| 具備PCIe NVMe接口的SD Express存儲(chǔ)卡 |
| 日期：2018/7/1 11:59:55 作者：SD Association |
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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(duì)于因使用本文任何信息而導(dǎo)致的任何損害或侵犯SD協(xié)會(huì)或任何第三方的專利權(quán)或其他權(quán)利的行為，SD協(xié)會(huì)概不負(fù)責(zé)。未以暗示、禁止反言或其他方式授予SD協(xié)會(huì)或任何第三方的任何專利或其他權(quán)利許可。本文內(nèi)容不得視為SD協(xié)會(huì)有義務(wù)向任何第三方披露或分發(fā)任何技術(shù)信息、專有技術(shù)或其他機(jī)密信息。
執(zhí)行摘要
2018年6月，SDA發(fā)布了SD7.0，推出了兩大主要新功能：
- SD Express：在傳統(tǒng)SD接口的基礎(chǔ)上，在SD存儲(chǔ)卡中引入以高帶寬和低延遲存儲(chǔ)著稱的PCIe NVMeTM接口。
- SD Ultra Capacity（SDUC）：將SD存儲(chǔ)卡的最大容量由2TB擴(kuò)展至128TB。
鑒于新一代高性能移動(dòng)計(jì)算的要求，實(shí)施PCIe技術(shù)和更先進(jìn)的NVMe協(xié)議將使SD卡能比目前的SD平臺(tái)更快地讀取文件數(shù)據(jù)，速度將高達(dá)985MB/s，從而可支持由強(qiáng)大系統(tǒng)架構(gòu)生成的內(nèi)容應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)。此新協(xié)議使SD Express存儲(chǔ)卡可用作移動(dòng)固態(tài)硬盤（SSD）。
這種速度對(duì)高分辨率內(nèi)容應(yīng)用程序不可或缺，例如：超慢動(dòng)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(chǔ)卡和移動(dòng)計(jì)算設(shè)備上運(yùn)行的對(duì)速度有較高要求的應(yīng)用程序、不斷發(fā)展的游戲系統(tǒng)、多路物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和不計(jì)其數(shù)的汽車存儲(chǔ)需求等等。
除大量性能改進(jìn)外，SD Express存儲(chǔ)卡還沿襲了SD卡長期以來的優(yōu)勢，即向后兼容性和互操作性。SD Express存儲(chǔ)卡在現(xiàn)有SD（UHS-I）接口的基礎(chǔ)上新增PCIe接口，從而可在支持SD Express的新型主機(jī)及目前市場中數(shù)十億現(xiàn)有SD主機(jī)產(chǎn)品間實(shí)現(xiàn)互操作。
對(duì)容量、性能和現(xiàn)代協(xié)議的無盡需求
在SD 7.0規(guī)范中，SDA擴(kuò)展了傳統(tǒng)SD存儲(chǔ)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(chǔ)高達(dá)128TB的數(shù)據(jù)，不論何種物理規(guī)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(guī)范的革新之處。
據(jù)一些主要市場資料顯示，市場提高了對(duì)移動(dòng)存儲(chǔ)卡的要求，要求其具備更快的速度和優(yōu)化的協(xié)議和接口：
應(yīng)用程序需要容量
• 隨著應(yīng)用程序的發(fā)展，高容量內(nèi)存需求持續(xù)增長，如存儲(chǔ)在SD卡上用于脫機(jī)使用的高分辨率視頻、3D影像游戲、社交媒體、無人機(jī)、運(yùn)動(dòng)型攝像機(jī)、360度全景攝像機(jī)、虛擬實(shí)境和媒流體視頻內(nèi)容等。
• 容量更大的存儲(chǔ)卡需要更快的速度性能。
不斷發(fā)展的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)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(yīng)用程序處理技術(shù)（包括多核、高速、RAM擴(kuò)增等）快速發(fā)展。
• 內(nèi)嵌式存儲(chǔ)器正過渡到更加先進(jìn)的協(xié)議，包括UFS和PCIeNVMe協(xié)議，這開啟全新機(jī)遇。
• 這些不斷演變的技術(shù)趨勢推高了對(duì)移動(dòng)存儲(chǔ)接口的隨機(jī)及連續(xù)性能要求。
客戶端計(jì)算、影像和汽車
• 客戶端計(jì)算正快速從SATA切換至第三代PCIe、多通道和第四代協(xié)議。
• 各類與存儲(chǔ)相關(guān)的新興市場都要求高速存儲(chǔ)接口和多通道運(yùn)行。此類市場包括自動(dòng)駕駛汽車和聯(lián)網(wǎng)汽車，這些設(shè)備配有多個(gè)傳感器用于采集和處理數(shù)據(jù)，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備捕捉多通道視頻。
