Разъем M.2 (NGFF) — что это? Разбираемся, что к чему!

Samsung 950Pro

Разъем M.2 (ранее известный как Next Generation Form Factor и NGFF) — это спецификация входящая в состав стандарта SATA 3.2 для компьютерных устройств и их разъемов, утвержденная международной организацией Serial ATA International Organization (SATA-IO) для планшетов и тонких компьютеров. Создана для замены уже устаревших форматов SATA, mSATA и Mini PCI-E. Ключевым новшеством M.2 (NGFF) стала поддержка передачи данных по линии PCI Express 3.0 с совокупной теоретической пропускной способностью до 32 Гбит/с. Что почти в 6 раз больше чем позволял стандарт SATA 3.0.

Интерфейс  Максимальная теоретическая пропускная способность Максимальная реальная пропускная способность (оценка)
SATA III 6 Гбит/с (750 Мбайт/с) 600 Мбайт/с
PCIe 2.0 x2 8 Гбит/с (1 Гбайт/с) 800 Мбайт/с
PCIe 2.0 x4 16 Гбит/с (2 Гбайт/с) 1,6 Гбайт/с
PCIe 3.0 x4 32 Гбит/с (4 Гбайт/с) 3,2 Гбайт/с

Карты расширения M.2 могут предоставлять различные функции, например: Wi-Fi, Bluetooth, спутниковая навигация, NFC-радиосвязь, цифровое радио, Wireless Gigabit Alliance (WiGig), Wireless WAN(WWAN) и другие. В виде модулей M.2 часто изготавливают быстрые и компактные твердотельные флеш-накопители (SSD).

Применение нового формата устройств позволил использовать режим минимального энергопотребления DevSleep, механизм управления питанием Transitional Energy Reporting, механизм Hybrid Information (повышающий эффективность кэширования данных в гибридных накопителях) и Rebuild Assist (функция, которая ускоряет процесс восстановления данных в массивах RAID).

Форм-фактор и ключи.

Если проще, M.2 представляет собой мобильную разновидность протокола SATA Express, описанного в спецификации SATA 3.2 для планшетов и тонких компьютеров. Этот интерфейс может быть совместим с устройствами, работающими по протоколам SATA, PCI Express, USB 3.0, I2C и другими. M.2 поддерживает до четырёх линий PCI Express 3.0, в то время как разъёмы SATA Express передают данные лишь по двум линиям PCI Express 2.0. Платы имеют 4 варианта ширины (12, 16, 22 и 30 миллиметров) и 8 вариантов длины (16, 26, 30, 38, 42, 60, 80 и 110 миллиметров).

Помимо длины и ширины устройств подключаемых к M.2, описаны стандарты толщины компонентов на плате. Также, одностороннее и двухстороннее исполнение монтажа (Single Sided и Double Sided), разделенное на еще 8 типов. Для более удобного понимания, ниже приведу таблицу:

Толщина компонентов на плате устройства подключаемого к M.2 (размеры указаны в миллиметрах).

Тип Сверху Снизу
S1 1.20 Не допускаются
S2 1.35 Не допускаются
S3 1.50 Не допускаются
D1 1.20 1.35
D2 1.35 1.35
D3 1.50 1.35
D4 1.50 0.70
D5 1.50 1.50

Для указания типа M.2 — устройства маркируются кодом по схеме WWLL-HH-K-K или WWLL-HH-K, где WW и LL — размеры модуля в ширину и длину в миллиметрах. В HH кодируется, является ли модуль односторонним или двухсторонним, а также максимальная допустимая высота (толщина) размещённых на нём компонентов, например «D2». Часть K-K обозначает ключевые разрезы если модуль использует лишь один ключ, используется одна буква K. Если используется K-K, то модуль имеет 2 ключа.

Диаграмма с подробной расшифровкой всех значений маркировки с указанием величин.

Номенклатура модуля M.2

По состоянию на 2018 год, наиболее популярными размерами определены: ширина 22 мм, длина 80 или 60 мм (M.2-2280 и M.2-2260), реже 42 мм. Многие ранние M.2 накопители и материнские платы использовали интерфейс SATA, для них наиболее популярны ключи B (SATA и PCIe x2). Современные же материнские платы реализуют в разъеме M.2 PCI Express 3.0 x4 и соответствующий ключ M (SATA и PCIe x4). Устройства разработанные под использование в разъемах с ключом M, электрически не совместимы с разъемом B, и наоборот, без явного на то указания. Хотя не редко, как показывает практика физически совместимы (если перевернуть).  Для подключения карт расширения, например WiFi, используются модули размера 1630 и 2230 и ключи A или E.

