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具备PCIe NVMe接口的SD Express存储卡
日期:2018-07-01 11:59:55   作者:SD Association
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执行摘要


2018年6月,SDA发布了SD7.0,推出了两大主要新功能:
- SD Express:在传统SD接口的基础上,在SD存储卡中引入以高带宽和低延迟存储著称的PCIe NVMeTM接口。
- SD Ultra Capacity(SDUC):将SD存储卡的最大容量由2TB扩展至128TB。

鉴于新一代高性能移动计算的要求,实施PCIe技术和更先进的NVMe协议将使SD卡能比目前的SD平台更快地读取文件数据,速度将高达985MB/s,从而可支持由强大系统架构生成的内容应用程序和数据。此新协议使SD Express存储卡可用作移动固态硬盘(SSD)。

这种速度对高分辨率内容应用程序不可或缺,例如:超慢动作视频、RAW连拍模式摄影、8K视频捕捉和回放、360度全景视频、存储卡和移动计算设备上运行的对速度有较高要求的应用程序、不断发展的游戏系统、多路物联网设备和不计其数的汽车存储需求等等。

除大量性能改进外,SD Express存储卡还沿袭了SD卡长期以来的优势,即向后兼容性和互操作性。SD Express存储卡在现有SD(UHS-I)接口的基础上新增PCIe接口,从而可在支持SD Express的新型主机及目前市场中数十亿现有SD主机产品间实现互操作。



对容量、性能和现代协议的无尽需求



在SD 7.0规范中,SDA扩展了传统SD存储卡的容量限制,以满足用户与日增长的需求。新SDUC突破了SDXC的2TB最大容量限制,使SD卡能存储高达128TB的数据,不论何种物理规格(微尺寸或全尺寸)或接口类型(包括UHS-I、UHS-II、UHS-III和SD Express)。然而,带PCIe NVMe接口的SD Express卡是SD7.0规范的革新之处。

据一些主要市场資料显示,市场提高了对移动存储卡的要求,要求其具备更快的速度和优化的协议和接口:

应用程序需要容量
• 随着应用程序的发展,高容量内存需求持续增长,如存储在SD卡上用于脱机使用的高分辨率视频、3D影像游戏、社交媒体、无人机、运动型摄像机、360度全景摄像机、虚拟實境和媒流体视频内容等。
• 容量更大的存储卡需要更快的速度性能。

不断发展的计算基础设施
• 支持无线(包括Wi-Fi/Wi-Gig)或有线(如USB3.X)连接的输入/输出(IO)通信接口的性能不断提升。
• 应用程序处理技术(包括多核、高速、RAM扩增等)快速发展。
• 内嵌式存储器正过渡到更加先进的协议,包括UFS和PCIeNVMe协议,这开启全新机遇。
• 这些不断演变的技术趋势推高了对移动存储接口的随机及连续性能要求。

客户端计算、影像和汽车
• 客户端计算正快速从SATA切换至第三代PCIe、多通道和第四代协议。
• 各类与存储相关的新兴市场都要求高速存储接口和多通道运行。此类市场包括自动驾驶汽车和联网汽车,这些设备配有多个传感器用于采集和处理数据,为物联网设备捕捉多通道视频。
• 影像市场已朝着 UHS-II和III或PCIe发展。

这些不断演变的技术趋势表明,市场需要高性能连续随机存取存储卡,而SD Express正符合此项要求。主要操作系统现支持直接从SD存储卡中启动应用程序。SD存储卡现可用作Google Android设备的内嵌式内存或用于存储视频/音频内容并存储和运行应用程序的扩展系统存储器。从存储卡中运行Android应用程序需要更高的随机性能和连续性能。

在2016及2017年,SDA引入了应用程序性能分类A1和A2,确保在特定条件下,SD存储卡的随机性能保持在特定水平。尽管现有SD接口的连续和随机性能足以满足存储卡目前的使用需求,但是新应用程序将无疑会有更高的性能要求,SD Express新增性能更高的PCIe NVMe接口,可满足此高性能要求。


带PCIe NVMe接口的SD Express存储卡将惠及大


SD Express带有一个UHS-I接口和一个PCIe NVMe接口。在SD中使用第三代PCIe NVMe版本1.3协议已有详细说明,例如:初始化过程、引脚配置等,但总体思路是使用由PCI SIG NVMe论坛定义的现有著名协议。SDA借助市场中已有的成功协议,通过利用现有测试设备和节约开发成本,让行业更具优势。若公司使用现有的构建模块和设计,即表示其能节省成本并提高账本底线。

SD Express支持主要操作系统,随着支持PCIe NVMe的驱动日益普及,未來容易被市场采纳。



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规格
• 全尺 SD Express卡采用与现有SD UHS-II相同的引脚和连接器。
• 采用新型PCIe NVMe接口。单通道第三代PCIe的差分接口使用与第二行引脚内的SD UHS-II差分接口垫片相同的垫片。然后,通过第一排引脚,将PCIeREFCLK与边带信号CLKREQ#及PERRST#一同分享给现有SD UHS-I。
• 第一排也是SD UHS-I接口,可充分向后兼容数十亿现有SD主机设备并与之进行互操作。
• SD Express将不支持 UHS-II接口。
• SD7.0规范定义了使用两种电源的全尺寸物理规格,即传统3.3伏特和1.8伏特。SD7.0还提供1.2V的可选电源,以防未来的物理规格要求有额外的第18号引脚。
可选1.2伏特电源将使电源/性能得到进一步优化。

