PCIe技術介面於工控領域的發展趨勢與應用
- DIGITIMES企劃
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NAND Flash快閃記憶體速度飛快的進展，制定中的ONFI v4.0將使用1.2V的DDR3的傳輸介面技術，單通道Flash傳輸速率將挑戰800MB/s；過去以SATAⅢ(6Gbps)做為傳輸介面的SSD固態硬碟產品，即將面對傳輸介面速度無法突破的瓶頸與限制；PCIe介面技術即將蓄勢待發，從M.2、SATA Express、PCIe x16附加卡，與SFF-8639新型介面的提出，都是儲存裝置業者亟欲突破效能限制下，成為新一代SSD產品效能突破的唯一解決方案...
宜鼎國際(Innodisk)工控FLASH事業處協理吳錫熙，從快閃儲存裝置在工業控制領域的應用，儲存傳輸介面從IDE、SATA與其他介面規格的世代演進，PCIe介面與各種介面尺寸與最後總結做說明。他指出NAND Flash製程技術，每年都在持續進展，從2006年的60nm，2007年的50nm，2008年的42nm，2009年的34nm，2010年的27nm，2011年的24nm，2012年的21nm，以及2013年到目前2014年初的19nm製程。
而目前工控主流的儲存裝置，還是使用抹寫、耐受度較高的SLC為主流，製程在42？21nm。至於MLC從2012年起也開始滲透進入工控領域的應用，製程則在21？19nm為主。TLC則因為其抹寫次數更低，加上TLC與MLC的價差不若SLC與MLC的價差那樣懸殊，目前TLC的應用上，仍然以消費性電子產品為主，尚未被工控市場所使用；至於何時工控市場才會導入TLC，仍有待後續觀察。
從Flash效能的演進來看，無論是ONFI或Toggle mode已經成為Flash的主流介面規格。ONFI v3.1/Toggle mode 2.0規格下，Flash均採用到DDR2的介面傳輸技術，傳輸速率已經來到了400MB/s(ONFI v3.1)或533MB/s(ONFI v3.2)，工作電壓也降到僅1.8V(SSTL_18)；目前規劃中的ONFI v4.0已經使用到DDR3的傳輸介面技術，工作電壓降到1.2V，使單通道Flash傳輸速率最高挑戰到800MB/s。
以ONFI 3.2 NV-DDR2效能論斷，選用16KB Page MLC並使用Cache Read/Cache Program情況下，以單通道的1die、2dies、4dies、8dies的讀取速度高達533MB/s，寫入速度則分別達到20MB/s、41MB/s、82MB/s、164 MB/s。若是以16KB Page SLC顆粒，同樣在Cache Read/Cache Program情況下，寫入速度更高達73MB/s、146MB/s、291MB/s、533MB/s(滿載情況)。因此目前SATAⅢ (SATA 6G)的600MB/s速率，即將成為Flash顆粒的傳輸瓶頸；要設計更高傳輸速率的SSD，勢必要轉向下一代更高速的傳輸介面，並且及早因應。
SATA仍為工控介面主流 未來將轉向Mini PCIe/M.2
Flash在工控上的應用，SLC Flash被大量的使用於嵌入式裝置，做為嵌入式作業系統的開機儲存裝置，容量大多在2GB以下；當儲存裝置超過32GB時，選用MLC Flash具備較高的成本效益。
當儲存容量小於2GB且具備較高的存取需求的環境下，SLC可應用於嵌入式OS作業硬碟，提供較高的可信賴度與較佳使用壽命，像是工控電腦(Industrial PC)、遊戲機(Gaming)、自動化設備(Automation)與軍用設備(Military Equipment)等；而裝置容量需求大於32GB時，可選用MLC做為應用程式的資料碟，提供較高的SSD容量，並以成本效益為導向，像是監控設備(Surveillance)、零售裝置(POS)、網通設備(Networking)與電子看板(Digital Signage)等領域的應用。
從一塊工控應用的主機板來看，上面設計提供了許多連接儲存裝置的連接介面。從可連接傳統40pin IDE介面的PATA CF/IDE DOM(Disk On Module)，1.8吋SATA或2.5吋SATA介面的SSD，連接SATA介面的SATA DOM、mSATA、SATA Slim、Cfast或CF-SATA記憶卡，連接10pin USB接頭的USB Module，透過讀卡機介面讀取的SD/micro SD記憶卡，以及內建於主機板上的eMMC、uSSD等單晶片碟等。
這以上的種種介面，都是因為因為工控產品具備至少五年以上的產品壽命，過去許多傳輸裝置的連接介面，因應設備銜接或客戶需求，在新版主機板仍被保留下來好幾年；同時多樣化的連接介面，可涵蓋廣泛且差異化的各種不同應用。也由於系統空間的限制，使得小尺寸連接介面被需要，但目前SATA仍舊是可說是工控應用的主流傳輸介面。
介面速率世代演進 PCIe終成最後依歸
吳錫熙列出SSD外觀╱尺寸與傳輸介面的演進。1995年CompactFlash(CF)卡，其傳輸速率僅8.3 MByte/s (PIO mode 2)；1999年由SanDisk、Matsushita與Toshiba 共同開發推出Secure Digital(SD)記憶卡規範；2003年1月推出SATA Rev 1.0a規範，傳輸速率提高到150MB/s(1.5Gbps)，2003年PCI-SIG組織首度介紹PCIe 1.0a，單線道(1x plane)傳輸速率達250MB/s(2.5Gbps)。2006年SATA Rev 2.0推出，傳輸速率提高到300MB/s(3Gbps)，2007年1月PCI-SIG發表PCIe 2.0規範，單線道(1x plane)傳輸速率達500MB/s(5Gbps)。
