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M.2

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mSATA SSD (左) 與 M.2 2242 SSD (右) 的尺寸對比
全尺寸的M.2固態硬碟

M.2電腦內部擴充卡及相關連接器的外觀尺寸與針腳的電氣介面規範。採用了全新的物理布局和連接器,以取代PCI Express(PCIE)mSATA介面標準。

M.2是由 PCI-SIG 和 SATA-IO 標準組織所開發,PCI-SIG M.2 和 SATA Rev. 3.2 規格中皆有其定義。原本稱為 NGFF (Next Generation Form Factor),隨後於 2013 年正式重新命名為 M.2。許多人仍稱 M.2 為 NGFF。

最早商業化應用是由Intel 所主推的一種全新介面規範,用以取代 mSATA,並首先匯入到筆電平台,目的同樣是為了推動小型化系統的發展,不過 Intel 在制訂M.2介面的規範時,並未限制其所使用的訊號協定,僅定義了尺寸規格與工作電壓等項目,也因此M.2得以相容於多種介面訊號控制器,包括 SATA、PCIe、USB、音訊等等,對於廠商在設計產品時,可提供更高的自由度。小型的 M.2 外觀尺寸適用於許多擴充卡類型,例如 Wi-Fi、藍牙、衛星導航、近距離無線通訊 (NFC)、數位無線電、無線千兆聯盟 (WiGig)、無線廣域網路 (WWAN) 和固態硬碟 (SSD)。

M.2具有靈活的物理規範,允許更多種類的模組寬度與長度,並與更進階的介面相配,使M.2比mSATA更適合日常應用,尤其是用於超極致筆電平板電腦等裝置的固態硬碟[1][2][3]

M.2連接器可使用PCI Express 3.0(最多4個通道)、SATA 3.0USB 3.0電腦匯流排。理論上M.2介面最多可提供PCI Express x4的頻寬 (電腦)

M.2連接器有幾種不同的插槽形式,代表著M.2主機和模組不同的目的和功能,避免使用者將M.2模組插入到功能不相容的主機連接器中。[1][2][4]

M.2可使用AHCI邏輯裝置介面以支援傳統的SATA匯流排,也可使用NVMe作為PCI Express匯流排的邏輯裝置介面。使用AHCI支援SATA能確保軟體層面對傳統SATA裝置的向下相容性,而採用NVM Express的設計則能充分利用PCI Express儲存裝置的高效能,同時執行大量I/O操作。[1][5]

特性[編輯]

SATA Express軟體體系結構的一個高層次概覽,這也適用於M.2。[1]:14它支援傳統SATA和PCI Express儲存裝置,包括AHCI和NVMe作為邏輯裝置介面。[5]

匯流排分拆M.2連接器為PCI Express 3.0、Serial ATA (SATA) 3.0或USB 3.0(對USB 2.0向下相容)。也因如此,M.2模組可以集結多種功能,包括Wi-Fi藍牙衛星導航近場通信(NFC)、數位廣播、無線千兆聯盟(WiGig)、無線廣域網路英語Wireless WAN(WWAN)和固態硬碟(SSD)。[6]2013年8月SATA 3.2的版本規範中,正式將M.2設為新的儲存裝置格式,並對其硬體格式作出定義。[1]:12[7]

M.2規範提供最多四個PCI Express通道和一個邏輯性SATA 3.0 埠(Port)(6 Gbit/s),且全部都是通過同一個連接器分拆而成。被分拆的PCI Express通道對主機與儲存裝置提供一個純PCI Express連接,且沒有額外的匯流排抽象層[8]在2013年10月的PCI-SIG推出的M.2規範1.0版本中,則提供了詳細的M.2規範。[1][9]

有三種邏輯裝置介面和M.2儲存裝置介面命令集的選項可用,這可根據M.2儲存裝置的類型和作業系統的支援性選用:[1][5][8]

傳統SATA
用於SATA SSD,以及通過M.2連接器分拆出的AHCI驅動程式和舊式SATA 3.0 埠(6 Gbit/s)。
使用AHCI的PCI Express
用於PCI Express SSD和通過AHCI驅動程式和PCI Express通道提供的介面,使用AHCI存取PCI Express SSD,利用廣泛的SATA支援在作業系統層面以提供非最佳效能的向下相容。開發AHCI的時候, 系統的主機匯流排配接器 (HBA)的用途是將CPU/記憶體子系統通過一個相比慢得多的基於旋轉磁媒介的儲存子系統相連,正因如此,AHCI在用於SSD裝置時有一些原生的低效能問題,因為其行為更類似DRAM而非旋轉磁媒介
使用NVMe的PCI Express
用於PCI Express SSD和通過NVMe驅動程式和PCI Express通道提供的介面,作為一個高效能並可延伸的主機連接器介面設計,尤其是專門為PCI Express SSD的介面而最佳化。NVMe已全新設計,為PCI Express SSD提供低延遲和並列性,助益現代CPU、平台和應用程式的並列性。在高層次水平,NVMe相比AHCI的主要優勢是NVMe能充分、並列地利用主機的硬體和軟體,它的設計優勢包括更少的資料傳輸層級,更大的命令佇列,以及更有效的中斷處理。

