2.5英寸存储设备救世主之U.2接口初探

SATA规范的发展已经长达数十年了，随着SATA产品的性能逐渐挖掘殆尽、600MB/s的接口带宽限制，这似乎意味着机箱内部2.5英寸存储设备的寿终正寝。为此SATA-IO组织特别开发了借道PCI-E总线的SATAe物理接口。然而该接口设计复杂，在兼容性的表现上也不是很出色，因此直到现在，市面上也很难看到实际的产品。终，一种全新、兼容性非常强大的U.2接口横空出世，将很有可能成为我们未来存储设备的主要传输接口，那么它到底有什么必杀技呢？

近日很多读者都在咨询一种新的U.2 SSD，据说速度甚至可以达3000MB/s，并且整体性能极为强悍，还能够支持NVMe协议，那么这是一种什么技术规范呢？它对应的产品是什么样子的呢？实际上，所谓的U.2并不是一种传输规范，而是一种接口规范。也就是说，U.2目前只是一种全新设计的物理接口，使用这种接口的设备，在有效规范的支持下，可以达到很高的传输速度。那么，现在的SATA和SATAe等接口规范不够用吗？为什么还要增加一种新的接口标准呢？且听我们慢慢道来。

众所周知，SATA接口的速度已经成为固态硬盘发展的瓶颈。不久之前，SATA-IO组织制定了下一代存储传输标准，被称为SATA-Express。顾名思义，SATA-Express中的“Express”，实际上源自于PCI-Express。因为SATA技术如果继续发展，在成本控制以及商业化方面已经不太合适，在这种情况下，SATA-IO组织希望借助PCI-E的高速总线继续提升存储系统的读写速度，这也就成为了SATA-Express标准的由来。

SAS、U.2（也就是SFF-8639）和SATA的数据和供电接口结构看起来非常相似。

M.2接口很不错，更适合在移动设备中使用。

U.2接口外观，它究竟是何方神圣呢？

SATAe接口，目前看起来似乎不太受用户欢迎。

而借助PCI-E总线，SATA-Express标准可以轻松打破SATA 6Gb/s的带宽限制，尤其是在PCI-E 3.0技术得到应用后。同时为了充分发挥出固态硬盘的性能，SATA-Express标准除了保留AHCI工作模式外，还增加了NVMe工作模式。该模式可以减少存储设备的访问延迟，提升存储设备在高队列深度即多任务环境下的IOPS，并减少设备功耗(当然，这也需要存储设备支持NVMe技术)。为了发挥出SATA-Express中以上先进技术的实力，SATA-IO组织首先给出了他们设计的SATAe接口。

不过，虽然人们对SATA-Express标准表示看好，但是对于SATAe接口却不太乐观。原因也很简单，目前的SATAe接口本身比较复杂，在不同的设备上有多达五种设计规范，其中在主板上使用的规范为了确保兼容性和接口复用，竟然由PCI-E部分和两个SATA接口组成，无论是工程设计还是使用方便性都不够令人满意。尤其值得一提的是，目前的SATAe接口预留的线路只能满足PCI-E的两个通道使用，只能提供高10Gb/s的带宽，发展空间极为有限。相比之下，更小巧玲珑的M.2接口都完全兼容PCI-E 3.0，并能多提供4个PCI-E通道，因此SATAe接口在市场层面上受欢迎程度不高也是可以预见的。

无独有偶，除了SATA-IO组织外，固态硬盘形态工作组织（SSD Form Factor Working Group）也在积极布局下一代硬盘的接口设计和规范制定。他们推出的硬盘接口规范被称为SFF-8639，听起来名字特别奇怪，不过没有关系，目前SFF-8639已经改名为“U.2”，也就是本文今天的主角。和SATA-IO组织推出的SATAe接口相比，U.2接口不但支持SATA-Express规范，还能兼容SAS、SATA等各种规范。如此强大的U.2接口很快就得到了市场的青睐，并有望通过SATA-IO组织的认证，成为未来SATA-Express标准下的主流存储接口。

巧妙的物理接口设计

在谈论U.2接口的结构之前，我们不妨先来看看SATA接口的结构。SATA接口在硬盘端被分为两个部分，一部分是SATA数据线，一部分是SATA的电源和控制线。这两个接口都采用了“L”型防呆设计，并且长度存在显著差别，因此很容易使用。除了SATA接口外，市场上还有SAS硬盘，采用的接口外观和SATA非常相似，长度和尺寸都基本相同，不过去掉了SATA接口中间的分隔部分，转而布置了一组SAS Port B触点。