• 影像市場已朝著 UHS-II和III或PCIe發(fā)展。
這些不斷演變的技術(shù)趨勢表明，市場需要高性能連續(xù)隨機(jī)存取存儲(chǔ)卡，而SD Express正符合此項(xiàng)要求。主要操作系統(tǒng)現(xiàn)支持直接從SD存儲(chǔ)卡中啟動(dòng)應(yīng)用程序。SD存儲(chǔ)卡現(xiàn)可用作Google Android設(shè)備的內(nèi)嵌式內(nèi)存或用于存儲(chǔ)視頻/音頻內(nèi)容并存儲(chǔ)和運(yùn)行應(yīng)用程序的擴(kuò)展系統(tǒng)存儲(chǔ)器。從存儲(chǔ)卡中運(yùn)行Android應(yīng)用程序需要更高的隨機(jī)性能和連續(xù)性能。
在2016及2017年，SDA引入了應(yīng)用程序性能分類A1和A2，確保在特定條件下，SD存儲(chǔ)卡的隨機(jī)性能保持在特定水平。盡管現(xiàn)有SD接口的連續(xù)和隨機(jī)性能足以滿足存儲(chǔ)卡目前的使用需求，但是新應(yīng)用程序?qū)o疑會(huì)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(chǔ)卡將惠及大
SD Express帶有一個(gè)UHS-I接口和一個(gè)PCIe NVMe接口。在SD中使用第三代PCIe NVMe版本1.3協(xié)議已有詳細(xì)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(xiàn)有著名協(xié)議。SDA借助市場中已有的成功協(xié)議，通過利用現(xiàn)有測試設(shè)備和節(jié)約開發(fā)成本，讓行業(yè)更具優(yōu)勢。若公司使用現(xiàn)有的構(gòu)建模塊和設(shè)計(jì)，即表示其能節(jié)省成本并提高賬本底線。
SD Express支持主要操作系統(tǒng)，隨著支持PCIe NVMe的驅(qū)動(dòng)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(guī)格
• 全尺 SD Express卡采用與現(xiàn)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(nèi)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(hào)CLKREQ#及PERRST#一同分享給現(xiàn)有SD UHS-I。
• 第一排也是SD UHS-I接口，可充分向后兼容數(shù)十億現(xiàn)有SD主機(jī)設(shè)備并與之進(jìn)行互操作。
• SD Express將不支持 UHS-II接口。
• SD7.0規(guī)范定義了使用兩種電源的全尺寸物理規(guī)格，即傳統(tǒng)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(guī)格要求有額外的第18號(hào)引腳。
可選1.2伏特電源將使電源/性能得到進(jìn)一步優(yōu)化。
SDExpress接口和初始化過程具備靈活性，以便SDExpress兼容主機(jī)通過原有SD接口或PCIe接口對(duì)存儲(chǔ)卡進(jìn)行初始化。強(qiáng)烈建議通過原有SD接口進(jìn)行初始化，因?yàn)樗A(yù)先提供關(guān)于存儲(chǔ)卡功能的說明，并避免不受支持的存儲(chǔ)卡或協(xié)議重復(fù)進(jìn)行多余的迭代。
SDExpress是將SDExpressPCIeNVMe主機(jī)指定為“標(biāo)準(zhǔn)NVMe設(shè)備”（海量存儲(chǔ)控制器→固態(tài)控制器→NVM Express設(shè)備）。因此，標(biāo)準(zhǔn)NVMe驅(qū)動(dòng)器可訪問SDExpress存儲(chǔ)卡。
使用SD Express技術(shù)的存儲(chǔ)卡通過主機(jī)消耗的最大功率為1.80瓦特，該數(shù)據(jù)表示消耗兩個(gè)電源的累計(jì)瓦數(shù)。
假設(shè)使用的是NVMe版本1.3，PCIe NVMe接口支持以下部分SD協(xié)議功能。未來，NVMe可能支持所有這些功能：
• 密碼鎖定/解鎖：存儲(chǔ)卡僅可通過原有SD接口進(jìn)行密碼鎖定/解鎖。鎖定的存儲(chǔ)卡不允許通過SD或PCIeNVMe接口訪問內(nèi)存。
• 防寫入保護(hù)功能：存儲(chǔ)卡可以通過原有SD接口設(shè)為防寫入保護(hù)模式。啟用防寫入保護(hù)的存儲(chǔ)卡不允許通過其SD或PCIe NVMe接口執(zhí)行任何寫入操作。
不支持通過PCIe接口實(shí)現(xiàn)以下傳統(tǒng)SD功能
• SD可刻錄介質(zhì)內(nèi)容保護(hù)（CPRM）安全功能：如果SDExpress主機(jī)通過PCIe接口訪問含有經(jīng)CPRM加密的文件的存儲(chǔ)卡，則主機(jī)會(huì)將這些文件讀取為加密數(shù)據(jù)，此外，在將存儲(chǔ)卡插入任何不支持CPRM的SD主機(jī)時(shí)也會(huì)出現(xiàn)相同的結(jié)果。