資料傳輸方式:

M.2 SATA:硬碟→記憶體→CPU→記憶體→硬碟
M.2 NVMe:硬碟→CPU→硬碟

由於M.2 NVMe固態硬碟的資料傳輸是走PCI-e通道,通過匯流排與CPU直連,省去記憶體調用硬碟的步驟,因而能夠達到最大的傳送速率和資料量。

M.2模組規格及插槽防呆位置(或稱防呆鍵位)[編輯]

電腦主機板的M.2插座,位於圖片的左上。該插座的類型為M key,提供兩個螺栓固定點,允許2260和2280尺寸的M.2模組。

M.2模組是被安裝到主機電路板提供匹配的連接器,並且使用一個安裝螺釘固定模組到指定位置。組件可能被安裝在M.2模組的任意側面,實際的模組類型限定了可以安裝的組件最大厚度;允許的組件最大厚度是每側1.5毫米。有多種用於單側或雙側的M.2模組主機端連接器,根據M.2擴充卡和主機PCB的情況提供不同的空間量。[3][4][10]主機上的電路板通常被設計為能接受多種長度的M.2模組,這也意味著接受較長M.2模組的插座通常也能接受較短的同類模組,只需要為較短的模組提供不同位置的安裝螺釘。[11][12]

M.2模組的外形是長方形,在短邊一側有一個連接器(臺灣俗稱「金手指」,有最多67針的75個點位,0.5毫米間距,各針分布在PCB的兩短邊),並在另一側短邊的中心有一個半圓形安裝固定孔。連接器上的各引腳額定最多50V和0.5A,而連接器本身要求耐受最低60次拔插。M.2標準允許模組寬度為12、16、22和30毫米,長度16、26、30、38、42、60、80和110毫米。市售M.2 擴充卡主要是22毫米寬度,長度有30、42、60、80和110毫米等規格[2][4][10][13]。對於固態硬碟適用的 M.2 模組,最常見的尺寸為 22mm (寬) x30mm (長)、22mm x 42mm、22mm x 60mm、22mm x 80mm 和 22mm x 110mm。這些擴充卡將會依據上述的尺寸來稱呼:前兩位數代表寬度 (都是 22mm),而剩餘的位數則是代表長度,從 30mm 起到 110mm 長。因此,M.2 固態硬碟被區分為 2230、2242、2260、2280 和 22110[14]

M.2標準的設計目的是為了修訂和完善mSATA標準,較小的印刷電路板(PCB)可能是其主要誘因之一。隨著mSATA帶來PCI Express Mini Card的外形和連接器優勢,M.2的設計旨在最大化利用PCB空間並最小化模組空間。作為其設計結果,M.2標準允許更長的模組和雙面組件群,M.2 SSD裝置可以提供更大的儲存容量,與mSATA裝置占用同樣空間,但提供雙倍的儲存容量。[1][3][15]

M.2模組的PCB板提供最多75個點位的連接器;取決於模組類型,部分針位被去除以存在一個或多個防呆鍵位。主機上的M.2連接器(插槽)可能填充一個或多個匹配的介面,這取決於主機可接受的模組類型;截至2014年4月,主機側的連接器可以只填充一個防呆鍵位(無論B key或 M Key)[4][10][16][17]。此外,用於SATA或雙連結PCI Express (PCIe ×2)的M.2插槽被稱為"socket 2 configuration"或者"socket 2",用於四通道PCI Express (PCIe ×4)的插槽被稱為"socket 3 configuration"或"socket 3"[1][18]

插槽形式及其變化

考量到 PCIe/SATA/USB 等不同介面之裝置皆可以轉設計為 M.2 之型式,因此 M.2 其並非專屬於 SSD 之格式規範,各自之腳位訊號與電氣特性皆存在著極大差異。M.2/NGFF 為此定義了多組的插槽防呆位置(或稱防呆鍵位,目前存在於實體產品之型式計有 A/B/E/M key),來避免不同硬體介面裝置因針位腳座尺寸相近,而產生混插或誤插之情事,最後導致不正常運作或損壞之困擾。整體而言,不同的金手指防呆位置,可讓消費者於安裝使用 M.2 裝置時,可獲得最低程度之依循法則。以實例來說,我們因為防呆鍵位的限制,而無法將 M.2 Wi-Fi 網卡硬塞到 M.2 SSD 的插槽之中[19]

Socket 1主要針對無線網卡,對應的防呆鍵位為A Key。M.2 SSD 主要適用於 Socket 2、Socket 3這兩種插槽,Socket 2插槽可以支援走 SATA 及 PCIe x2通道的M.2 SSD,所對應的鍵位為 B Key,而 Socket 3插槽則支援走 PCIe x4通道的M.2 SSD,對應的鍵位為 M Key,兩種插槽因為防呆缺口的位置不一樣,所以無法混用,不過市面上有些 M.2 SSD 產品為了能同時相容於兩種插槽,便把金手指的部分設計成 B+M Key 的形式,但是…能夠插得進去,不代表就能夠正常使用,因為某些主機板上的M.2插槽僅能支援 PCIe 通道,如果你插入 SATA 的M.2 SSD,那麼就會無法偵測到,除非廠商在設計時,就已經加入 SATA 及 PCIe 的控制器,使它能夠相容於兩者,這部分各家不一,只能從主機板規格表上自行查詢。另外,如果是走 SATA 通道的M.2 SSD,那麼一樣會受到6Gb/s 頻寬的限制,在傳輸效能上等同於2.5吋的 SATA SSD[20]

