19 мая 2020 организация SD Association анонсировала стандарт SD 8.0 для SD Express карт. Как обычно, всё новое — это лучше, быстрее, с PCIe 4.0 и поддерживает обратную совместимость. Давайте разберёмся, что же нас ждёт в этом достаточно популярном виде карт памяти в ближайшее (или, как обычно, не настолько ближайшее) время.
Здесь могло бы быть длинное описание того, где встречаются SD карты, но вы это наверняка уже знаете.
Начнём!
Оглавление
01. Короткая информация
02. Немного о SD и PCIe/NVMe
03. Необходимость в протоколе, обеспечивающем большую скорость
04. Преимущества SD Express с PCIe/NVMe
04.1. Дифференциальный интерфейс
04.2. Кодирование 128b/130b
04.3. Энергоэффективность
05. Полезные ссылки
06. Заключение
01. Короткая информация
Итак, что нужно знать о SD Express на данный момент:
- Все SD Express будут обратно совместимы;
- SD Express теоретически позволяют пропускную способность в 3 938 МБ/с (2 линии PCIe 4.0, на данный момент только полноразмерные SD с 27 контактами);
- microSD с PCIe 4.0 пока не поддерживаются;
- SD Express, подключенные по PCIe будут распознаваться хостом как стандартные NVMe устройства.
SD Association считает, что использование PCIe/NVMe в новых SD Express позволит производителям адаптировать свои устройства к новому стандарту SD 8.0 быстро, благодаря использованию наработок по SD и PCIe/NVMe.
SD Express будут представлены в виде SDHC (до 32 ГиБ), SDXC (до 2 ТиБ) и SDUC (согласно стандарту, поддерживает до 128 ТиБ).
Рис. 1. Пример того, как будут выглядеть новые карты SD Express. Пресс-релиз SD Association, 2020-05-19
02. Немного о SD и PCIe/NVMe
SDA (SD Association) представила первые SD карты памяти почти 20 лет назад. Невозможно даже представить насколько изменились карты SD и microSD, а также сам стандарт за эти два десятилетия, подстраиваясь под потребности пользователей.
PCIe и NVMe стандарты разрабатываются PCI SIG и NVM Express соответственно. Думаю, представлять вам PCIe нет необходимости. Этот интерфейс на данный момент является одним из самых распространённых в компьютерной технике, мобильных устройствах, фото- и видеотехнике и так далее. Комбинация PCIe с NVMe позволила установить новый де-факто стандарт среди устройств хранения данных, заменив старые SATA и SCSI.
Объединение наработок SDA со стандартами PCIe и NVMe позволило создать новые SD Express и microSD Express. Основная идея нового стандарта — добавление интерфейса PCIe в дополнение к существующему UHS-I. Это позволяет не только достичь высокой производительности, но и сохранить обратную совместимость.
Рис. 2. Особенности нового стандарта SD Express (оригинальное изображение подписано как "SD Express — The best of all worlds"). SD Express WhitePaper, 2020-05-19, SD Association
03. Необходимость в протоколе, обеспечивающем большую скорость
Именно такой раздел есть во всех публикациях о новых интерфейсах.
Начальные спецификации SD Express были представлены ещё в SD7.0 (2018) и SD7.1 (2019). Основанные на одном канале PCIe 3.1, они могли достичь пропускной способности в 985 МБ/с. В марте 2020 SDA представила стандарт SD8.0 — SD Express (только полноразмерные карты), который поддерживает до двух линий PCIe 4.0 (гарантирует теоретическую пропускную способность в МБ/с). При этом, microSD Express с PCIe 4.0 пока не поддерживаются.
Рис. 3. Эволюция PCIe. SD Express WhitePaper, 2020-05-19, SD Association
04. Преимущества SD Express с PCIe/NVMe
Как уже было сказано, SD Express поддерживает и UHS-I, и PCIe/NVMe. Стандарт разработан таким образом, что карта может работать в одном из двух режимов. Первый — обратная совместимость. А вот если карта памяти подключена по PCIe, она будет считаться стандартным NVMe устройством.
Рис. 4, 5 и 6. Схематически microSD Express, SD Express и SD Express с двумя линиями PCIe. SD Express WhitePaper, 2020-05-19, SD Association
Карты памяти SD Express с одной линией PCIe 3.1 могут потреблять до 1.8 Вт от хоста (цитата из WhitePaper). О картах с двумя линиями PCIe 4.0 ничего не сообщается.
На данный момент существуют различные решения в области интерфейсов. Самыми популярными стандартами всё ещё являются eMMC, UFS, SATA/SCSI и PCIe/NVMe.
Рис. 7. Сравнение пропускной способности разных интерфейсов. SD Express WhitePaper, 2020-05-19, SD Association
На Рис. 7 представлено сравнение этих стандартов. PCIe Gen3 постепенно заменяет SATA/SCSI в качестве интерфейса устройств хранения данных. UFS не так распространён, хотя постепенно заменяет eMMC. Недостатком UFS является тот факт, что он основан на протоколе команд SCSI, которому хватает своих недостатков.
Точно также можно сравнить и разными стандартами карт памяти (Рис. 8).
Рис. 8. Максимальная пропускная способность распространённых интерфейсов карт памяти. SD Express WhitePaper, 2020-05-19, SD Association
Первый протокол SD, представленный в 2000, позволял выполнение лишь одной команды за раз. В 2016 SDA представила поддержку Command Queuing (CQ) для интерфейса SD, что позволило выполнять до 32 команд. Похожие характеристики свойственны и стандартам eMMC, UFS, SATA и SCSI.
Годами SAS и SATA были стандартными интерфейсами HDD, CD/DVD и других устройств, потому первые появившиеся SSD поддерживали эти же интерфейс, как это частично происходит и до сих пор. Постепенно характеристики SSD улучшались и необходимость в лучшем интерфейсе лишь возрастала.
