M.2 Solid State Disks: Ξεχάστε τους σκληρούς δίσκους, ξεχάστε τα SATA SSDs!

Συνταξη / Επιμελεια: Θεόδωρος Χατζηκώστας | 04 Φεβρουαριου 2017
Posted in υλικό - Αποθηκευτικά Μέσα

Τα τελευταία 7-8 χρόνια βιώνουμε μια μεγάλη αλλαγή στην πληροφορική, αυτή της μετάβασης από τα παραδοσιακά μαγνητικά μέσα (σκληρός δίσκος) στην αποθήκευση στερεάς κατάστασης (Solid State Disks). Τα SSDs έχουν καταφέρει με τις επιδόσεις τους να δώσουν νέα πνοή ταχύτητας τόσο στους νέους όσο και στους παλιούς υπολογιστές. Σε αυτό το άρθρο θα εξετάσουμε μια νέα τεχνολογία, το M.2 interface που διαθέτουν αρκετές νέες μητρικές πλακέτες και το οποίο υπό τις κατάλληλες συνθήκες, αυξάνει σε δραματικό ρυθμό τις ήδη απίθανες επιδόσεις των σύγχρονων  αποθηκευτικών μονάδων.

Το πρόβλημα των θυρών SATA

Έως πριν λίγο καιρό, όποιος ήθελε να προσθέσει σύγχρονο αποθηκευτικό μέσο στον υπολογιστή του, μπορούσε να το κάνει είτε μέσω του τυπικού SATA interface είτε μέσω μιας PCIexpress κάρτας. Και τα δύο αυτά πρότυπα όμως είχαν και έχουν τα μειονεκτήματα τους. Όσον αφορά το SATA interface, η μέγιστη ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων είναι τα 550MB/sec. Μπορεί αυτό το νούμερο να δείχνει μεγάλο (ειδικά αν το συγκρίνουμε με τα 130MB/sec των κορυφαίων μαγνητικών δίσκων), αλλά από την άλλη, αυτά τα 550MB/sec δεν είναι τίποτα μπροστά στα... GB/sec που μπορεί να επιτύχει μια PCIexpress κάρτα αποθήκευσης. Δυστυχώς οι τελευταίες απευθύνονται σε ιδιαίτερο κοινό, είναι συνήθως ακριβές ενώ απαιτούν μία PCIe θύρα και επιπλέον χώρο.

Η λύση του SATAe

Το SATA consortium ως λύση στο πρόβλημα της ταχύτητας έχει παρουσιάσει  το SATA Express (SATAe) interface, που δυστυχώς δεν είναι pin compatible με το παραδοσιακό SATA1,2,3. Τo SATAe λοιπόν μπορεί να επιτύχει θεωρητική ταχύτητα της τάξης των 2GB/sec αλλά παρόλα αυτά η βιομηχανία δεν δείχνει να το υιοθετεί τη  στιγμή μάλιστα που έχουν εμφανιστεί τα U.2 και M.2 interfaces που μπορούν να επιτύχουν αμφότερα διπλάσια απόδοση.

Τι είναι λοιπόν το M.2 interface;

Με λίγα λόγια, το M.2 interface είναι ένας ιδιαίτερα μικρός connector πάνω στην μητρική (οπότε ξεχάστε τα καλώδια μεταξύ του αποθηκευτικού μέσου και αυτής) που επιτρέπει να συνδεθούν (καρφωθούν) επάνω του κάρτες σε στυλ daughterboard -ουσιαστικά δηλαδή κάρτες επέκτασης στο στυλ αυτών που βλέπαμε εδώ και χρόνια στα laptop. Είναι κάτι σαν να τοποθετείς μνήμη RAM στην μητρική αν θέλετε. Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του M.2 είναι πως στις καλύτερες τους εκδόσεις επικοινωνεί με την μητρική δια μέσω τεσσάρων PCIe3 γραμμών και αυτό σε απλά Ελληνικά σημαίνει πως είναι διαολεμένα γρήγορο, προσφέροντας ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων της τάξης των 4GB/sec! Το M.2 interface μπορεί να δεχτεί πληθώρα περιφερειακών (λ.χ. μια κάρτα Bluetooth) στην πράξη όμως, εμείς θα ασχοληθούμε με το πραγματικό διακύβευμα –τη χρήση του στον τομέα των αποθηκευτικών μέσων.

Τα καλά νέα με το M.2 δεν σταματούν στην ωμή ταχύτητα που προσφέρει. Ενώ τα βασισμένα στο SATA μέσα είναι αναγκασμένα να χρησιμοποιούν το AHCI πρότυπο επικοινωνίας το οποίο είναι βασικά βελτιστοποιημένο για μηχανικούς σκληρούς δίσκους, τα M.2 αποθηκευτικά μέσα υποστηρίζουν το NVMe που αποτελεί ένα σύγχρονο πρότυπο επικοινωνίας που εκμεταλλεύεται πλήρως τις δυνατότητες της Solid State μνήμης.