B與M位置的M.2鎖定槽。各針在M.2的兩側排列。[16]

舉例來說,有B Key 和M Key 型兩個防呆鍵位的M.2模組,使用最多兩個PCI Express通道並提供廣泛的相容性,而只有一個防呆鍵位的M型M.2使用最多四個PCI Express通道;以上兩例也可能提供SATA儲存裝置。類似的防呆鍵位適用於提供USB 3.0連通性的M.2模組。[4][16][21]

各種類型的M.2裝置使用「WWLL-HH-K-K」或「WWLL-HH-K」命名表示方案,其中「WW」(width,寬度)和「LL」(length,長度)分別表示以毫米為單位的模組寬度和長度。 「HH」部分是一個編碼形式,表示模組是單側或者雙側,以及已安裝組件的最大厚度,可能的值已列在右上表中。模組防呆鍵位指定在「K-K」部分,使用左上表中的key ID表示;它也可能指定為僅「K」,如果該模組只有一個缺口。[4][10]

除了插入式模組,M.2標準也包括永久焊接單面模組的選項。[10]

參見[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Jim Handy; Jon Tanguy; Jaren May; David Akerson; Eden Kim; Tom Coughlin. SNIA Webcast: All About M.2 SSDs (PDF). SNIA. September 20, 2014 [July 15, 2015]. 
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 SATA M.2 Card. SATA-IO. [September 14, 2013]. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 Mark Kyrnin. What Is M.2? New Interface and Form Factor For Compact SSD Drives in Laptops and Desktops. compreviews.about.com. [July 15, 2015]. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 M.2 Connector (NGFF) Introduction (PDF). orvem.eu. ATTEND. [January 17, 2014]. (原始內容 (PDF)存檔於February 3, 2014). 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 Dave Landsman. AHCI and NVMe as Interfaces for SATA Express Devices – Overview (PDF). SATA-IO. August 9, 2013 [July 15, 2015]. 
  6. ^ SATA-IO FAQ: What is the M.2 card and what is the status of the specification? (PDF). SATA-IO: 2. August 8, 2013 [July 15, 2015]. 
  7. ^ Serial ATA Revision 3.2 (Gold Revision) (PDF). knowledgetek.com. SATA-IO: 194–209. August 7, 2013 [July 15, 2015]. (原始內容 (PDF)存檔於March 27, 2014). 
  8. ^ 8.0 8.1 Paul Wassenberg. SATA Express: PCIe Client Storage (PDF). SATA-IO. June 19, 2013 [October 2, 2013]. 
  9. ^ PCI Express M.2 Specification Revision 1.0. PCI-SIG. 2013 [December 14, 2013]. 
  10. ^ 10.0 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 M.2 (NGFF) Quick Reference Guide (PDF). Tyco Electronics. [November 16, 2013]. 
  11. ^ M2P4S M.2 (NGFF) PCIe base SSD to PCIe ×4 Adapter. hwtools.net. February 14, 2014 [June 22, 2014]. 
  12. ^ John Burek. 2015 Guide: The Best M.2 Solid-State Drives. computershopper.com. April 14, 2015 [July 15, 2015]. 
  13. ^ Intel SSD 530 Series Arriving Next Week – Feature NGFF M.2 Interface. wccftech.com. [September 14, 2013]. 
  14. ^ SATA、NVMe 與 M.2 SSD 常見問題集 - Kingston Technology. Kingston Technology Company. [2020-10-25]. (原始內容存檔於2020-05-13) (zh-Hant-US). 
  15. ^ M.2 Frequently Asked Questions. Kingston Technology. [July 15, 2015]. 
  16. ^ 16.0 16.1 16.2 Marshall R. Buying an M.2 SSD? How to tell which is which?. Asus. April 7, 2014 [April 28, 2014]. 
  17. ^ Dell 台灣. www.dell.com. [2020-03-24]. 
  18. ^ Jack Zhang; Mark Liang. NVM Express Based Solid-State Drives: Crossing the Chasm, Going Mainstream (PDF). Intel: 39. July 4, 2015 [August 27, 2015]. 
  19. ^ M.2 SSD 選購指南——SATA、PCIe/NVMe 掌握要訣. www.autobuy.tw. [2020-10-25]. (原始內容存檔於2020-11-12) (中文). 
  20. ^ T客邦. LINE TODAY. [2020-10-25]. (原始內容存檔於2020-10-28) (中文(繁體)). 
  21. ^ 21.0 21.1 Les Tokar. Understanding M.2 NGFF SSD standardization (or the lack of). thessdreview.com. November 24, 2013 [April 28, 2014]. 

外部連結[編輯]