SDExpress接口和初始化过程具备灵活性,以便SDExpress兼容主机通过原有SD接口或PCIe接口对存储卡进行初始化。强烈建议通过原有SD接口进行初始化,因为它预先提供关于存储卡功能的说明,并避免不受支持的存储卡或协议重复进行多余的迭代。

SDExpress是将SDExpressPCIeNVMe主机指定为“标准NVMe设备”(海量存储控制器→固态控制器→NVM Express设备)。因此,标准NVMe驱动器可访问SDExpress存储卡。

使用SD Express技术的存储卡通过主机消耗的最大功率为1.80瓦特,该数据表示消耗两个电源的累计瓦数。

假设使用的是NVMe版本1.3,PCIe NVMe接口支持以下部分SD协议功能。未来,NVMe可能支持所有这些功能:
• 密码锁定/解锁:存储卡仅可通过原有SD接口进行密码锁定/解锁。锁定的存储卡不允许通过SD或PCIeNVMe接口访问内存。
• 防写入保护功能:存储卡可以通过原有SD接口设为防写入保护模式。启用防写入保护的存储卡不允许通过其SD或PCIe NVMe接口执行任何写入操作。
不支持通过PCIe接口实现以下传统SD功能
• SD可刻录介质内容保护(CPRM)安全功能:如果SDExpress主机通过PCIe接口访问含有经CPRM加密的文件的存储卡,则主机会将这些文件读取为加密数据,此外,在将存储卡插入任何不支持CPRM的SD主机时也会出现相同的结果。
• 速度等级:使用PCIe接口时不支持也无需支持速度等级、超高速速度等级和视频速度等级。

系统开发者的新选择

PCIe NVMe标准是功能强大的协议,提供各种功能以供系统使用者选择使用。以下列举了PCIe NVMe的部分潜在用途示例。请注意,所列的功能与PCIe NVMe功能的性质相关,但与SD Express无关。

总线主控
• PCIe原生支持总线主控(第一方DMA)。
• 该功能允许在设备之间实现芯片间通信。
• 例如,调制解调器可以直接向存储器发送IO请求,无需应用处理器(AP)提供任何“协助”。
• AP可以转至低功耗模式,从而节省电池总电量
• 从调制解调器至存储设备的更佳延迟路径支持多队列,无锁定机制
• NVMe可在DRAM中为每个CPU核心指定一个专门的命令队列。
• 其他原有嵌入式内存接口在主机控制器中有一个命令队列。
• 旧版协议中需要同步和锁定,以互相访问单个队列。
• 原有接口的主机控制器是架构中的系统瓶颈。具備PCIe NVMe接口的SD Express存储卡主机内存缓冲器(HMB)
• 高性能架构通常需要额外的控制器资源。例如,相較於DRAM较为昂贵的嵌入式SRAM。
• HMB 和总线主控原生NVMe PCIe功能对于在有限的總體懲罰成本下显著提高存储性能非常有用,而这种方式通过将DRAM资源用作控制器内置RAM的直接延伸予以实现。
• 分配的DRAM大小需遵循主机设备策略。
• 重要提示:未来,随着SD Express速度越来越快,相比SD存储卡的内存,DRAM在系统选择方面具备灵活性。内置DRAM可用于节省SD Express存储卡的资源。此外,SD Express存储卡的内存可成为内置DRAM用途的延伸。

给主机产品制造商的小建议

结合PCIe NVMe接口使用时,主机产品制造商现可考虑使用现有的SD接口和PCIe NVMe构建模块来利用SD Express主机接口的全新发展成果。

这种设计的唯一挑战是切换机制和/或共享信号的上拉/下拉IO控件 – REFCLK、CLKREQ#和PERRST#。此IO控制电路可能相对较为简单;但是它要求全面研究并了解初始化过程中各阶段的接口和正常操作两种模式其中一种模式的接口。

消费者影响

消费者继续将存储卡与他们的产品搭配使用以实现最佳的性能。制造商会在产品、其包装和用户手册中使用SDA标志和徽标。所有采用SD Express 技术的SDHC、SDXC和SDUC存储卡将具备支持在原有SD接口上执行读写操作的SD SDUHS-I接口和标识。但是,为了使用其PCIe NVMe接口实现最高性能,主机必须支持SD Express。因此,需要将SD Express主机与SD Express存储卡搭配使用,以实现最佳性能和最佳用户体验。



总结



由于SD存储卡容量的提升、各种设备的速度密集型应用程序以及海量存储器的出现,人们对随机和连续性能水平的大幅提升和更多先进协议的需求越来越高。SD7.0中引入的SD Express特性中不仅新增了PCIe NVMe接口,为SD存储卡带来新的商机,亦为其用途开启全新的世界,同时还向后兼容数十亿款现有SD主机。得益于使用给定构建模块和现有测试设备的现有知识,SDA 使采用更加简单。

查询进一步信息,请访问官方网站https://www.sdcard.org/chs/downloads/pls/latest_whitepapers/SD_Express_Cards_with_PCIe_and_NVMe_Interfaces_White_Paper.pdf。
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