M.2 — плата должна не только подходить по размеру, но и иметь совместимое со слотом расположение ключей. Ключи ограничивают механическую совместимость между различными разъёмами и платами форм-фактора M.2 и препятствует неправильной установке накопителей в слоте.

Собственно перед покупкой платы расширения необходимо уточнить у производителя тип разъема и совместимые размеры (по длине, ширине, толщине, одностороннее и двухстороннее исполнение).

В крайнем случае посчитать контакты разъема и сравнить с рисунком ниже.  

контакты m.2

Что такое Socket 1, Socket 2, Socket 3 в применении к M.2 (NGFF) устройствам?

Действительно, встречается понятие сокет и для M.2 устройств. Думаю создание групп разъемов M.2 на Socket 1,2,3 для упрощенного разделения не совместимых между собой устройств. Формально разделяя все виды устройств на 3 простых для понимания типа.

Принцип деления наглядно показан в следующей таблице:

Для установки в разъем M.2
Ключ разъема Размер модуля Толщина модуля Ключ коннектора на модуле

Socket 1

Обычно, модули связи (WIFi адаптеры, Bluetooth, NFC и прочее)

A, E 1630 S1, D1, S3, D3, D4 A, E, A+E
A, E 2230 S1, D1, S3, D3, D4 A, E, A+E
A, E 3030 S1, D1, S3, D3, D4 A, E, A+E

Socket 2

Для компактных 3G/4G модемов M.2, но возможно появление другого оборудования

B 3042 S1, D1, S3, D3, D4 B

Socket 2

Для M.2 SSD и другого оборудования с универсальным ключом B+M

B 2230 S2, D2, S3, D3, D5 B+M
B 2242 S2, D2, S3, D3, D5 B+M
B 2260 S2, D2, S3, D3, D5 B+M
B 2280 S2, D2, S3, D3, D5 B+M
B 22110 S2, D2, S3, D3, D5 B+M

Socket 3

Для M.2 SSD и другого оборудования с ключом М и универсальным ключом B+M

M 2242 S2, D2, S3, D3, D5 M, B+M
M 2260 S2, D2, S3, D3, D5 M, B+M
M 2280 S2… D2, S3, D3, D5 M, B+M
M 22110 S2… D2, S3, D3, D5 M, B+M

Разберем пример на основе реальных интернет-магазинов:

SSD диск SAMSUNG M.2 860 EVO 250 Гб M.2 2280 SATA III (MZ-N6E250BW)

860 Evo

Из описания видно — перед нами SSD Samsung с емкостью 250Gb, разработанный для использования в разъеме M.2. Далее идет маркировка «2280» указывающая физический размер — 22 мм в ширину, 80 мм в длину. Про толщину и одностороннее или двухстороннее исполнение — ни слова. В данном случае придется уточнять из других источников, либо производителя накопителя. После указания маркировки размера написано — SATA III. Что это означает? Это означает что накопитель использует логический интерфейс SATA III. То есть, перед нами все тот же классический накопитель SATA, но выполненный под размеры и разъем M.2. Скоростные преимущества PCI Express здесь не использованы.

Все, описание продавца на этом исчерпаны. Чего нам еще не хватает? Нам не хватает явного указания типа ключа разъема, это пускай останется на совести продавца. Но мы визуально видим 2 прорези, это означает возможность использования данного накопителя в составе материнских плат с разъемом типа B и типа M. Это визуальная оценка, опять повторюсь — необходимо уточнить у производителя.

