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具備PCIe NVMe接口的SD Express存儲卡
日期:2018-07-01 11:59:55   作者:SD Association
本白皮書所含信息按原樣提供,不提供任何類型的聲明或保證。對于因使用本文任何信息而導致的任何損害或侵犯SD協會或任何第三方的專利權或其他權利的行為,SD協會概不負責。未以暗示、禁止反言或其他方式授予SD協會或任何第三方的任何專利或其他權利許可。本文內容不得視為SD協會有義務向任何第三方披露或分發任何技術信息、專有技術或其他機密信息。


執行摘要


2018年6月,SDA發布了SD7.0,推出了兩大主要新功能:
- SD Express:在傳統SD接口的基礎上,在SD存儲卡中引入以高帶寬和低延遲存儲著稱的PCIe NVMeTM接口。
- SD Ultra Capacity(SDUC):將SD存儲卡的最大容量由2TB擴展至128TB。

鑒于新一代高性能移動計算的要求,實施PCIe技術和更先進的NVMe協議將使SD卡能比目前的SD平臺更快地讀取文件數據,速度將高達985MB/s,從而可支持由強大系統架構生成的內容應用程序和數據。此新協議使SD Express存儲卡可用作移動固態硬盤(SSD)。

這種速度對高分辨率內容應用程序不可或缺,例如:超慢動作視頻、RAW連拍模式攝影、8K視頻捕捉和回放、360度全景視頻、存儲卡和移動計算設備上運行的對速度有較高要求的應用程序、不斷發展的游戲系統、多路物聯網設備和不計其數的汽車存儲需求等等。

除大量性能改進外,SD Express存儲卡還沿襲了SD卡長期以來的優勢,即向后兼容性和互操作性。SD Express存儲卡在現有SD(UHS-I)接口的基礎上新增PCIe接口,從而可在支持SD Express的新型主機及目前市場中數十億現有SD主機產品間實現互操作。



對容量、性能和現代協議的無盡需求



在SD 7.0規范中,SDA擴展了傳統SD存儲卡的容量限制,以滿足用戶與日增長的需求。新SDUC突破了SDXC的2TB最大容量限制,使SD卡能存儲高達128TB的數據,不論何種物理規格(微尺寸或全尺寸)或接口類型(包括UHS-I、UHS-II、UHS-III和SD Express)。然而,帶PCIe NVMe接口的SD Express卡是SD7.0規范的革新之處。

據一些主要市場資料顯示,市場提高了對移動存儲卡的要求,要求其具備更快的速度和優化的協議和接口:

應用程序需要容量
• 隨著應用程序的發展,高容量內存需求持續增長,如存儲在SD卡上用于脫機使用的高分辨率視頻、3D影像游戲、社交媒體、無人機、運動型攝像機、360度全景攝像機、虛擬實境和媒流體視頻內容等。
• 容量更大的存儲卡需要更快的速度性能。

不斷發展的計算基礎設施
• 支持無線(包括Wi-Fi/Wi-Gig)或有線(如USB3.X)連接的輸入/輸出(IO)通信接口的性能不斷提升。
• 應用程序處理技術(包括多核、高速、RAM擴增等)快速發展。
• 內嵌式存儲器正過渡到更加先進的協議,包括UFS和PCIeNVMe協議,這開啟全新機遇。
• 這些不斷演變的技術趨勢推高了對移動存儲接口的隨機及連續性能要求。

客戶端計算、影像和汽車
• 客戶端計算正快速從SATA切換至第三代PCIe、多通道和第四代協議。
• 各類與存儲相關的新興市場都要求高速存儲接口和多通道運行。此類市場包括自動駕駛汽車和聯網汽車,這些設備配有多個傳感器用于采集和處理數據,為物聯網設備捕捉多通道視頻。
• 影像市場已朝著 UHS-II和III或PCIe發展。

這些不斷演變的技術趨勢表明,市場需要高性能連續隨機存取存儲卡,而SD Express正符合此項要求。主要操作系統現支持直接從SD存儲卡中啟動應用程序。SD存儲卡現可用作Google Android設備的內嵌式內存或用于存儲視頻/音頻內容并存儲和運行應用程序的擴展系統存儲器。從存儲卡中運行Android應用程序需要更高的隨機性能和連續性能。

在2016及2017年,SDA引入了應用程序性能分類A1和A2,確保在特定條件下,SD存儲卡的隨機性能保持在特定水平。盡管現有SD接口的連續和隨機性能足以滿足存儲卡目前的使用需求,但是新應用程序將無疑會有更高的性能要求,SD Express新增性能更高的PCIe NVMe接口,可滿足此高性能要求。


帶PCIe NVMe接口的SD Express存儲卡將惠及大


SD Express帶有一個UHS-I接口和一個PCIe NVMe接口。在SD中使用第三代PCIe NVMe版本1.3協議已有詳細說明,例如:初始化過程、引腳配置等,但總體思路是使用由PCI SIG NVMe論壇定義的現有著名協議。SDA借助市場中已有的成功協議,通過利用現有測試設備和節約開發成本,讓行業更具優勢。若公司使用現有的構建模塊和設計,即表示其能節省成本并提高賬本底線。

SD Express支持主要操作系統,隨著支持PCIe NVMe的驅動日益普及,未來容易被市場采納。



理解SD Express



SD Express指:
• SD7.0首次引入了受SD信任的同一全尺寸物理規格
• 全尺 SD Express卡采用與現有SD UHS-II相同的引腳和連接器。
• 采用新型PCIe NVMe接口。單通道第三代PCIe的差分接口使用與第二行引腳內的SD UHS-II差分接口墊片相同的墊片。然后,通過第一排引腳,將PCIeREFCLK與邊帶信號CLKREQ#及PERRST#一同分享給現有SD UHS-I。
• 第一排也是SD UHS-I接口,可充分向后兼容數十億現有SD主機設備并與之進行互操作。
• SD Express將不支持 UHS-II接口。
• SD7.0規范定義了使用兩種電源的全尺寸物理規格,即傳統3.3伏特和1.8伏特。SD7.0還提供1.2V的可選電源,以防未來的物理規格要求有額外的第18號引腳。
可選1.2伏特電源將使電源/性能得到進一步優化。

