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Ee8664df9ace90f5e6cb608a0424016d SD協會(SD Association)在2018年提出SD 7.0規範中,除了將容量上限推升至128TB,也將PCIe介面與NVMe協定導入SD Express記憶卡,讓傳輸速度最高可達984.6MB/s,解放記憶卡容量與速度的束縛。在2019年的MWC期間則提出SD 7.1規範,將這個優勢延伸到microSD Express記憶卡。

將SD Express「micro」化

在2019年2月底於西班牙巴塞隆納的MWC世界行動通訊(Mobile World Congress)大會中,SD協會發表了SD 7.1規範以及microSD Express,它最大的特色就是在microSD尺寸的記憶卡導入PCIe介面與NVMe協定,並與傳統microSD向下相容,兼顧傳輸效能與相容性。

microSD Express與先前在SD 7.0規範中定義的SD Express一樣,都是藉由PCIe介面帶來最高985MB/s的資料傳輸速度,並透過NVMe協定強化記憶卡存取機制,而尺寸更小的microSD Express能應用於智慧型手機、平板電腦等行動裝置,將可帶來固態硬碟等級的效能與使用體驗,藉由出色的傳輸效能,滿足遊戲、VR、多通道IoT裝置、車用電腦、高畫質行車記錄器、360度攝影機等使用情境的需求。

採用向下相容的新腳針規範

SD Express、microSD Express在記憶卡的尺寸方面,皆與傳統SD、microSD相同,至於腳針配置方面,SD Express與SD UHS-II相同,而microSD僅有上排腳針與microSD相同,下排的腳針雖然與microSD UHS-II相近,但是腳針的長度較短且位置稍微上移。

兩者皆採用PCIe 3.1與NVMe v1.3等規範,並採用UHS-II的下排腳針傳送PCIe差分訊號,而REFCLK、CLKREQ#、PERRST#等訊號則使用上排腳針。

無論是SD Express或microSD Express,其上排腳針都能相容UHS-I,因此可以直接插入傳統裝置或讀卡機使用,但是兩者都不相容UHS-II。

SD Express、microSD Express的初始化過程皆為彈性可變的,主控端可以採用傳統SD介面或是PCIe介面對記憶卡進行初始化,但SD協會強列建議採用前者,以利確認容量、記憶卡狀態等資訊。

當記憶卡連至PCIe與NVMe主控端後,就會被視為標準NVMe裝置(Stander NVMe device),並列在「大量儲存控制器 -> 固態硬碟控制器 -> NVM Express裝置」底下,能夠透過標準的NVMe驅動程式存取記憶卡。

至於傳統SD的密碼鎖、防寫開關等功能,也可以透過NVMe v1.3規範來達成相容,讓使用者可以透過密碼保護記憶卡,PCIe、NVMe介面都會因此無法存取內部資料,或是將防寫開關切換至唯讀狀態時,避免資料被寫入記憶卡。

目前SD 7.0與SD 7.1規範在電力供應的定義方面,讓SD Express、microSD Express除了支援傳統3.3V,還支援1.8V電壓輸入,能夠達到省電的效果。

SD協會也指出預計在未來推出的規範中導入1.2V電壓輸入,但會透過全新的腳針(SD Express的#18、microSD Express的#17)達成,能夠進一步對電力消耗與效能進行最佳化。

導入先進存取機制

PCIe與NVMe具有多種能夠增加存取效能的通訊協定與機制,SD Express、microSD Express也導入了Bus mastering、Multi Queue、Host Memory Buffer等機制,讓資料存取更有效率。

Bus mastering也稱為第一方DMA(First-Party Direct Memory Access),能讓系統中各裝置直接存取記憶卡中的資料。舉例來說,當行動裝置要下載資料並寫入記憶卡時,數據機可以直接將存取需求傳送至記憶卡,而不需處理器介入處理,如此一來除了能改善存取延遲之外,因為過程不需要應用處理器(Application Processor)的協助,因此應用處理器能維持在低功耗狀態,發揮降低系統資源佔用與節省整體耗電量的效果。

Multi Queue也是NVMe的特殊功能之一,能夠在記憶體中為每個處理器核心配置專屬的存取命令佇列,解決了傳統協定中只能在主控端擁有1個存取命令佇列的問題,能夠避免主控端成為效能瓶頸。

Host Memory Buffer(以下簡稱HMB)則是能讓記憶卡不需自行搭載緩衝記憶體的技術,其概念與無DRAM(DRAMLess)的故態硬碟相近。

在高速存取的硬體架構中,控制器往往需要緩衝記憶體等額外資源,然而嵌入於記憶卡的SRAM成本比主記憶體採用的DRAM高出許多,因此會影響到記憶卡的價格。HMB是PCIe與NVMe的原生功能,能夠在系統的主記憶體切出1塊緩衝區供記憶卡使用(緩衝區容量由主控端決定),如此一來就能省下記憶卡上的SRAM,在效能與成本之間取得更理想的平衡。

SD協會也在SD 7.1白皮書提到,在記憶卡效能越來越高的情況下,主記憶體與記憶卡的關係也變得更具彈行,除了可以透過主記憶體作為緩衝區,省下記憶卡的SRAM元件外,還能反過來將記憶卡作為延伸的主記憶體,把高速的SD Express、microSD Express當作系統資源,節省主記憶體使用量。

標示圖案保留前朝設計

由於SD Express、microSD Express具有向下相容功能,因此在記憶卡上是會除了會標示「Express」或簡寫的「Ex」之外,還會標示當插入傳統SD、microSD等SD UHS-I規範的裝置與讀卡機時,會以「HC」、「XC」或「UC」速度運作。

如果要發揮SD Express、microSD Express記憶卡的最佳效能,就需要搭配支援的裝置或讀卡機。由於SD Express、microSD Express的向下相容只支援SD UHS-I規範,因此無論插入SD UHS-I、UHS-II或UHS-III裝置或讀卡機,最高傳輸速度都被限制在SD UHS-I的104MB/s。

雖然目前的記憶卡存取速度還沒辦法觸及SD Express、microSD Express的上限,但隨著快閃記憶體的技術提升,或許不用多久就會衝破傳統規範的限制,因此提早制定規格更高的規範勢在必行。另一方面,導入PCIe、NVMe不但能提升傳輸速度上限,也能透過先進的存取機制降低延遲,對於小檔存取的效能表現有正面幫助。

接下來我們需要觀察的重點之一,就是microSD Express是否能在智慧型手機、平板電腦等行動裝置上普及,以及它的價格是否能落在一般消費者能接受的區間。

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