到2008年6月SATA Rev 3.0介面規格，傳輸速率提高到600MB/s(6Gbps)；2009年JEDEC制定SATA Slim(MO-297A)，同年9月SATA-IO組織推出mSATA介面，到2010年PCIe Gen3推出，提供單線道1GB/s(8GT/s)。2011年出現SATA Express介面，2012年英特爾(Intel)推出M.2(NGFF)介面，高速傳輸介面規格仍持續演進。
PCI Express(PCIe)介面演進，PCIe 1.0採用8b/10b編碼法則，單線道(x1)傳輸速率為2.5GT/s(250MB/s)，最長的16線道(x16)傳輸速率達4GB/s；到PCIe 2.0同採用採用8b/10b編碼法則，單線道(x1)傳輸速率為5GT/s(500MB/s)，16線道(x16)傳輸速率達8GB/s；當PCIe 3.0導入時，改採128b/130b編碼原則，單線道(x1)傳輸速率為8GT/s(1GB/s)，最長的16線道(x16)傳輸速率達16GB/s；制定中的PCIe 4.0規範，預計x1的傳輸速率從16GT/s(2GB/s)起跳，x16模式下的傳輸速率將達到32GB/s。
PCIe介面形式與相關產品的市場趨勢
PCIe form factor介面外觀非常多元。有採52pin插卡式的Mini PCIe，搭配雲端運算與資料中心；PCIe x16則用於繪圖顯示卡，以及強調高IOPS的PCIe SSD卡所使用；M.2(NGFF)是Intel於2012年提出的規範，有2242/2260/2280三種尺寸規範，目前用於Ultrabook。
2.5吋的SSD過去使用SATAⅢ(600MB/s)介面。而SATA Express結合傳統SATA介面與PCIe介面，能跟傳統SATA接頭相容，並提供x2 雙線道；以PCIe 2.0/3.0 x2規格可達到1GB/s、2GB/s。華碩(ASUS)有展示採SATA Express介面設計的主機板，其介面可以插傳統SATA排線接頭或從PCIe的連接線接頭。
最後則是SFF-8639介面，目前由企業級2.5吋儲存裝置的背板(Back Panel)所使用。它可以連接PCIe、SATA與SAS等儲存裝置，並能與SATA Express介面接頭相容。SFF-8639規格預留六線道PCIe，但一次最多只能使用x4四線道；以PCIe 2.0/3.0規格，其傳輸速率可提高到2GB/s、4GB/s。
SFF-8639規格在業界支援上，已經有像戴爾(Dell) PowerEdge R820/R720 1U Server，連接背板與擴充槽上的PCIe HBA介面卡連接，此外蘋果(Apple)的MacBook Air、與部份MacBook Pro等筆電已經開始採用。但在工控電腦╱主機板上還不多見。美光(Micron)首推企業級使用的P320h 2.5吋PCIe SSD，採用SFF-8639連接介面，規格上支援到x4 PCIe Gen2，循序讀寫速度高達1.75GB/s、1.1GB/s。
而採用PCIe介面開發x16附加卡形式的SSD(PCIe SSD Card)廠商，像OCZ的Z-Drive R4(PCIe-SATA+SATA SSD)，以及Micron的P420m、Fusion IO ioDrive2、Seagate X8(Virident)與OCZ的Z-Drive R5等原生PCIe SSD卡，這些PCIe SSD附加卡提供伺服器最需要的高IOPS，傳輸速率達1.5？3GB/s，甚至達6.5GB/s。
工控電腦主機板上，有(L) 50.8mm x(W) 29.8mm x(H) 4.4mm的miniPCIe插槽。過去這個插槽是來安裝Intel的Wi-Fi無線網卡模組，也有廠商改成大小╱腳位數相當但不相容的mSATA插槽。M.2(NGFF)則是可作為過去miniPCIe、USB、SDIO、UART、PCM、I2C、SATA(mSATA)等附加卡相容的新一代插槽╱介面規格。有Socket 1 Type1630/2230/3030、Socket 2規格有Type 2242/3042，則提供到PCIe x2/SATA規格；Socket 3有Type2260/2280/22110，提供到PCIe x4/SATA規格。
PCIe介面從Mini PCIe、M.2、2.5吋使用的SATA Express、SFF-8639，到採x16設計的PCIe SSD Card，從x1、x2、x4到最高x16的PCIe線道╱高傳輸速度。未來PCIe介面勢必取代現有老舊的SATAⅢ介面，而成為未來的儲存裝置規格新主流。依照過去儲存裝置的規格世代，從過渡與轉換的時間歷程花費約3？5年來看，吳錫熙預估到2015年，PCIe會成為SSD的規格主流；加上Apple MacBook Air/MacBook Pro已經導入M.2與SFF-8639規格來看，整個SSD產業的轉進速度還會加快，2014年下半起，採取PCIe介面技術的各式SSD產品，會大量出現在市面上。