Προσοχή: Ακολουθεί βαρετή τεχνική ανάλυση!

Το AHCI πρότυπο έχει τη δυνατότητα για μία «ουρά» μεταφοράς που μπορεί να μεταφέρει 32 εντολές τη φορά, ενώ το NVMe υποστηρίζει 65535 παράλληλες «ουρές» με 65535 εντολές η κάθε μία. Με απλά Ελληνικά το AHCI πρότυπο θεωρεί (δικαίως) πως είναι χάσιμο χρόνου το να προσπελάσει ταυτόχρονα άπειρα σημεία του σκληρού δίσκου. Αν προσπαθούσε λόγου χάρη να διαβάσει ταυτόχρονα από εκατό διαφορετικά σημεία του σκληρού δίσκου μέσα σε ένα δευτερόλεπτο, τότε οι κεφαλές θα έπρεπε να κάνουν 100 επανατοποθετήσεις την φορά και αν  η κάθε μία από αυτές  απαιτεί χρόνο 9mS τότε ουσιαστικά θα χάνονταν το 90% της απόδοσης του μέσου! Αυτός είναι πάνω-κάτω και ο λόγος που ενώ έχουμε μαγνητικούς δίσκους που διατείνονται πως έχουν ταχύτητα (σειριακής) μεταφοράς δεδομένων στα 130MB/sec, αυτή η ταχύτητα στην πράξη πέφτει στα 10MB/sec ή στο 1MB/sec όταν προσπαθούμε να διαβάσουμε/γράψουμε σε τυχαία σημεία του δίσκου και όχι το ένα πίσω από το άλλο..

Το NVMe πρότυπο από την άλλη κατασκευάστηκε με τα Solid States στο μυαλό και μπορεί να αυξήσει δραματικά την απόδοση ειδικά σε εργασίες που αφορούν τυχαία μεταφορά δεδομένων από διάφορα σημεία του μέσου. Με άλλα λόγια, το AHCI μαζί με το SATA πρότυπο αποτελούν το τελευταίο bottleneck –ευγενική προσφορά των μηχανικών δεινοσαυρικών δίσκων! Το NVMe υποστηρίζεται από όλα τα σύγχρονα interfaces (M.2, PCIe, SATAe) όχι όμως και από το παραδοσιακό SATA (SATA1, SATA2, SATA3).

Δεν είναι όλα ρόδινα

Τα καλά τα αναφέραμε παραπάνω. Αντί να πάρετε ένα SSD που θα έχει μέγιστη απόδοση μεταφοράς δεδομένων τα 550MB/sec, μπορείτε να έχετε αποθηκευτικό μέσω με (θεωρητική) ταχύτητα έως και 4000MB/sec την στιγμή που δεν θα χρειάζεται να μπλέξετε με καλώδια. Δυστυχώς υπάρχουν πολλές κακοτοπιές που θα πρέπει να εξετάσει κάποιος πριν προσπαθήσει να χτίσει ένα μηχάνημα που θα έχει ως βασικό μέσο εκκίνησης ένα M.2 προϊόν. Ποιες είναι αυτές;

α. Μέγεθος

Δεν υπάρχει ένα μόνο μέγεθος όσον αφορά τις διαστάσεις (μήκος και πλάτος) που μπορεί να έχει μια M.2 κάρτα. Ως εκ τούτου, οι κάρτες διαθέτουν έναν τετραψήφιο αριθμό του τύπου 2240 που περιγράφει τις φυσικές τους διαστάσεις (22 χιλιοστά πλάτος, 40 χιλιοστά μήκος στην περίπτωση του 2240). Άρα πριν κάποιος προσπαθήσει να παντρέψει την μητρική του με μια M.2 κάρτα θα πρέπει να ελέγξει αυτόν τον αριθμό τόσο στη μητρική όσο και στο μέσο αποθήκευσης, ώστε να μην βρεθεί προ εκπλήξεων.