NVMe стал первым протоколом, который мог раскрыть полный потенциал SSD. Отбросив наследие старых протоколов, удалось сократить задержки коммуникаций, а также увеличить количество выполняемых одновременно команд.
Рис. 9. NVMe лучше, чем всё, что было до него. SD Express WhitePaper, 2020-05-19, SD Association
Рис. 10. Зачем нужен NVMe в SD Express. Старые интерфейсы являются узким местом архитектуры. SD Express WhitePaper, 2020-05-19, SD Association
04.1. Дифференциальный интерфейс
Рис. 11. Топология дифференциального интерфейса. SD Express WhitePaper, 2020-05-19, SD Association
Старый интерфейс SD UHS-I использует одиночные сигнальные линии, подобно eMMC. PCIe Gen 3 использует дифференциальный интерфейс для последовательной передачи данных, подобно SD UHS-II и UFS. У дифференциального интерфейса есть несколько преимуществ:
Невосприимчивость к перекрёстным помехам и интерференции
Когда электромагнитная интерференция (EMI) или перекрёстные помехи (crosstalk) генерируются соседними сигналами, они добавляются в равной мере к инвертированному и не инвертированному сигналам. Поскольку приёмнику важна разница двух сигналов, а не амплитуда одного сигнала относительно "земли", влияние EMI, crosstalk или любого другого шума не так значительно.
Уменьшение исходящих EMI и crosstalk
Быстрые сигналы генерируют значительное количество EMI. Это характерно как для одиночной линии, так и для дифференциальной пары. Тем не менее, в паре генерируется поле одной амплитуды, но разной полярности. Существуют методы (к примеру, использование кабелей витой пары и т.д.), позволяющие уменьшать такие нежелательные сигналы.
Соотношение сигнал-шум
Поскольку соотношение сигнал-шум (SNR) для дифференциальной пары в два раза больше, чем для одиночного сигнала, появляется возможность использовать меньшее напряжение для передачи сигнала и сохранять оптимальное SNR.
Простое определение состояний "high" и "low"
В дифференциальных сигналах определение состояния крайне простое. Если не инвертированный сигнал выше — это логическое состояние "high". Если ниже — логическое "low". Переключение происходит при пересечении значений двух сигналов.
04.2. Кодирование 128b/130b
PCIe Gen3 использует схему кодирования и декодирования 128b/130b, в отличии от 8B/10B для UFS, SATA, PCIe Gen1 и Gen2. Это означает каждый блок из 130 бит содержит заголовок в 2 бита для синхронизации и 128 бит данных. Таким образом, PCIe Gen3 имеет большую ёмкость полезных данных.
Рис. 12. Эффективность кодирования информации PCIe. SD Express WhitePaper, 2020-05-19, SD Association
Кроме того, поскольку для передачи сообщения той же длины требуется передать меньше информации, количество затраченной энергии также меньше.
04.3. Энергоэффективность
Изначально PCIe был придуман для компьютеров, серверов и т.д. Постепенно, этот интерфейс обрастал дополнительными возможностями из мира мобильных и энергоэффективных технологий, а именно — режимами роботы с низким энергопотреблением.
PCIe 3.1, используемый и SD Express, добавил энергоэффективные режимы L1.0, L1.1 и L1.2 к уже имеющимся в PCIe 3.0 L0 и L3. Основная суть режимов L1 — использование для пробуждения устройства не быстрой логики (потребляющей наибольшее количество энергии), а чего-то другого. Для этого одному из пинов PCIe (CLKREQ#) добавили простой сигнальный протокол. Таким образом PCIe передатчики могут отключать быстрые линии передачи данных, что позволяет сократить потребление энергии.
Рис. 13. PCIe 3.1 режимы низкого энергопотребления L1.x. SD Express WhitePaper, 2020-05-19, SD Association
Старый интерфейс UHS-I состоит из 6 одиночных сигнальных линий, которые могут использовать логические уровни 3.3 В или 1.8 В (имеется ввиду значение логического уровня "high"). Очевидно, что сигналы 1.8 В позволяют потреблять меньшее количество энергии по сравнению с 3.3 В.
SD UHS-II/III (0.14 — 0.28 В) и PCIe (0.25 — 1.2 В) интерфейсы, представленные в SD Express, позволяют снизить энергозатраты ещё сильнее. Если же учесть, что скорость передачи данных по новому стандарту существенно выше, преимущества нового интерфейса "становятся очевидными" (как об этом заявляет SDA).
Рис. 14. Преимущества SD Express по сравнению со старым SD UHS-I. SD Express WhitePaper, 2020-05-19, SD Association
05. Полезные ссылки
- Официальный сайт SD Association
О SD Express (SD 8.0)
- Press-release "SD EXPRESS DELIVERS NEW GIGABYTE SPEEDS FOR SD MEMORY CARDS"
- SD Express WhitePaper, 2020-05-19, SD Association
Интересно
- SD Express (SD7.x) Host Implementation Guideline
06. Заключение
Принесёт ли новый стандарт SD Express что-то кардинально новое, сказать сложно. Тем не менее, мы можем следить за развитием событий и надеяться, что когда-нибудь маркировка SD карт позволит выбирать их с лёгкостью, а не как это происходит сейчас.
Спасибо за внимание!
P.S. Если вы нашли опечатки или ошибки в тексте, пожалуйста, сообщите мне. Это можно сделать выделив часть текста и нажав "Ctrl / ⌘ + Enter", если у вас есть Ctrl / ⌘, либо через личные сообщения. Если же оба варианта недоступны, напишите об ошибках в комментариях. Спасибо!
