M.2 比當(dāng)前的 Mini PCI Express （mPCIe）/Mini-SATA （mSATA） 標(biāo)準(zhǔn)更纖薄、更靈活，并沒(méi)有引入新的信號(hào)系統(tǒng)，而是允許通過(guò)多通道 PCI Express （PCIe） 增加數(shù)據(jù)吞吐量，并向后通過(guò) SATA 和 USB 信號(hào)實(shí)現(xiàn)兼容性。在超極本、平板電腦和便攜式設(shè)備對(duì)高速、大容量存儲(chǔ)需求的推動(dòng)下，M.2 節(jié)省空間的外形尺寸、向后兼容性和靈活性意味著它也將對(duì)嵌入式領(lǐng)域產(chǎn)生影響。

嵌入式客戶(hù)的獨(dú)特需求和要求使得在該領(lǐng)域采用 M.2 成為比在消費(fèi)者方面更復(fù)雜的決定，但了解技術(shù)背景、其規(guī)格和優(yōu)勢(shì)可以幫助嵌入式 OEM 和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員制定現(xiàn)在做出正確的選擇，為未來(lái)做準(zhǔn)備。

mPCIe / mSATA

當(dāng)前這一代用于存儲(chǔ)和通用外圍設(shè)備的小型擴(kuò)展模塊使用常見(jiàn)的 30 毫米 x 50.95 毫米 mPCIe 卡尺寸（圖 1）。mPCIe 最初是為筆記本電腦市場(chǎng)設(shè)計(jì)的，是 MiniPCI 的演變，是擴(kuò)展卡的物理和電氣規(guī)范，允許通過(guò)小型化 PCIe 連接器實(shí)現(xiàn) Wi-Fi、無(wú)線廣域網(wǎng) （WWAN） 和其他附加功能。mPCIe 在消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用中的廣泛采用、小巧的外形以及它對(duì)熟悉的 PCIe 總線的使用意味著它自然而然地成為了一種為工業(yè)和嵌入式系統(tǒng)添加功能的方便且節(jié)省空間的方式。

隨著筆記本電腦和移動(dòng)設(shè)備對(duì) SSD 的需求增長(zhǎng)，2009 年引入了 mSATA 格式作為小型存儲(chǔ)設(shè)備，采用與 mPCIe 相同的物理外形和連接器以及小型化 SATA 接口。雖然外形尺寸和連接器在物理上與 mPCIe 相似，但 mSATA 卡在電氣上與 mPCIe 不同，并且需要 mSATA 主機(jī)支持才能運(yùn)行。基于久經(jīng)考驗(yàn)的真正 SATA 存儲(chǔ)協(xié)議，mSATA 使制造商可以輕松實(shí)現(xiàn)小尺寸存儲(chǔ)，并迅速在客戶(hù)端領(lǐng)域采用。這些相同的因素使 mSATA 對(duì)于嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)具有吸引力，如今它是消費(fèi)和工業(yè)市場(chǎng)中最受歡迎的小型 SSD 格式之一。

mSATA 瓶頸

隨著客戶(hù)和企業(yè)市場(chǎng)追求更高容量的 SSD 和更高的吞吐量來(lái)匹配，高端 SSD 的性能瓶頸已成為限制在 600 MBps 的 SATA 協(xié)議。隨著 SSD 容量的增加，速度也會(huì)提高，即使 SATA III 提供的 600 MBps 也不足以滿足高性能應(yīng)用的需求。同時(shí)，mSATA 所基于的 mPCIe 外形尺寸在物理上限制了可以在一張 mSATA 卡上放置多少閃存。

M.2的潛力

在客戶(hù) SSD 性能需求的推動(dòng)下，M.2 被開(kāi)發(fā)為具有前瞻性的小尺寸，以解決 mSATA 在使用高端 SSD 時(shí)遇到的問(wèn)題。與使用現(xiàn)有物理標(biāo)準(zhǔn)的 mSATA 不同，M.2 在設(shè)計(jì)之初就考慮了閃存存儲(chǔ)。M.2 具有更薄的 z 高度和更小的占用空間以及更少的電路板面積浪費(fèi)，比 mSATA 更??節(jié)省空間。M.2 模塊的長(zhǎng)度范圍從 42 毫米到 110 毫米不等，并且有單面或雙面版本。這種物理規(guī)格的靈活性允許使用比 mSATA 更??高的 NAND 容量的節(jié)省空間的 M.2 附加卡和 M.2 SSD。

為了滿足高性能 SSD 的帶寬需求，選擇多通道 PCIe 作為高端存儲(chǔ)連接選項(xiàng)。SATA III 目前僅限于 600 MBps 的速度和單通道，而 PCI Express 可通過(guò) M.2 擴(kuò)展到四個(gè)通道。在當(dāng)前 PCI Express 2.0 速度為 500 MBps 的情況下，這意味著使用四通道 M.2 SSD 甚至可以使用新的 PCI Express 3.0 達(dá)到 2 GBps 的速度。同時(shí)，M.2 仍然支持 SATA 以及 USB。這種與現(xiàn)有信號(hào)的向后兼容性簡(jiǎn)化了向 M.2 的遷移，因?yàn)樗?jiǎn)化了第一代 M.2 SSD（運(yùn)行 SATA）和 Wi-Fi、GPS 和 WWAN 等外圍卡的實(shí)施。

