M.2 比當前的 Mini PCI Express （mPCIe）/Mini-SATA （mSATA） 標準更纖薄、更靈活，并沒有引入新的信號系統，而是允許通過多通道 PCI Express （PCIe） 增加數據吞吐量，并向后通過 SATA 和 USB 信號實現兼容性。在超極本、平板電腦和便攜式設備對高速、大容量存儲需求的推動下，M.2 節省空間的外形尺寸、向后兼容性和靈活性意味著它也將對嵌入式領域產生影響。

嵌入式客戶的獨特需求和要求使得在該領域采用 M.2 成為比在消費者方面更復雜的決定，但了解技術背景、其規格和優勢可以幫助嵌入式 OEM 和系統設計人員制定現在做出正確的選擇，為未來做準備。

mPCIe / mSATA

當前這一代用于存儲和通用外圍設備的小型擴展模塊使用常見的 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設計的，是 MiniPCI 的演變，是擴展卡的物理和電氣規范，允許通過小型化 PCIe 連接器實現 Wi-Fi、無線廣域網 （WWAN） 和其他附加功能。mPCIe 在消費類應用中的廣泛采用、小巧的外形以及它對熟悉的 PCIe 總線的使用意味著它自然而然地成為了一種為工業和嵌入式系統添加功能的方便且節省空間的方式。

隨著筆記本電腦和移動設備對 SSD 的需求增長，2009 年引入了 mSATA 格式作為小型存儲設備，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 主機支持才能運行。基于久經考驗的真正 SATA 存儲協議，mSATA 使制造商可以輕松實現小尺寸存儲，并迅速在客戶端領域采用。這些相同的因素使 mSATA 對于嵌入式系統存儲具有吸引力，如今它是消費和工業市場中最受歡迎的小型 SSD 格式之一。

mSATA 瓶頸

隨著客戶和企業市場追求更高容量的 SSD 和更高的吞吐量來匹配，高端 SSD 的性能瓶頸已成為限制在 600 MBps 的 SATA 協議。隨著 SSD 容量的增加，速度也會提高，即使 SATA III 提供的 600 MBps 也不足以滿足高性能應用的需求。同時，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 SSD 性能需求的推動下，M.2 被開發為具有前瞻性的小尺寸，以解決 mSATA 在使用高端 SSD 時遇到的問題。與使用現有物理標準的 mSATA 不同，M.2 在設計之初就考慮了閃存存儲。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，比 mSATA 更??節省空間。M.2 模塊的長度范圍從 42 毫米到 110 毫米不等，并且有單面或雙面版本。這種物理規格的靈活性允許使用比 mSATA 更??高的 NAND 容量的節省空間的 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 作為高端存儲連接選項。SATA III 目前僅限于 600 MBps 的速度和單通道，而 PCI Express 可通過 M.2 擴展到四個通道。在當前 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 達到 2 GBps 的速度。同時，M.2 仍然支持 SATA 以及 USB。這種與現有信號的向后兼容性簡化了向 M.2 的遷移，因為它簡化了第一代 M.2 SSD（運行 SATA）和 Wi-Fi、GPS 和 WWAN 等外圍卡的實施。

物理接口

M.2 規范為擴展模塊定義了三個插槽。Socket 1 用于 Wi-Fi，Socket 2 用于 SATA 或 PCIe x2 SSD 以及通用擴展卡，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 Socket 2 和 Socket 3 連接器，但將以 PCIe x2 速度運行。

主機控制器接口

為了充分利用 M.2 的多通道 PCIe 速度，而不是在 M.2 物理接口上運行 SATA，需要一種新的存儲接口協議。作為一種行業標準，高級主機控制器接口 （AHCI） 在操作系統和控制器級別享有廣泛的支持，但與 SATA 及其性能限制相關。為了解決這個問題，迄今為止，客戶和企業 SSD 制造商已經創建了自定義驅動程序來釋放多通道 PCIe 的帶寬潛力，但對于工業市場而言，這從成本和兼容性的角度來看是不可行的。

為了允許通過標準協議通過 PCIe 高速訪問固態存儲，一個由 80 多家公司組成的工作組開發了 NVM Express （NVMe）。AHCI 是在旋轉介質和相關的高延遲時代設計的，而 NVMe 已針對 SSD 和當今多核處理器的隨機訪問特性進行了優化。流線型存儲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，因為更好的性能允許存儲設備在空閑時花費更多時間。

NVMe 的優勢、開放規范和行業支持表明它可能會成為未來的客戶端存儲協議，但即使在客戶端空間中采用也需要時間。NVMe 作為一種全新的存儲協議，不兼容 AHCI，需要系統和軟件層面的支持。作為高效訪問 SSD 的標準，NVMe 允許以原生 PCIe 速度運行的非專有固態存儲，但在發生巨變之前，SATA/AHCI 將繼續提供可靠性、性能和兼容性的最佳組合嵌入式應用程序。

嵌入式空間中的 M.2

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

對于一般嵌入式應用，mSATA 和 mPCIe 不會很快出現。工業應用具有適度的性能需求，而是強調可靠性和一致性。即使對于性能驅動的系統，近期的價值主張也是微不足道的，因為 M.2 SSD 的全部性能優勢需要 NVMe 支持或專有驅動程序才能實現原生 PCIe 速度。在嵌入式應用程序能夠享受這種性能水平之前，存儲環境需要時間來支持 NVMe，因此當前一代的 M.2 SSD 可能比嵌入式領域的 mSATA 模塊更難賣。同時，mPCIe 目前為通用嵌入式外圍設備（如顯卡或 Wi-Fi 模塊）提供了足夠的帶寬。

M.2 的嵌入式未來

M.2 在尺寸和容量方面的直接優勢以及 NVMe 在功耗和性能方面的潛在優勢意味著嵌入式 OEM 和系統設計人員需要了解這種新興格式，但在 M.2 生態系統成熟之前，其當前的對嵌入式和工業市場的影響將僅限于空間最受限的應用。隨著 M.2 物理接口和 NVMe 主機控制器接口支持的廣泛采用，M.2 接下來將影響對性能敏感的嵌入式應用，但大多數工業嵌入式系統的可靠性和魯棒性要求意味著 mSATA/mPCIe 仍將是小型形式未來幾年大多數工業解決方案的選擇因素。

審核編輯：郭婷