Попробуем еще:

SSD диск Samsung 960 EVO M.2 250 Гб M.2 PCI-E TLC MZ-V6E250BW

960 evo

Здесь мы видим SSD Samsung 960 EVO тоже на разъем M.2. Вообще без указания маркировки физических размеров и типа, предположительно тоже «2280» (всегда необходимо уточнять из других источников). Далее указаны PCI-E и TLC, что это означает? Это означает что устройство использует логический интерфейс PCI Express (какой 2.0 или 3.0 не ясно, и сколько линий 2x-4x — тоже не известно). TLC — тип устройства микросхем памяти. На этом интернет-магазин счел описание достаточным. Думаю гарантийка ему потом скажет об обратном…

Но визуально мы видим на этом изображении одну прорезь в разъеме M.2 (предположительно соответствующая ключу M). И тут необходимо быть осторожным, устройство может подойти физически в разъем B. И вернее всего, сожжет плату и устройство. Поэтому необходимо точно знать какого типа установлен разъем на плате и какого приобретается.

Реализации логического интерфейса и набора команд.

Для плат расширения M.2 доступно три варианта реализации логического интерфейса и набора команд, по аналогии со стандартом SATA Express:

«Legacy SATA»
Используется для SSD с SATA интерфейсом, драйвером AHCI и скоростями до 6.0 Гбит/с (SATA 3.0)
«SATA Express» с использованием AHCI
Используется для SSD с интерфейсом PCI Express и драйвером AHCI (для совместимости с большим количеством операционных систем). Из-за использования AHCI производительность может быть несколько ниже оптимальной (получаемой с NVMe), так как AHCI был разработан для взаимодействия с более медленными накопителями с медленным последовательным доступом (например, НЖМД), а не для SSD с быстрым случайным доступом.
«SATA Express» с использованием NVMe
Используется для SSD с интерфейсом PCI Express и высокопроизводительным драйвером NVMe, созданным для работы с быстрыми флеш-накопителями. NVMe был разработан с учётом низких задержек и параллелизма SSD с интерфейсом PCI Express. NVMe лучше использует параллелизм в управляющем компьютере и программном обеспечении, требует меньше стадий при передаче данных, предоставляет более глубокую очередь команд и более эффективную обработку прерываний.

Что такое NVMe?

NVM Express (NVMe, NVMHCI — от англ. Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification). Логический интерфейс NVM Express был разработан с нуля, основные цели — получение низких задержек и эффективное использование высокого параллелизма твердотельных накопителей за счёт применения нового набора команд и механизма обработки очередей, оптимизированного для работы с современными многоядерными процессорами.

Протокол NVMe ускоряет операции I/O за счёт отказа от стека команд SAS (SCSI). NVMe SSD подключаются прямо в шину PCIe. Приложения получают резкий прирост производительности от смещения I/O-активности с SAS/SATA SSD и HDD на NVMe SSD. Запоминающие устройства нового типа хранения энергонезависимы (non-volatile) и задержка при доступе к ним существенно ниже – на уровне задержек оперативной (volatile) памяти.

Контроллер NVMe демонстрирует все преимущества SSD: очень низкие задержки доступа и огромная глубина очереди по операциям чтения и записи. Чрезвычайно низкая латентность устройств хранения существенно снижает вероятность блокировок таблиц данных при их обновлениях. Это критично для многопользовательских баз данных со сложными и взаимосвязанными таблицами.

Очень важно: в UEFI BIOS материнской платы должен содержаться NVMe-драйвер для загрузки ОС с соответствующего накопителя.

Распиновка типовых разъемов M.2.

M.2 с ключем B (1x SATA, 2x PCIe)

