W miarę jak komputery stają się coraz mniejsze, muszą to być również komponenty sprzętowe, takie jak dyski pamięci masowej. Wprowadzenie dysków półprzewodnikowych umożliwiło tworzenie cieńszych konstrukcji, takich jak Ultrabooki, ale kolidowało to ze standardowym interfejsem SATA.
Interfejs mSATA został zaprojektowany w celu stworzenia karty o cienkim profilu, która może współpracować z interfejsem SATA. Nowy problem pojawił się, gdy standardy SATA 3.0 ograniczyły wydajność dysków SSD. Aby rozwiązać te problemy, trzeba było opracować nową formę interfejsu kart kompaktowych.
Początkowo nazywany NGFF (Next Generation Form Factor), nowy interfejs został ustandaryzowany z interfejsem dysku M.2 zgodnie ze specyfikacją SATA w wersji 3.2.
Większe prędkości
Podczas gdy rozmiar jest czynnikiem przy opracowywaniu interfejsu, szybkość dysku jest równie istotna. Specyfikacje SATA 3.0 ograniczyły rzeczywistą przepustowość dysku SSD na interfejsie dysku do około 600 MB/s, co osiągnęło wiele dysków. Specyfikacje SATA 3.2 wprowadziły nowe, mieszane podejście do interfejsu M.2, podobnie jak w przypadku SATA Express.
W istocie, nowa karta M.2 może korzystać z istniejących specyfikacji SATA 3.0 i być ograniczona do 600 MB/s. Lub może korzystać z PCI-Express, który zapewnia przepustowość 1 GB/s zgodnie z aktualnymi standardami PCI-Express 3.0. Ta prędkość 1 GB/s dotyczy pojedynczej linii PCI-Express, ale możliwe jest użycie wielu linii. Zgodnie ze specyfikacją M.2 SSD można używać do czterech linii. Użycie dwóch pasów teoretycznie zapewniłoby 2,0 GB/s, podczas gdy cztery pasy zapewniłyby do 4,0 GB/s.
W przypadku ostatecznego wydania PCI-Express 4.0 prędkości te faktycznie podwoiłyby się. Wydanie PCI-Express 5. W roku 2017 przepustowość wzrosła do 32 GT/s, przy 63 GB/s w konfiguracji 16-liniowej. PCI-Express 6.0 (2019) przyniósł kolejne podwojenie przepustowości do 64 GT/s, pozwalając na 126 GB/s w każdym kierunku.
Nie wszystkie systemy osiągają takie prędkości. Napęd M.2 i interfejs muszą być ustawione w tym samym trybie. Interfejs M.2 korzysta ze starszego trybu SATA lub nowszych trybów PCI-Express. Napęd wybiera, którego użyć.
Na przykład dysk M.2 zaprojektowany ze starszym trybem SATA jest ograniczony do 600 MB/s. Podczas gdy dysk M.2 jest kompatybilny z PCI-Express do czterech linii (x4), komputer używa tylko dwóch linii (x2). Daje to maksymalną prędkość 2,0 GB/s. Aby uzyskać największą możliwą prędkość, sprawdź, co obsługuje napęd i komputer lub płyta główna.
Mniejsze i większe rozmiary
Jednym z celów projektu dysku M.2 było zmniejszenie całkowitego rozmiaru urządzenia pamięci masowej. Udało się to osiągnąć na kilka sposobów. Po pierwsze, karty były węższe niż w poprzednim formacie mSATA. Karty M.2 mają szerokość 22 mm, w porównaniu do 30 mm mSATA. Karty są również krótsze i mają 30 mm długości, w porównaniu do 50 mm mSATA. Różnica polega na tym, że karty M.2 obsługują dłuższe długości do 110 mm. Oznacza to, że dyski te mogą być większe, co zapewnia więcej miejsca na chipy, a tym samym większą pojemność.
Oprócz długości i szerokości kart, dostępna jest opcja jedno- lub dwustronnych płyt M.2. Płyty jednostronne zapewniają cienki profil i są przydatne w przypadku ultracienkich laptopów. Dwustronna płyta pozwala na zainstalowanie dwa razy więcej chipów na płycie M.2, co zapewnia większą pojemność pamięci. Jest to przydatne w przypadku niewielkich aplikacji komputerowych, w których miejsce nie jest tak istotne.
Problem polega na tym, że oprócz miejsca na długość karty, musisz wiedzieć, jaki rodzaj złącza M.2 znajduje się w komputerze. Większość laptopów używa tylko jednostronnego złącza, co oznacza, że laptopy nie mogą używać dwustronnych kart M.2.
Tryby poleceń
Od ponad dekady firma SATA sprawia, że pamięć masowa jest operacją typu plug-and-play. Wynika to z prostego interfejsu i struktury poleceń AHCI (Advanced Host Controller Interface).
AHCI to sposób, w jaki komputery komunikują instrukcje z urządzeniami pamięci masowej. Jest wbudowany we wszystkie nowoczesne systemy operacyjne i nie wymaga instalowania dodatkowych sterowników podczas dodawania nowych dysków.