物理接口

M.2 規(guī)范為擴(kuò)展模塊定義了三個(gè)插槽。Socket 1 用于 Wi-Fi，Socket 2 用于 SATA 或 PCIe x2 SSD 以及通用擴(kuò)展卡，Socket 3 用于 SATA 或高速 PCIe x4 SSD。母插座連接器在物理上限制了可以安裝的 M.2 卡。M.2 卡本身的連接器帶有缺口或“鍵控”到它們各自的功能。PCIe x2 SSD 可以鍵控以適應(yīng) Socket 2 和 Socket 3 連接器，但將以 PCIe x2 速度運(yùn)行。

主機(jī)控制器接口

為了充分利用 M.2 的多通道 PCIe 速度，而不是在 M.2 物理接口上運(yùn)行 SATA，需要一種新的存儲(chǔ)接口協(xié)議。作為一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，高級(jí)主機(jī)控制器接口 （AHCI） 在操作系統(tǒng)和控制器級(jí)別享有廣泛的支持，但與 SATA 及其性能限制相關(guān)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，迄今為止，客戶(hù)和企業(yè) SSD 制造商已經(jīng)創(chuàng)建了自定義驅(qū)動(dòng)程序來(lái)釋放多通道 PCIe 的帶寬潛力，但對(duì)于工業(yè)市場(chǎng)而言，這從成本和兼容性的角度來(lái)看是不可行的。

為了允許通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通過(guò) PCIe 高速訪問(wèn)固態(tài)存儲(chǔ)，一個(gè)由 80 多家公司組成的工作組開(kāi)發(fā)了 NVM Express （NVMe）。AHCI 是在旋轉(zhuǎn)介質(zhì)和相關(guān)的高延遲時(shí)代設(shè)計(jì)的，而 NVMe 已針對(duì) SSD 和當(dāng)今多核處理器的隨機(jī)訪問(wèn)特性進(jìn)行了優(yōu)化。流線型存儲(chǔ)堆棧允許更高的吞吐量、更低的延遲、更好的每秒輸入/輸出操作 （IOPS） 和更低的功耗，因?yàn)楦玫男阅茉试S存儲(chǔ)設(shè)備在空閑時(shí)花費(fèi)更多時(shí)間。

NVMe 的優(yōu)勢(shì)、開(kāi)放規(guī)范和行業(yè)支持表明它可能會(huì)成為未來(lái)的客戶(hù)端存儲(chǔ)協(xié)議，但即使在客戶(hù)端空間中采用也需要時(shí)間。NVMe 作為一種全新的存儲(chǔ)協(xié)議，不兼容 AHCI，需要系統(tǒng)和軟件層面的支持。作為高效訪問(wèn) SSD 的標(biāo)準(zhǔn)，NVMe 允許以原生 PCIe 速度運(yùn)行的非專(zhuān)有固態(tài)存儲(chǔ)，但在發(fā)生巨變之前，SATA/AHCI 將繼續(xù)提供可靠性、性能和兼容性的最佳組合嵌入式應(yīng)用程序。

嵌入式空間中的 M.2

M.2 作為小尺寸規(guī)格的優(yōu)勢(shì)不僅在于其對(duì)下一代高性能 SSD 的潛力，還在于其向后兼容性。在通過(guò)多通道 PCIe 支持高性能 SSD 的同時(shí)，M.2 還支持 SATA、USB 和單通道 PCIe。隨著 NVMe 等待市場(chǎng)采用，基于 SATA 的第一代 M.2 存儲(chǔ)卡和 M.2 外圍卡可以讓空間受限的系統(tǒng)受益于更小、更靈活的外形以及 SATA 的可靠性和兼容性。

對(duì)于一般嵌入式應(yīng)用，mSATA 和 mPCIe 不會(huì)很快出現(xiàn)。工業(yè)應(yīng)用具有適度的性能需求，而是強(qiáng)調(diào)可靠性和一致性。即使對(duì)于性能驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，近期的價(jià)值主張也是微不足道的，因?yàn)?M.2 SSD 的全部性能優(yōu)勢(shì)需要 NVMe 支持或?qū)Ｓ序?qū)動(dòng)程序才能實(shí)現(xiàn)原生 PCIe 速度。在嵌入式應(yīng)用程序能夠享受這種性能水平之前，存儲(chǔ)環(huán)境需要時(shí)間來(lái)支持 NVMe，因此當(dāng)前一代的 M.2 SSD 可能比嵌入式領(lǐng)域的 mSATA 模塊更難賣(mài)。同時(shí)，mPCIe 目前為通用嵌入式外圍設(shè)備（如顯卡或 Wi-Fi 模塊）提供了足夠的帶寬。

M.2 的嵌入式未來(lái)

M.2 在尺寸和容量方面的直接優(yōu)勢(shì)以及 NVMe 在功耗和性能方面的潛在優(yōu)勢(shì)意味著嵌入式 OEM 和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要了解這種新興格式，但在 M.2 生態(tài)系統(tǒng)成熟之前，其當(dāng)前的對(duì)嵌入式和工業(yè)市場(chǎng)的影響將僅限于空間最受限的應(yīng)用。隨著 M.2 物理接口和 NVMe 主機(jī)控制器接口支持的廣泛采用，M.2 接下來(lái)將影響對(duì)性能敏感的嵌入式應(yīng)用，但大多數(shù)工業(yè)嵌入式系統(tǒng)的可靠性和魯棒性要求意味著 mSATA/mPCIe 仍將是小型形式未來(lái)幾年大多數(shù)工業(yè)解決方案的選擇因素。

審核編輯：郭婷