Pin
Number
Pin
Name
Description
1 CONFIG_3   Defines module type
2 3.3 V  Supply pin, 3.3 V
3 GND   Ground
4 3.3 V   Supply pin, 3.3 V
5 N/C
6-8 N/A
9 N/C
10 DAS/DSS   Device Activity Signal / Disable Staggered Spinup
11 N/C
12-19 removed  Mechanical notch B
20 N/A
21 CONFIG_0   Defines module type
22-26 N/A
27 GND   Ground
28 N/A
29 PERn1   PCIe Lane 1 Rx
30 N/A
31  PERp1   PCIe Lane 1 Rx
32 N/A
33 GND   Ground
34 N/A
35 PETn1   PCIe Lane 1 Tx
36 N/A
37 PETp1   PCIe Lane 1 Tx
38 DEVSLP  Device Sleep, input. If driven high the host is informing the
SSD to enter a low power state.
39 GND   Ground
40 N/A
41 SATA-B+/PERn0  Host receiver differential signal pair. If in PCIe mode PCIe Lane 0 Rx
42 N/A
43 SATA-B-/PERp0  Host receiver differential signal pair. If in PCIe mode PCIe Lane 0 Rx
44 N/A
45 GND   Ground
46 N/A
47 SATA-A-/PETn0  Host transmitter differential signal pair. If in PCIe mode PCIe Lane 0 Tx
48 N/A
49 SATA-A+/PETp0   Host transmitter differential signal pair. If in PCIe mode PCIe Lane 0 Tx
50 PERST#   PCIe reset
51 GND   Ground
52 CLKREQ#   Reference clock request signal
53 REFCLKN   PCIe Reference Clock signals (100 MHz)
54 PEWAKE#   PCIe WAKE# Open Drain with pull up on platform. Active Low.
55 REFCLKP   PCIe Reference Clock signals (100 MHz)
56 MFG1  Manufacturing pin. Use determined by vendor.
57 GND   Ground
58 MFG2  Manufacturing pin. Use determined by vendor.
59-66 removed   Mechanical notch M
67 N/A
68 SUSCLK   32.768 kHz clock supply input provided by the Platform chipset
69 CONFIG_1  Defines module type
70 3.3 V   Supply pin, 3.3 V
71 GND  Ground
72 3.3 V  Supply pin, 3.3 V
73 GND  Ground
74 3.3 V  Supply pin, 3.3 V
75 CONFIG_2 Defines module type

M.2 с ключем M (1x SATA, 1x, 2x, or 4x PCIe)

Pin
Number
Pin
Name
Description
1 CONFIG_3   Defines module type
2 3.3 V  Supply pin, 3.3 V
3 GND   Ground
4 3.3 V   Supply pin, 3.3 V
5 PERn3   PCIe Lane 3 Rx
6 N/A
7 PERp3  PCIe Lane 3 Rx
8 N/A
9 GND   Ground
10 DAS/DSS   Device Activity Signal / Disable Staggered Spinup
11 PETn3   PCIe Lane 3 Tx
12 3.3 V  Supply pin, 3.3 V
13 PETp3  PCIe Lane 3 Tx
14 3.3 V  Supply pin, 3.3 V
15 GND  Ground
16 3.3V  Supply pin, 3.3 V
17 PERn2 PCIe Lane 2 Rx
18 3.3 V  Supply pin, 3.3 V
19 PERp2 PCIe Lane 2 Rx
20 N/A
21 CONFIG_0   Defines module type
22 N/A
23 PETn2  PCIe Lane 2 Tx
24 N/A
25 PETp2  PCIe Lane 2 Tx
26 N/A
27 GND   Ground
28 N/A
29 PERn1   PCIe Lane 1 Rx
30 N/A
31 PERp1   PCIe Lane 1 Rx
32 N/A
33 GND   Ground
34 N/A
35 PETn1   PCIe Lane 1 Tx
36 N/A
37 PETp1   PCIe Lane 1 Tx
38 DEVSLP  Device Sleep, input. If driven high the host is informing the
SSD to enter a low power state.
39 GND   Ground
40 N/A
41 SATA-B+/PERn0  Host receiver differential signal pair. If in PCIe mode PCIe Lane 0 Rx
42 N/A
43 SATA-B-/PERp0  Host receiver differential signal pair. If in PCIe mode PCIe Lane 0 Rx
44 N/A
45 GND   Ground
46 N/A
47 SATA-A-/PETn0  Host transmitter differential signal pair. If in PCIe mode PCIe Lane 0 Tx
48 N/A
49 SATA-A+/PETp0   Host transmitter differential signal pair. If in PCIe mode PCIe Lane 0 Tx
50 PERST#   PCIe reset
51 GND   Ground
52 CLKREQ#   Reference clock request signal
53 REFCLKN   PCIe Reference Clock signals (100 MHz)
54 PEWAKE#   PCIe WAKE# Open Drain with pull up on platform. Active Low.
55 REFCLKP   PCIe Reference Clock signals (100 MHz)
56 MFG1  Manufacturing pin. Use determined by vendor.
57 GND   Ground
58 MFG2  Manufacturing pin. Use determined by vendor.
59-66 removed   Mechanical notch M
67 N/A
68 SUSCLK   32.768 kHz clock supply input provided by the Platform chipset
69 CONFIG_1  Defines module type
70 3.3 V   Supply pin, 3.3 V
71 GND  Ground
72 3.3 V Supply pin, 3.3 V
73 GND  Ground
74 3.3 V Supply pin, 3.3 V
75 CONFIG_2 Defines module type

M.2 с ключем A (PCIe ×2, USB 2.0, I2C and DP ×4) и E (PCIe ×2, USB 2.0, I2C, SDIO, UART and PCM).

