固態硬碟進入NVMe時代　U.2/M.2介面補上臨門一腳

近幾年來，SSD一直是非常熱門的市場話題，而隨著SSD成本越來越低廉，已經到了一般消費型PC也能負擔得起的水準，SSD在PC的滲透率也跟著顯著上升。綜合TrendForce、Gartner等研究機構的數據，2015年出貨的筆記型電腦中搭載SSD的比率已經達到30%，預估在2018年時，SSD就會取代傳統機械式硬碟，成為筆記型電腦儲存裝置的主流規格。至於桌上型電腦方面，由於傳統硬碟在儲存容量上仍有顯著優勢，因此SSD的普及速度相對較慢，但整體來說仍維持成長局面。

NVMe助SSD擺脫老包袱性能大有突破

SSD的普及主要受到成本與性能兩大因素驅動，然而在性能方面，受限於PC生態系統，SSD始終沒有發揮其應有的實力。雖然目前已有不少高階SSD產品改用PCIe介面，以突破SATA介面的頻寬瓶頸，但絕大多數的SSD控制器仍然沿用PCI時代遺留至今的AHCI控制器介面。沿用AHCI的最大優點是大部份作業系統均已原生支援，相容性高，但原本為機械式硬碟設計的AHCI控制器介面，無法完全發揮 PCI Express介面及 NAND Flash的性能優勢。

AHCI是針對機械式硬碟最佳化的介面技術，從存取命令的設計到資料的分布，都是以機械式硬碟為目標而開發，具備節省讀寫時間與延長硬碟壽命的效果。然而，SSD無需考慮讀寫頭的問題，可大規模平行讀寫。因此，讓SSD繼續沿用AHCI介面，將造成SSD性能受到極大限制。

英特爾早在2007年便已預見這個問題，並開始著手設計新一代NVMHCI介面，隨後改稱NVMe介面，以取代專為傳統機械式硬碟設計的AHCI介面，避免效能瓶頸出現。AHCI與NVMe介面的主要規格差異比較如表1。

由圖1與表1不難看出，NVMe的性能壓倒性勝過AHCI，只要相關解決方案準備就緒，且價格能控制在消費者可接受的水準內，NVMe逐漸取代AHCI應可預期。

資料來源：英特爾(8/2015) 圖1　AHCI、SAS HBA與NVMe輸入輸出性能比較

隨著英特爾的X97、X99與Z170晶片組陸續開始支援NVMe，SSD性能終於擺脫包袱。可以預料的是，未來支援NVMe不再是企業級SSD的專利，鎖定消費市場的SSD也將開始支援NVMe。

事實上，許多SSD控制器廠商，早已看準NVMe將是未來趨勢而展開布局。英特爾、三星(Samsung)等SSD品牌大廠旗下的SSD控制器團隊，早已為自家的SSD終端產品設計出可支援NVMe的控制器；IC設計業者Marvell、台廠慧榮、群聯等也已先後推出可支援NVMe的SSD控制器。

值得注意的是，雖然NVMe的性能遠超過ACHI，但NVMe只是邏輯介面而非實體介面，因此在實體訊號連接方面，SSD產業鏈仍須設法突破SATA 3.0所設下的6Gbit/s瓶頸，才能徹底發揮SSD的所有效能。這個趨勢除了預告SATA 3.0下台一鞠躬只是時間問題之外，也凸顯出SSD實體介面演進速度不如邏輯介面的現實。

M.2/U.2各自搶攻模組卡/2.5吋市場

NVMe為SSD打破了邏輯介面的包袱，但在實體介面上，SSD仍有多種規格選擇。扣除採用PCIe擴充卡形式的SSD，2.5吋SSD或將演變成M.2與U.2等多種介面共存的局面，目前主攻入門市場的SATA 3.0，將隨著時間慢慢淡出。

在SATA 3.0之外，SSD產業過去幾年出現過不少嘗試，後來逐漸確定使用PCIe作為實體介面來搭配NVMe SSD。但PCIe介面有個明顯缺點，只能支援擴充卡形式的SSD，無法支援2.5吋磁碟機外型的SSD，因為PCIe的標準接頭不適合用於2.5吋磁碟機。

在2016年CES展期間，各家廠商所推出的NVMe SSD若不是採取M.2介面，就是以PCIe擴充卡(圖2)的形式出現。缺乏對應的實體介面與連接器，也使得NVMe規格的全面普及受到一些影響。

圖2　在U.2介面走向消費市場前，支援NVMe的SSD大多以擴充卡的形態出現。

不過，隨著U.2介面出現在消費性SSD機種上，這個問題已經有了解決辦法。U.2介面原本的命名是SFF-8639介面，主要應用在資料中心所使用的SSD上。然而，由於原本的命名不容易記憶，不利於在消費性市場上推廣，因此後來改名為U.2。

U.2介面在SSD設備端融合了SATA與SAS的特點，中間用針腳填滿SATA介面的空缺，並預留L型防呆，所以可兼容SATA、SAS、SATA E等各種主流的硬碟介面(圖3、4)。至於在主機板端，則採用miniSAS HD插座與連接線。miniSAS HD是目前業界很常用的PCIe訊號纜線，可以直接導出PCIe訊號，但根據英特爾的規劃，未來PCIe纜線將採用OCuLink纜線與連接器(圖5)，因此miniSAS HD可能只是過渡時期的解決方案。OCuLink的連接器尺寸僅12.85x2.83公釐，尺寸小巧是其最主要的優勢。

圖3　SATA、SAS與U.2介面比較

圖4　U.2介面的腳位定義

圖5　Molex研發的OCuLink纜線，將可支援4通道PCIe，可望成為U.2搭配的主機板連接方案。

U.2介面採用4通道PCIe 3.0，理論傳輸速度為32Gbit/s，並支援NVMe。相較之下，SATA的頻寬只有6Gbit/s，而且不支援NVMe。兩者相比，U.2的性能優勢相當明顯。

至於M.2，基本上是以二合一平板電腦或超薄筆記型電腦為主要應用目標，故主要是搭配模組卡形式的SSD使用，較少應用在2.5吋SSD上。在頻寬方面，M.2可以支援2通道或4通道PCIe 3.0，因此在某些情況下，M.2與U.2可以互相轉接，不會有效能上的損失。上述特點使得M.2與U.2之間的關係類似SATA與mSATA，各自有不同的目標市場(圖6)。

圖6　不同形式的SSD將採用不同的實體介面標準。

COMPUTEX將是SSD規格走向觀察指標

U.2首度在消費性SSD市場亮相，約莫是在2015年COMPUTEX展前後，並且在2015年下半開始有PC主機板業者推出支援U.2的產品，如華碩、技嘉、微星、華擎等廠商，均已推出支援U.2的主機板、連接器與線材。但由於目前消費性SSD產品中，只有英特爾自家推出的750系列支援U.2介面，加上主機板業者必須負擔額外的成本，因此主機板業者僅推出少數幾款支援U.2介面的產品，測試水溫的意味濃厚。

因此，對SSD產業而言，2016年COMPUTEX將是觀察產品規格是否向新世代介面轉移的重要關鍵。一方面，其他SSD業者會不會跟上英特爾的腳步，推出針對消費市場設計的U.2 SSD，對於U.2介面的發展將非常關鍵，另一方面，在英特爾平台普遍支援NVMe後，主機板業者會不會順勢擴大推出支援U.2介面的主機板，也攸關U.2的聲勢能否順利拉抬。