从结构来看，U.2接口显然是从SAS接口那里得到了设计灵感。U.2接口长度和SATA接口的电源和数据接口的总和基本相当，不过它同样取消了SATA接口中央的分隔部分，并大幅度增加了数据传输触点。整个U.2接口的触点部分可以分为六组，包括通道0和参考时钟0、通道1～3（行业SAS第三、第四个端口共用，同时也提供参考时钟1和边带）、边带、SATA/SAS第一个端口、SAS第二个端口、控制和电源部分等六个部分。这六个部分不但包含了之前的SAS接口、SATA接口的特征以保证向下兼容，还加入了PCI-E通道确保高速传输。在供电方面，U.2接口同时满足3.3V和12V标准，其中12V标准是为PCI-E通道所使用的。此外，在物理外观设计上，由于取消了分隔部分，为了确保插口不会由于反向而损坏设备，U.2接口也仿照SAS设计了不对称的突起防呆口，甚至寸土寸金的在防呆口内部布置了多个数据触点，有效利用所有的空间。

从设计角度来看，U.2接口的物理部分还是很讨巧的，相比之前的SATA数据传输和电源而言并没有太大的改动，因此还是可以很方便地使用在目前的PC系统上。除此之外，U.2接口还有很多特性值得用户关注。比如它的允许功耗更大，高可达25W左右，能满足更大容量SSD的需求，同时它在限制浪涌电流方面也做出了更好的设计，以保障用户的数据安全。

Tips：如何在现有主板上使用U.2接口

在介绍了这么多U.2接口的内容之后，肯定有读者担心了：现在的主板是不是都不能使用U.2接口呢？毕竟这是一个全新的物理接口标准啊！答案显然不是这样。一般来说，只要你的主板支持M.2接口，就可以通过转接设备转接成U.2接口。

Hyper Kit转接器可将M.2转换为U.2接口，并且不会损失性能。

通过在Hyper Kit转接器上连接转换线，普通主板也能使用U.2 SSD。

华硕推出了一款名为Hyper Kit的转接器。该卡一端为M.2接口，一端为Mini-SAS HD接口。用户使用时，将该卡插入主板上的M.2接口，再将Mini-SAS HD转U.2连接线插入卡上的Mini-SAS HD接口，然后在连接线上连接U.2 SSD，这样普通主板也能使用U.2 SSD，且性能不低，英特尔U.2 750 SSD的随机4KB QD 32 IOPS数高达434K。不过需要注意的是，如果设备的U.2接口采用的是比较高的规格，比如PCI-E 3.0 x4，那么在使用时需要注意M.2接口的相应规格，否则可能会达不到原有的设计速度从而带来性能损失。

为2.5英寸存储设备而生

作为一个物理组件，U.2接口的兼容性可谓极为出色。它自身包含了SATA、PCI-E、SAS不同的总线方案，因此可以兼容SATA-Express标准、SAS标准、以及SATA标准。换句话来说，U.2接口仅仅是物理设计上的接口，它的性能取决于背后采用何种技术标准。说到这里，有一个疑问就不得不提出来了。目前市场上的M.2接口非常引人注目，再加上体积小，性能也很不错，为什么未来的主流存储设备接口不使用M.2而考虑U.2呢？为什么原生PCI-E接口无法和U.2接口竞争呢？这里还需要仔细来分析。

首先，虽然原生PCI-E接口存储设备的高速度和高效能一直被玩家所称道。不过问题在于，原生PCI-E接口性能虽然非常出色，但PCI-E SSD的体积往往比较大，也没有统一的规范，无论从设备兼容性、还是成本价格，以及需要占据独立插糟的角度考虑，都使得PCI-E接口的存储设备只能被少数专业和高端玩家所使用，很难成为目前主流市场的选择。

其次，和M.2设备相比，U.2接口的优势在哪里呢？我们知道，M.2大的优势在于其苗条的体积，很适合在对体积非常敏感的移动设备和小型设备内使用。但是成也萧何败也萧何，M.2的体积在一定程度上又成为制约其发展的桎梏。对SSD这种采用NAND闪存的设备来说，多通道读写是其性能提升的关键因素，M.2的小体积就天生注定它很难实现多通道、多芯片的设计方案，即使可以，成本也非常高，难以被市场广泛接受。再加上小体积无法使用更多芯片扩展容量，因此M.2设备的容量无法与传统的2.5英寸、PCI-E规格的存储设备相比。所以M.2接口也不太可能成为市场主流。