Pin id.

Pin name

Description

1

GND

Ground

2

+3.3V

3.3 V power supply

3

USB_D+

USB high-, full-, and low- speed data pair positive

4

+3.3V

3.3 V power supply

5

USB_D-

USB high-, full-, and low- speed data pair negative

6

LED1#

7

GND

Ground

8

Key

Substrate removed to act as physical key

9

Key

Substrate removed to act as physical key

10

Key

Substrate removed to act as physical key

11

Key

Substrate removed to act as physical key

12

Key

Substrate removed to act as physical key

13

Key

Substrate removed to act as physical key

14

Key

Substrate removed to act as physical key

15

Key

Substrate removed to act as physical key

16

LED2#

17

DNC

Do not connect

18

GND

Ground

19

DNC

Do not connect

20

DNC

Do not connect

21

DNC

Do not connect

22

DNC

Do not connect

23

Key

Substrate removed to act as physical key

24

Key

Substrate removed to act as physical key

25

Key

Substrate removed to act as physical key

26

Key

Substrate removed to act as physical key

27

Key

Substrate removed to act as physical key

28

Key

Substrate removed to act as physical key

29

Key

Substrate removed to act as physical key

30

Key

Substrate removed to act as physical key

31

Key

Substrate removed to act as physical key

32

DNC

Do not connect

33

GND

Ground

34

DNC

Do not connect

35

PETp0

PCI Express lane 0 module transmitter pair positive

36

DNC

Do not connect

37

PETn0

PCI Express lane 0 module transmitter pair negative

38

Vendor defined

39

GND

Ground

40

Vendor defined

41

PERp0

PCI Express lane 0 module receiver pair positive

42

Vendor defined

43

PERn0

PCI Express lane 0 module receiver pair negative

44

COEX3

Antenna coexistence signal 3

45

GND

Ground

46

COEX2

Antenna coexistence signal 2

47

PEFCLKP0

PCI Express reference clock pair positive

48

COEX1

Antenna coexistence signal 1

49

PEFCLKN0

PCI Express reference clock pair negative

50

SUSCLK

32.768 kHz clock module input

51

GND

Ground

52

PERST0#

PCI Express reset

53

CLKREQ0#

PCI Express clock request

54

W_DISABLE2#

Wireless disable 2

55

PEWake0#

PCI Express wake

56

W_DISABLE1#

Wireless disable 1

57

GND

Ground

58

SMB_DATA

SMBus data signal

59

Reserved

60

SMB_CLK

SMBus clock signal

61

Reserved

62

ALERT#

SMBus alert signal

63

GND

Ground

64

Reserved

65

Reserved

66

UIM_SWP

67

Reserved

68

UIM_POWER_SNK

69

GND

Ground

70

UIM_POWER_SRC

71

Reserved

72

+3.3V

3.3 V power supply

73

Reserved

74

+3.3V

3.3 V power supply

75

GND

Ground

Заключение.

В заключении становятся очевидными преимущества принятые стандартом SATA 3.2. Появление новых спецификаций и разъемов расширит выбор совместимых карт расширения, как для ноутбуков, так и для стационарных компьютеров. Также увеличит общую производительность вычислительных систем от ноутбука — до сервера.

Сам по себе интерфейс таит в себе большое количество ловушек как для простого пользователя, так и для профессионала. Возможно это связано с его новизной, а может и некоторой «сыростью».

В любом случае, я постарался собрать максимум важной информации. Возникшие вопросы можно задать в комментариях к статье. Если статья вам помогла, вы можете отблагодарить меня отправив пожертвования на Yandex кошелек, форма для отправки денег находится в самом низу сайта (подвале). Спасибо за уделенное моей статье внимание.

Читайте также:

1 комментарий

  1. Валерия:

    Спасибо! Отличная статья, все четко и по делу

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.

Яндекс.Метрика