企业存储技术 · 2023年12月05日

PCI Express 6.0时代:M.2 NVMe SSD尚能饭否?

目录

  • PCIe 6.0的PAM4编码与信号质量要求
  • PCI Express M.2 Specification Revision 6.0 v0.3草案
  • PCI Express M.2 Specification Revision 5.0回顾

前不久PCI-SIG发布了PCI Express M.2 Specification Revision 6.0, Version 0.3,还是早期版本。

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早在几年前,我就看到有朋友讨论过U.2、M.2这些传统NVMe SSD接口(连接器)能否胜任PCIe 5.0,现在东西都出来了。其实当时大家担心的主要不是信号质量,而是供电和散热。

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为了使PCIe 5.0 M.2 SSD能充分发挥10GB/s+的性能,尺寸大一点的散热片是少不了的。更有散热器厂商推出了上图这样能支持45W功耗的玩意儿。如果是塞进普通轻薄笔记本就 不要想了,台式机也要确保M.2插槽附近有充足的空间吧。

到未来PCIe Express 6.0时代呢?我们暂时先不考虑性能需求,看看技术上的可行性。

PCIe 6.0的PAM4编码与信号质量要求

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为了在PCIe 5.0基础上将速率翻倍达到64 GT/s,PCIe 6.0改用PAM4编码信号,使用4个电压等级来达到在每个时钟周期信号的上升和下降沿,各传输2 bit数据。(如果我理解有误请读者朋友不吝指正)

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左边是传统的NRZ信号,右边则是PAM4,眼图变得复杂,对信号质量提出了更高要求。

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高频信号在PCB板上都是靠铜线传输的。从上图来看,由于时钟频率保持16 GHz,PCIe 6.0似乎可以沿用PCIe 5.0对电路的要求,但协议复杂度/冗余要求应该是提高了,比如在1b/1b编码上引入FEC(前向纠错)等。

PCI Express M.2 Specification Revision 6.0草案

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从这次的文档一开始,就提到64GT/s的PAM4信号速率。

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直到文档的最后,PCI-SIG才提到:“功耗和散热需求将要被讨论”…

PCIe 6.0距离实用还有点远,反而是SSD等5.0接口设备将在这两年开始进入主流市场,下面我再聊点接地气的。

PCI Express M.2 Specification Revision 5.0回顾

-目标应用:适配器功能

❑ Wi-Fi

❑ Bluetooth (BT)

❑ Global Navigation Satellite Systems (GNSS)

❑ Near Field Communication (NFC)

❑ WiGig

❑ WWAN (2G, 3G, and 4G)

❑ Solid-State Storage Devices (SSD)

❑ Other and Future Solutions (e.g., Hybrid Digital Radio (HDR))

❑ Hardware Accelerator

-主机接口协议

❑ PCIe

❑ SPI

❑ HSIC

❑ SSIC

❑ M-PCIe

❑ USB

❑ SDIO

❑ UART

❑ PCM/I2S

❑ I2C

❑ SMBus

❑ SATA

❑ DisplayPort

❑ All future variants of the interfaces in this list

-适配器尺寸

❑ Type 1113

❑ Type 1216

❑ Type 1620

❑ Type 1630

❑ Type 2024

❑ Type 2226

❑ Type 2228

❑ Type 2230

❑ Type 2242

❑ Type 2260

❑ Type 2280

❑ Type 2828

❑ Type 3026

❑ Type 3030

❑ Type 3042

❑ Type 3052

❑ Type 3060

❑ Type 22110

❑ Type 25110

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我想除了少部分工种之外,大多数做技术的朋友应该不会接触到这么多M.2 Form Factor。

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“thermal dissipation”(热耗散)这个名词您可以理解为等于功耗,用掉的电都会转化为热能这个没毛病吧。

上面图表对SSD的1.74W估值我觉得偏低,显然不是当前典型PCIe 5.0 M.2 SSD的最大或者说满载功耗。可能是PCI-SIG计算的平均功耗,也可能他们认为在一般桌面PC应用中,高速SSD空闲或者等待CPU处理的时候比较多吧。

这里的SSD组成部分,按照1颗ASIC、DRAM缓存、4颗NAND闪存以及Power电源部分来统计,ASIC主控占据了整体功耗的86%。

SSD的估值偏低,而WWAN(4G/5G)无线网卡的3.25W(最差情况)反而显得最高,这是因为PA(功率放大器)在信号不好时的需要加大功耗——最多达到WWAN网卡整体的43%,超过基带的32%。

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4颗NAND芯片组成的M.2 SSD,最常见的应该就是2280双面规格。在其它条件差不多的情况下,这种固态盘对散热的要求也会比2280单面和2230尺寸的高一些。

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为了验证估值(拍脑袋)是否靠谱,笔记本和台式机厂商应该会做热仿真以及实际测试。上图仅是一个示例,具体机型的结构布局就是五花八门了。

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上图截自Dell Latitude 5540(15寸)商用笔记本技术文档,我们可以看到包括SSD1(2280/2230通用)、SSD2(2230)、WLAN(WiFi+蓝牙,2230)和WWAN(3042/3052)一共四个M.2插座。

这几年我拆过不少笔记本,最常看到的一大块空闲就是WWAN位置,因为多数用户不会选配,但商用本又不能不设计对它的支持。4G移动网卡尺寸通常是M.2 3042,有些5G WWAN就是3052尺寸了。

今天在售的笔记本、台式机还很少有PCIe 5.0的真实需求,因为PCIe 4.0 SSD的4000-7000 MB/s的性能足以满足绝大多数人。另外,笔记本对功耗和散热的限制又多一些。比如最新一代中高端的13-14英寸轻薄本已经普遍改用2230 SSD,包括1TB的价格也相对不贵。

尽管PCIe 4.0的性能当前一般够用,但有朝一日到了5.0换代时也得面对现实。比如NAND通道不够多、撑不起接口性能?功耗会不会超过系统要求等。还有一个办法就是适当做减法(“限制”性能),这样就容易满足SSD主控ASIC需要的散热能力了。

参考资料

PCI Express M.2 Specification Revision 6.0, Version 0.3

PCI Express M.2 Specification Revision 5.0, Version 0.9

链接:https://pan.baidu.com/s/1fOBs...

提取码:pf2q

作者:唐僧 huangliang
原文:企业存储技术

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