迎接PCIe SSD新趨勢 U.2/M.2介面整合時代來臨

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)。 

圖7 工控與企業級SSD軟體加值服務與其優點

電競工控市場需求大  PCIe SSD未來可期

電子零組件的輕薄化趨勢成為無庸置疑的發展方向，物聯網、智慧城市與可移動裝置的市場潛在商機，與其所採集到巨量數據資料所提供的分析運用，說明儲存裝置微型化、快速存取與耐用度於產業智慧化時代，在客戶端與伺服器端資料傳輸上擁有高度需求。 

以工控利基市場而言，其產品之應用面大約分為五大領域，第一為工業電腦嵌入式系統，第二為工業自動化生產、智慧型系統(Smart System)及物聯網等裝置，第三為遊戲與博弈專業市場，第四為航太與國防高階應用，第五為極具潛力的雲端市場。 

縱然目前PCIe SSD主要提供伺服器資料中心以及追求速度的高階專業與電競玩家相關應用，但以其效能速度、市場趨勢，只要價格越來越親民，PCIe SSD將逐漸演變成下一世代的SSD主流介面，擴展到其他產業與工業市場應用領域(圖8)。 

圖8 U.2與M.2 PCIe目前主要應用在企業級伺服器市場與電競專業領域

(本文作者為敏博Flash事業處產品經理)