β. Θερμοκρασιακά προβλήματα

Έχουν υπάρξει αναφορές για M.2 κάρτες που “ακουμπούσαν” θερμοκρασίες της τάξης των 110^oC σε ανοιχτό κουτί χωρίς την παρουσία άλλων περιφερειακών. Κατασκευαστές όπως η Samsung προκειμένου να προστατέψουν τις κάρτες τους από.. λιώσιμο έχουν εισαγάγει το throttling (ουσιαστικά μείωση επιδόσεων για να πέσει η θερμοκρασία) αλλά και αυτό δεν είναι μόνιμη ή ευχάριστη λύση. Ακόμη χειρότερα, οι περισσότεροι M.2 connectors στις μητρικές, κατοικοεδρεύουν ανάμεσα στις PCIe θύρες και αυτό σημαίνει πως υπάρχει πιθανότητα γειτνίασης με κάποια κάρτα γραφικών. Αν αναλογιστούμε πως οι κάρτες γραφικών επιδόσεων (ειδικά αυτές που δεν είναι τελευταία γενιάς) έχουν TDP της τάξης των 110W έως και 250W αυτό σημαίνει πως βάζοντας δύο πολύ ζεστά περιφερειακά το ένα δίπλα στο άλλο, θα υπάρξει πρόβλημα όχι μόνον σε αυτά, αλλά ίσως και στην μητρική που τα φιλοξενεί.

Άρα αν κάποιος σκοπεύει τα υιοθετήσει την M.2 λύση, θα πρέπει να ελέγξει την θερμική απόδοση της M.2 κάρτα που θα αγοράσει και αν γίνεται (εφόσον υπάρχουν περισσότερες της μίας M.2 θύρες) να την «καρφώσει» όσο το δυνατόν πιο μακριά από την κάρτα γραφικών.

Οι κατασκευαστές μητρικών πάντως έχουν αντιληφθεί το πρόβλημα και ήδη παρουσιάζουν λύσεις. Για παράδειγμα η MSI στην τελευταία γενιά των Intel μητρικών της, προσφέρει το M.2 Shield που βασικά πρόκειται για μια εξειδικευμένη ψήκτρα. Για τους υπόλοιπους, κυκλοφορούν ψήκτρες που αγκαλιάζουν οποιαδήποτε M.2 κάρτα και απάγουν αποδοτικότερα την παραγόμενη θερμοκρασία.

γ. Ψευτο-M.2 λύσεις

Το M.2. πρότυπο δεν είναι αυτό που θα λέγαμε τέρας τυποποίησης. Υπάρχουν controllers που χρησιμοποιούν την τελευταία τεχνολογία (PCIe Gen3 και NVme) άλλοι που στην πράξη είναι αντάπτορες από SATA σε M.2 interface και που φυσικά δεν μπορούν να πιάσουν το όριο των 4GB και περιορίζονται στα 550MB/sec που προσφέρει το SATA3.

δ. Γραμμές PCIe

Ένα άλλο πρόβλημα που πάλι έχει να κάνει με την μητρική, είναι το γεγονός πως επειδή το M.2 interface απαιτεί πολύτιμες PCIe γραμμές, εάν κάποιος εγκαταστήσει μία M.2 κάρτα, τότε αυτόματα (ή χειροκίνητα ανάλογα με την περίπτωση) ακυρώνονται δύο ή και περισσότερα SATA ports.

Όσον αφορά την Intel, προηγούμενης γενιάς μητρικές με chipsets του τύπου Z97 τείνουν να ακολουθούν αυτή την τακτική, ενώ ακόμη και σε μητρικές με  τελευταίας γενιάς chipsets (Z170) υπάρχουν πατέντες όπου με την χρήση του M.2 interface μειώνεται αυτόματα το εύρος τους PCIe connector της κάρτας γραφικών από PCIe x16 σε PCIe x8.  Όλα έχουν να κάνουν με τις διαθέσιμες PCIe γραμμές και το κόστος. Μητρικές που βασίζονται στο πιο ακριβό Z270 chipset διαθέτουν τέσσερις (4) παραπάνω PCIe γραμμές σε σχέση με το Z170 chipset (24 αντί 20) και μπορούν να διαχειριστούν καλύτερα την.. πολυκοσμία.

Όσον αφορά την AMD και την νέα της Ryzen αρχιτεκτονική, τα φτηνά της chipsets (A320, B350) θα επιτρέπουν είτε την χρήση 2 PCIe x4 είτε την χρήση δύο M.2 καρτών, ενώ το ακριβό chipset (X370) θα έχει περισσότερες PCIe λωρίδες (24) και θα είναι πιο «ευλύγιστο» όσον αφορά την ανακατανομή αυτών στον SATAe controller ή στο M.2 interface. Όπως και να έχει, μια καλή μητρική σας γλυτώνει από μπελάδες, μια φτηνή μητρική θα σας αναγκάσει να ψάξετε στα ψιλά γράμματα των προδιαγραφών.