• 速度等級(jí)：使用PCIe接口時(shí)不支持也無需支持速度等級(jí)、超高速速度等級(jí)和視頻速度等級(jí)。
系統(tǒng)開發(fā)者的新選擇
PCIe NVMe標(biāo)準(zhǔn)是功能強(qiáng)大的協(xié)議，提供各種功能以供系統(tǒng)使用者選擇使用。以下列舉了PCIe NVMe的部分潛在用途示例。請(qǐng)注意，所列的功能與PCIe NVMe功能的性質(zhì)相關(guān)，但與SD Express無關(guān)。
總線主控
• PCIe原生支持總線主控（第一方DMA）。
• 該功能允許在設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)芯片間通信。
• 例如，調(diào)制解調(diào)器可以直接向存儲(chǔ)器發(fā)送IO請(qǐng)求，無需應(yīng)用處理器（AP）提供任何“協(xié)助”。
• AP可以轉(zhuǎn)至低功耗模式，從而節(jié)省電池總電量
• 從調(diào)制解調(diào)器至存儲(chǔ)設(shè)備的更佳延遲路徑支持多隊(duì)列，無鎖定機(jī)制
• NVMe可在DRAM中為每個(gè)CPU核心指定一個(gè)專門的命令隊(duì)列。
• 其他原有嵌入式內(nèi)存接口在主機(jī)控制器中有一個(gè)命令隊(duì)列。
• 舊版協(xié)議中需要同步和鎖定，以互相訪問單個(gè)隊(duì)列。
• 原有接口的主機(jī)控制器是架構(gòu)中的系統(tǒng)瓶頸。具備PCIe NVMe接口的SD Express存儲(chǔ)卡主機(jī)內(nèi)存緩沖器（HMB）
• 高性能架構(gòu)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(duì)于在有限的總體懲罰成本下顯著提高存儲(chǔ)性能非常有用，而這種方式通過將DRAM資源用作控制器內(nèi)置RAM的直接延伸予以實(shí)現(xiàn)。
• 分配的DRAM大小需遵循主機(jī)設(shè)備策略。
• 重要提示：未來，隨著SD Express速度越來越快，相比SD存儲(chǔ)卡的內(nèi)存，DRAM在系統(tǒng)選擇方面具備靈活性。內(nèi)置DRAM可用于節(jié)省SD Express存儲(chǔ)卡的資源。此外，SD Express存儲(chǔ)卡的內(nèi)存可成為內(nèi)置DRAM用途的延伸。
給主機(jī)產(chǎn)品制造商的小建議
結(jié)合PCIe NVMe接口使用時(shí)，主機(jī)產(chǎn)品制造商現(xiàn)可考慮使用現(xiàn)有的SD接口和PCIe NVMe構(gòu)建模塊來利用SD Express主機(jī)接口的全新發(fā)展成果。
這種設(shè)計(jì)的唯一挑戰(zhàn)是切換機(jī)制和/或共享信號(hào)的上拉/下拉IO控件 – REFCLK、CLKREQ#和PERRST#。此IO控制電路可能相對(duì)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(fèi)者影響
消費(fèi)者繼續(xù)將存儲(chǔ)卡與他們的產(chǎn)品搭配使用以實(shí)現(xiàn)最佳的性能。制造商會(huì)在產(chǎn)品、其包裝和用戶手冊(cè)中使用SDA標(biāo)志和徽標(biāo)。所有采用SD Express 技術(shù)的SDHC、SDXC和SDUC存儲(chǔ)卡將具備支持在原有SD接口上執(zhí)行讀寫操作的SD SDUHS-I接口和標(biāo)識(shí)。但是，為了使用其PCIe NVMe接口實(shí)現(xiàn)最高性能，主機(jī)必須支持SD Express。因此，需要將SD Express主機(jī)與SD Express存儲(chǔ)卡搭配使用，以實(shí)現(xiàn)最佳性能和最佳用戶體驗(yàn)。
總結(jié)
由于SD存儲(chǔ)卡容量的提升、各種設(shè)備的速度密集型應(yīng)用程序以及海量存儲(chǔ)器的出現(xiàn)，人們對(duì)隨機(jī)和連續(xù)性能水平的大幅提升和更多先進(jìn)協(xié)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(chǔ)卡帶來新的商機(jī)，亦為其用途開啟全新的世界，同時(shí)還向后兼容數(shù)十億款現(xiàn)有SD主機(jī)。得益于使用給定構(gòu)建模塊和現(xiàn)有測試設(shè)備的現(xiàn)有知識(shí)，SDA 使采用更加簡單。
查詢進(jìn)一步信息，請(qǐng)?jiān)L問官方網(wǎng)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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| → 『關(guān)閉窗口』 |
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