除了上述的PCI-E和M.2外，经过选择和比对，U.2接口是目前比较出色、有可能成为未来存储设备标准的接口。原因也很简单，U.2接口主要面向的是2.5英寸存储设备。2.5英寸的硬盘目前无论在移动市场还是在台式机市场，不但有极高的保有量，也是市场的绝对主流。2.5英寸设备相比M.2存储设备，体积足够大，能够承载更多的存储芯片，容量和速度都有保证。相比PCI-E存储设备，其板型、设计则更加小巧，成本更低，能在性能与价格中获得一个更好的平衡点。因此，U.2接口很可能在SATAe接口不太受人欢迎之后，接棒市场成为未来受用户青睐的存储设备接口。

在U.2接口成为标准之后，厂商可能根据不同的用户类型，在设备端采用不同的传输规范。对企业级用户和服务器用户来说，U.2接口的硬盘设备会使用SAS规范。那么对绝大部分普通用户来说，SATA-Express规范可能成为未来U.2接口硬盘的主流规范，能够实现高PCI-E 3.0 x4的速度，基本上可以满足未来很长一段时间SSD设备发展的需求了。而对一些机械硬盘来说，SATA接口可能依旧是不错的选择，U.2也完美支持SATA规范。这样一来，厂商只需要使用一个物理接口就可兼容所有的传输规范，用户也可以从中受益，实现双赢。

U.2接口产品和性能实测

目前市场上已经采用U.2接口的存储产品不算很多，主要有英特尔的SSD 750系列中的2.5寸版本、三星XS1715、OCZ Z-Drive 6000三款产品。三款产品都有一个共同的特点，均采用SATA Express传输规范，支持NVMe工作模式，接口带宽达到PCI-E 3.0 x4，这似乎意味着它们都具备非常强大的性能。下面就让我们通过摘录国外媒体THE SSDREVIEW对三星XS1715的几个先行测试，来看看U.2 SSD具备怎样的性能。其测试平台如下：

三星XS1715的外观与官方参数

持续读写能力方面，三星XS1715硬盘写入能力超过了1800MB/s，逼近2000MB/s大关。

读取能力方面，三星XS1715达到了史无前例的3000MB/s，基本上PCI-E 3.0 x4的带宽都差不多释放出来了。

处理器：双英特尔Xeon E5-2690
主板：英特尔S2600CO4
内存：DDR3-1333 16GB ECC
操作系统：Windows 7 x64

从以下图表可以看到，三星XS1715具备非常恐怖的性能，持续读取速度突破3000MB/s，随机4KB写入IOPS也达到了120K。同时英特尔也推出了采用U.2接口的SSD产品，型号是英特尔SSD 750 400GB，这款SSD采用了英特尔20nm工艺，单颗容量为128Gb,采用MLC颗粒。英特尔这款产品的持续写入能力高可达900MB/s，读取能力达到了2200MB/s，4KB随机读取也高达430K IOPS，写入能力达到了230K IOPS，在高端SSD中也算非常不错的性能了。而OCZ则推出了 Z-Drive 6000和Z-Drive 6300两款U.2 SSD，全部面向企业级用户，大容量从800GB起跳，高可达3200GB，堪称目前容量大的SSD之一。相比之下，Z-Drive 6000系列采用的是MLC颗粒，Z-Drive 6300采用的企业级eMLC颗粒，颗粒来源都是东芝19nm、128Gb产品。在性能方面，这两个系列的产品标称的4KB随机读取性能低都有600K IOPS，写入性能除一款低为75K IOPS外，其余都达到了115K IOPS以上。持续写入能力也高达1GB/S，持续读取能力在2.2GB/S以上，性能表现也非常不错。

在随机4KB读写能力方面，三星XS1715表现也非常惊人。写入能力逼近120K IOPS，读取能力高超过了700K IOPS，性能甚至达到了目前高端固态硬盘产品的5到10倍，令人惊讶。

英特尔与OCZ也推出了相应的U.2 SSD

U.2接口未来潜力无限

从前文的技术介绍以及后文的产品介绍、性能分析都可以看出，U.2接口潜力无限。尤其是在使用PCI-E 3.0 x4的情况下，读取速度高可达3GB/s左右，极大地拓展了2.5英寸存储设备未来的发展空间，使得目前限制在600MB/s以内的2.5英寸存储设备传输速度将获得质的飞跃。不仅如此，U.2接口独特的设计、全兼容的特性，都使得它可能成为未来PC存储的主力接口。目前，U.2接口还处于商品化的早期，只有寥寥几个厂商推出相关产品，并且定位主要在企业级，不过随着技术发展和用户对速度的渴求，相信在不远的将来U.2接口也会很快走入千千万万用户的电脑中，成为我们日常使用的产品。据业内人士估计，U.2接口的相关民用产品可能在今年年底就会出现，在2017年左右可能在市场上大规模出现，并终迈入主流市场。