AHCI został opracowany w erze, w której dyski twarde miały ograniczoną zdolność przetwarzania instrukcji ze względu na fizyczną naturę głowic dysków i talerzy. Wystarczyła jedna kolejka poleceń z 32 poleceniami. Problem polega na tym, że dzisiejsze dyski półprzewodnikowe potrafią znacznie więcej, ale nadal są ograniczone przez sterowniki AHCI.
Struktura poleceń i sterowniki NVMe (Non-Volatile Memory Express) zostały opracowane w celu wyeliminowania tego wąskiego gardła i poprawy wydajności. Zamiast korzystać z pojedynczej kolejki poleceń, zapewnia do 65 536 kolejek poleceń, z maksymalnie 65 536 poleceniami na kolejkę. Pozwala to na bardziej równoległe przetwarzanie żądań odczytu i zapisu pamięci masowej, co zwiększa wydajność w porównaniu ze strukturą poleceń AHCI.
Chociaż to jest świetne, jest mały problem. AHCI jest wbudowane we wszystkie nowoczesne systemy operacyjne, ale NVMe nie. Sterowniki muszą być zainstalowane na istniejących systemach operacyjnych, aby w pełni wykorzystać możliwości dysków. To jest problem dla wielu starszych systemów operacyjnych.
Specyfikacja dysku M.2 dopuszcza jeden z dwóch trybów. Ułatwia to przyjęcie nowego interfejsu z istniejącymi komputerami i technologiami. Wraz z poprawą obsługi struktury poleceń NVMe, te same dyski mogą być używane w tym nowym trybie poleceń. Jednak przełączanie między tymi dwoma trybami wymaga ponownego sformatowania dysków.
Większe zużycie energii
Komputer mobilny ma ograniczony czas pracy w zależności od rozmiaru baterii i mocy pobieranej przez jego komponenty. Dyski półprzewodnikowe zmniejszają zużycie energii przez komponent pamięci masowej, ale jest miejsce na ulepszenia.
Ponieważ interfejs M.2 SSD jest częścią specyfikacji SATA 3.2, zawiera inne funkcje poza interfejsem. Obejmuje to nową funkcję o nazwie DevSleep. Ponieważ coraz więcej systemów jest zaprojektowanych tak, aby przechodzić w tryb uśpienia po zamknięciu lub wyłączeniu, zamiast całkowicie się wyłączać, bateria jest stale pobierana, aby niektóre dane były aktywne i można je było szybko odzyskać po przebudzeniu urządzenia. DevSleep zmniejsza ilość energii zużywanej przez urządzenia, tworząc nowy stan o niższym poborze mocy. Powinno to wydłużyć czas działania komputerów w trybie uśpienia.
Problemy z uruchamianiem
Interfejs M.2 to postęp w zakresie przechowywania i wydajności komputera. Komputery muszą korzystać z magistrali PCI-Express, aby uzyskać najlepszą wydajność. W przeciwnym razie działa tak samo, jak każdy istniejący dysk SATA 3.0. Nie wydaje się to wielkim problemem, ale jest to problem z wieloma pierwszymi płytami głównymi, które wykorzystują tę funkcję.
Dyski SSD zapewniają najlepsze wrażenia, gdy są używane jako dysk główny lub rozruchowy. Problem polega na tym, że istniejące oprogramowanie Windows ma problem z uruchamianiem wielu dysków z magistrali PCI-Express, a nie z SATA. Oznacza to, że posiadanie dysku M.2 korzystającego z PCI-Express nie będzie głównym dyskiem, na którym zainstalowany jest system operacyjny lub programy. Rezultatem jest szybki dysk danych, ale nie dysk rozruchowy.
Nie wszystkie komputery i systemy operacyjne mają ten problem. Na przykład firma Apple opracowała system macOS (lub OS X), aby używać magistrali PCI-Express dla partycji root. Dzieje się tak dlatego, że Apple przestawił swoje dyski SSD na PCI-Express w MacBooku Air z 2013 roku – przed sfinalizowaniem specyfikacji M.2. Firma Microsoft zaktualizowała system Windows 10, aby obsługiwał nowe dyski PCI-Express i NVMe. Starsze wersje systemu Windows mogą również działać, jeśli sprzęt jest obsługiwany i zainstalowane są sterowniki zewnętrzne.
Jak za pomocą M.2 można usunąć inne funkcje
Kolejny problem, szczególnie w przypadku płyt głównych do komputerów stacjonarnych, dotyczy sposobu połączenia interfejsu M.2 z resztą systemu komputerowego. Istnieje ograniczona liczba linii PCI-Express między procesorem a resztą komputera. Aby użyć gniazda karty M.2 zgodnego z PCI-Express, producent płyty głównej musi usunąć te linie PCI-Express z innych elementów systemu.
Jak te linie PCI-Express są podzielone między urządzenia na płytach jest głównym problemem. Na przykład niektórzy producenci współdzielą linie PCI-Express z portami SATA. W związku z tym korzystanie z gniazda dysku M.2 może zużywać ponad cztery gniazda SATA. W innych przypadkach M.2 może dzielić te linie z innymi gniazdami rozszerzeń PCI-Express.
Sprawdź, jak zaprojektowano płytę, aby upewnić się, że M.2 nie będzie zakłócać potencjalnego wykorzystania innych dysków twardych SATA, napędów DVD, napędów Blu-ray lub innych kart rozszerzeń.