SDExpress接口和初始化過程具備靈活性,以便SDExpress兼容主機通過原有SD接口或PCIe接口對存儲卡進行初始化。強烈建議通過原有SD接口進行初始化,因為它預先提供關于存儲卡功能的說明,并避免不受支持的存儲卡或協議重復進行多余的迭代。

SDExpress是將SDExpressPCIeNVMe主機指定為“標準NVMe設備”(海量存儲控制器→固態控制器→NVM Express設備)。因此,標準NVMe驅動器可訪問SDExpress存儲卡。

使用SD Express技術的存儲卡通過主機消耗的最大功率為1.80瓦特,該數據表示消耗兩個電源的累計瓦數。

假設使用的是NVMe版本1.3,PCIe NVMe接口支持以下部分SD協議功能。未來,NVMe可能支持所有這些功能:
• 密碼鎖定/解鎖:存儲卡僅可通過原有SD接口進行密碼鎖定/解鎖。鎖定的存儲卡不允許通過SD或PCIeNVMe接口訪問內存。
• 防寫入保護功能:存儲卡可以通過原有SD接口設為防寫入保護模式。啟用防寫入保護的存儲卡不允許通過其SD或PCIe NVMe接口執行任何寫入操作。
不支持通過PCIe接口實現以下傳統SD功能
• SD可刻錄介質內容保護(CPRM)安全功能:如果SDExpress主機通過PCIe接口訪問含有經CPRM加密的文件的存儲卡,則主機會將這些文件讀取為加密數據,此外,在將存儲卡插入任何不支持CPRM的SD主機時也會出現相同的結果。
• 速度等級:使用PCIe接口時不支持也無需支持速度等級、超高速速度等級和視頻速度等級。

系統開發者的新選擇

PCIe NVMe標準是功能強大的協議,提供各種功能以供系統使用者選擇使用。以下列舉了PCIe NVMe的部分潛在用途示例。請注意,所列的功能與PCIe NVMe功能的性質相關,但與SD Express無關。

總線主控
• PCIe原生支持總線主控(第一方DMA)。
• 該功能允許在設備之間實現芯片間通信。
• 例如,調制解調器可以直接向存儲器發送IO請求,無需應用處理器(AP)提供任何“協助”。
• AP可以轉至低功耗模式,從而節省電池總電量
• 從調制解調器至存儲設備的更佳延遲路徑支持多隊列,無鎖定機制
• NVMe可在DRAM中為每個CPU核心指定一個專門的命令隊列。
• 其他原有嵌入式內存接口在主機控制器中有一個命令隊列。
• 舊版協議中需要同步和鎖定,以互相訪問單個隊列。
• 原有接口的主機控制器是架構中的系統瓶頸。具備PCIe NVMe接口的SD Express存儲卡主機內存緩沖器(HMB)
• 高性能架構通常需要額外的控制器資源。例如,相較於DRAM較為昂貴的嵌入式SRAM。
• HMB 和總線主控原生NVMe PCIe功能對于在有限的總體懲罰成本下顯著提高存儲性能非常有用,而這種方式通過將DRAM資源用作控制器內置RAM的直接延伸予以實現。
• 分配的DRAM大小需遵循主機設備策略。
• 重要提示:未來,隨著SD Express速度越來越快,相比SD存儲卡的內存,DRAM在系統選擇方面具備靈活性。內置DRAM可用于節省SD Express存儲卡的資源。此外,SD Express存儲卡的內存可成為內置DRAM用途的延伸。

給主機產品制造商的小建議

結合PCIe NVMe接口使用時,主機產品制造商現可考慮使用現有的SD接口和PCIe NVMe構建模塊來利用SD Express主機接口的全新發展成果。

這種設計的唯一挑戰是切換機制和/或共享信號的上拉/下拉IO控件 – REFCLK、CLKREQ#和PERRST#。此IO控制電路可能相對較為簡單;但是它要求全面研究并了解初始化過程中各階段的接口和正常操作兩種模式其中一種模式的接口。

消費者影響

消費者繼續將存儲卡與他們的產品搭配使用以實現最佳的性能。制造商會在產品、其包裝和用戶手冊中使用SDA標志和徽標。所有采用SD Express 技術的SDHC、SDXC和SDUC存儲卡將具備支持在原有SD接口上執行讀寫操作的SD SDUHS-I接口和標識。但是,為了使用其PCIe NVMe接口實現最高性能,主機必須支持SD Express。因此,需要將SD Express主機與SD Express存儲卡搭配使用,以實現最佳性能和最佳用戶體驗。



總結



由于SD存儲卡容量的提升、各種設備的速度密集型應用程序以及海量存儲器的出現,人們對隨機和連續性能水平的大幅提升和更多先進協議的需求越來越高。SD7.0中引入的SD Express特性中不僅新增了PCIe NVMe接口,為SD存儲卡帶來新的商機,亦為其用途開啟全新的世界,同時還向后兼容數十億款現有SD主機。得益于使用給定構建模塊和現有測試設備的現有知識,SDA 使采用更加簡單。

查詢進一步信息,請訪問官方網站https://www.sdcard.org/chs/downloads/pls/latest_whitepapers/SD_Express_Cards_with_PCIe_and_NVMe_Interfaces_White_Paper.pdf。
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