ε. Connectors

Ούτε ο connector του M.2 είναι ένας. Υπάρχουν τέσσερις τύποι (προς το παρόν), με αυτούς που αφορούν τα αποθηκευτικά μέσα να ονομάζονται τύπου B και M. Οι τύπου B χρησιμοποιούν PCI x2 δίαυλο ενώ οι τύπου M είναι οι πιο γρήγοροι και υποστηρίζουν PCIe x4.

Κάποιες κάρτες είναι συμβατές και με τα δύο, άλλες όχι, άρα θα πρέπει να σιγουρευτείτε πως δεν θα υπάρξουν παρατράγουδα (το επικρατέστερο πάντως είναι το M).

στ. Ταχύτητα M.2 κάρτας

Και πάμε στο τελευταίο ευτράπελο: M.2 κάρτες που δεν προσφέρουν καμία διαφορά σε απόδοση σε σχέση με τα SATA SSDs! Αν κοιτάξουμε τους παραδοσιακούς εισαγωγείς στην Ελλάδα, αυτοί πωλούν ακόμη, M.2 κάρτες όπως η Kingston G3 ή η Crucial MX300 που έχουν επιδόσεις ίδιες ή χειρότερες με ενός SATA3 drive! Είναι αδιανόητο να ασχολούμαστε με τέτοια προϊόντα όταν το ζητούμενο από το M.2 interface είναι η επιπλέον απόδοση.  Να μια πρόχειρη λίστα με M.2 drives της Ελληνικής αγοράς που προσφέρουν αυτό το κάτι παραπάνω, άλλα σε λογική τιμή, άλλα σε... όχι τόσο:

Το Patriot Hellfire M.2 δείχνει εκπληκτικό όσον αφορά την απόδοση προς κόστος –τουλάχιστον στα χαρτιά!

Παλιές μητρικές

Αν ο υπολογιστής σας δεν διαθέτει κάποια σύγχρονη μεσαία προς ακριβή μητρική ηλικίας 1~2 ετών (s1151) τότε κατά πάσα πιθανότητα δεν θα βρείτε κάποια M.2 θύρα επάνω της. Για όσους θέλουν να την... παλέψουν χρησιμοποιώντας μια μικρή πατέντα, υπάρχουν άπειροι controllers των... €5 στο eBay οι οποίοι καρφώνονται σε μια PCIe x4 θύρα και σας προσφέρουν την δυνατότητα να χρησιμοποιήσετε ένα γρήγορο M.2 μέσο. Αξίζει την προσπάθεια!

Επίλογος

Το M.2 interface απευθύνεται τόσο σε ερασιτέχνες όσο και επαγγελματίες και προσφέρει τεράστια διαφορά σε απόδοση σε σχέση με τα «παραδοσιακά» SATA3 SSDs. Χρήστες που χειρίζονται τεράστιο όγκο δεδομένων (για παράδειγμα κάποιος που επεξεργάζεται εικόνες ή βίντεο) θα δουν μεγάλη διαφορά σε απόδοση, τόσο λόγω του μεγαλύτερου προσφερόμενου bandwidth (4GB vs. 0.5GB) όσο και λόγω της νέας τεχνολογίας (NVMe vs. AHCI). Σκεφτείτε με πως λιγότερα από 300€ μπορείτε να φτιάξετε ένα RAID 0 array και να έχετε δίσκο χωρητικότητας 480GB με (θεωρητικές) ταχύτητες ανάγνωσης/εγγραφής της τάξης των 6GB/sec και 4.6GB/sec αντίστοιχα!

Όπως σε κάθε νέα τεχνολογία, έτσι και στην περίπτωση του M.2 interface υπάρχουν πολλές κακοτοπιές και σκοτεινά σημεία. Προβλήματα θερμοκρασίας, χώρου, συμβατότητας pins ή/και αόρατου bottleneck λόγω κακής υλοποίησης της μητρικής ή αργού M.2 μέσου. Για κάποιους η όλη διαδικασία ίσως να μοιάζει με μια κόλαση ασυμβατοτήτων και προδιαγραφών που πρέπει να αντιμετωπιστούν. Στην πράξη τα πράγματα δεν είναι τόσο δύσκολα ή δραματικά. Απλά χρειάζεται προσεκτικός έλεγχος όλων των παραμέτρων που αναφέρθηκαν παραπάνω και λίγο παραπάνω διάβασμα (ειδικά στο εγχειρίδιο της μητρικής αλλά και τις προδιαγραφές της), ώστε να μπορέσουμε σχετικά ανώδυνα να χτίσουμε ένα σωστό σύστημα, ένα σύστημα που θα είναι εκθαμβωτικά (έως και 500%) πιο γρήγορο από ένα υπολογιστή με παραδοσιακό SATA3 SSD, χωρίς μάλιστα ιδιαίτερες αποκλίσεις στην τιμή!