通道，理論頻寬達到了32Gbit/s，遠高於之前水準，大大提升了SSD性能潛力(圖4)。

圖4 U.2 NVMe SSD規格圖

U.2介面則利用現有的物理介面，但介面頻寬更快，四通道的設計使頻寬從PCIe x2變成PCIe Gen3 x4，頻寬達到SATA介面的數倍之多。U.2介面融合了SATA與SAS的特點，採用訊號腳位填滿SAS介面的中間連接處，L型的防呆設計，除了PCIe介面，還可以兼容SATA、SAS與SATA E等各種主流的硬碟介面(圖5)。

圖5 M.2 2280 NVMe SSD規格圖

3D NAND提高容量 PCIe SSD火力全開

目前能夠支援NVMe傳輸控制標準的U.2與M.2 PCIe SSD產品不多，大多數集中於具有技術優勢的相關SSD廠商。多數PCIe SSD選擇搭載先進三維(3D) MLC架構快閃記憶體，而不是常見的二維(2D) MLC架構快閃記憶體，藉由此創新技術引領儲存效能與耐用度的全面提升(圖6)。

圖6 U.2 & M.2 PCIe SSD內部架構圖

3D NAND技術採用垂直堆疊多層數據儲存單元的方式來提高NAND的容量，當3D NAND快閃記憶體單位面積容量增加，每片晶圓所能生產的NAND容量變大。之前的2D平面快閃記憶體，在提升速度與容量的前提下，不斷推出新製程技術加強儲存密度，目前達到1x奈米(nm)，製程微縮導致產品良率與抹寫週期下降，並且已達微縮瓶頸。

3D NAND技術可利用既有製程，預估成本將隨之降低，並能提高快閃記憶體可靠度與耐久性。目前三星、東芝(Toshiba)/WD(Western Digital)、美光與SK海力士(SK Hynix)各家記憶體大廠皆開始將部分2D生產線用於投產3D NAND，正式進入3D時代，也標誌SSD全面邁入PCIe介面時代的來臨。

監測/軟體加值服務助攻物聯網革命號角響起

物聯網(IoT)掀起工業4.0(Industry 4.0)的革命性變革，資料是數位轉型的關鍵所在，而PCIe SSD亦是物聯網的一份子。PCIe SSD本身具有進行狀態感測與資料擷取的能力，而伺服器資料中心應用亦須要對PCIe SSD使用狀態及行為做出監控，進而讓擁有分析與管理資料能力的使用者，做出更正確迅速的儲存裝置管理決策。

因此，SSD搭配智慧監測軟體，除了能隨時掌握硬碟的溫度、健康狀態、使用壽命等資訊，也提供更多監控參數，並可監控磁碟讀取寫入與活動流量資訊，使用戶隨時掌握硬碟使用情形，不管在本地端或伺服器端皆可監看儲存裝置狀態、診斷問題並收集資料，進一步與企業的資料庫結合，協助資料分析應用，也避免資料的遺失。

此外，SSD軟體服務也是不容小覷，針對商業市場應用，以工控市場與企業伺服器市場為主的SSD製造廠商甚至也在軟體加值服務上，包含SSD預載作業系統、SSD軟體開發套件(SDK)、SSD系統資料備份救援服務，以及系統升級轉移輔助程式等，亦於不同平台上發展許多應用程式，甚至提供客製化功能，滿足商業用戶需求(圖7)。