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超高速储存应用的解决方案

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祥硕科技资深协理庄景涪
祥硕科技资深协理庄景涪

祥硕科技成立于2004年,隶属于华硕电脑集团下,着重于高速类比电路的IC设计公司。公司超过八成以上为研发人员, 囊括数码逻辑设计、类比设计、软件研发、系统研发以及实体设计团队。目前开发HDMI/DVI、PCIe高速切换开关╱多工器(Switch)、信号再生器(ReDriver),应用于SATAⅢ、USB3.0与Thunderbolt等高速汇流排界面的桥接芯片、U盘控制芯片、磁碟储存控制芯片等全系列高速界面应用产品…

超高速切换器与信号再生器方案

祥硕科技(ASMedia)资深协理庄景涪,指出高速切换器用于两个以上的控制芯片连接到周边装置时的选择切换之用。像是祥硕针对SATA界面所设计的ASM1453/1456芯片提供SATA6G/USB3.0/PCIe桥接切换,针对USB 3.0及2.0界面的ASM1458切换器,以PCI express界面开发的ASM1430/40、ASM1441(PCIe转HDMI/DVI)切换器,ASM1470/80切换器芯片,以及支持视讯界面的ASM1452(LVDS)、ASM1445(HDMI/DVI)与ASN1446/47(DP)切换器芯片。而ASM1466(SATA6G)、ASM1464/65(USB 3.0)信号再生器(ReDriver)芯片,则应用于长距离信号传输时的重新强化并且稳定信号品质,可改善周边装置兼容互连性。

他列举一个厂商应用切换器设计Thunderbolt/USB 3.0做切换的电路示意图,由ASM1456提供SATA6G周边界面切换,选择从ASM1061连接的Thunderbolt信号输入,或是从ASM1053连接的USB 3.0信号输入,亦可用于连接NAS周边设计,可以连接应用在MacBook Pro or MacBook Air等提供Thunderbolt汇流排的应用。他列出祥硕高速切换开关芯片的产品应用示意图方式,像应用SATAII/III周边的ASM1453/1456 switch、ASM1466 SATA6G ReDriver,搭接Intel/AMD芯片组的LVDS显示输出界面做电压准位调节(Level Shift;LS)的ASM1452 LVDS switch,连接PCIe汇流排的ASM1441 PCIe/DVI切换芯片、ASM1442 HDMI/DVI LS、ASM1443 HDMI/DVI switch LS以及ASM1445 HDMI/DVI switch等芯片。

祥硕USB 3.0 Hub╱主控╱信号再生器╱桥接芯片规划

庄景涪指出,USB 3.0的芯片市场将于2015年出货达20.5亿颗并超越USB 2.0。目前已有11种祥硕的USB 3.0芯片产品通过USB-IF认证,数量居各大IC厂商之冠;其中USB 3.0主控芯片ASM1042全球供货即将超过3,000万颗,提供优异的信号品质及效能,是台厂中最先通过USB-IF认证的主控芯片,并支持USB协会最新提倡的UASP 规格。

他以动画方式呈现并说明原本受限于最大64KB区块的USB的BOT(Bulk Only Transfer)传输模式、以及透过Turbo Driver将之调大至1~2 MB区块长度的改良式BOT(Bulk Only Transfer)传输模式,最后说明了提供多个可弹性调整64KB〜1MB区块大小的USB Attach SCSI(UASP)等传输模式的差异。而祥硕目前已量产ASM1041单埠与ASM1042双埠USB 3.0主控芯片,支持UASP高速传输模式、xHCI v0.96汇流排规格 与BC v1.2充电规格,2012年Q3将推出符合xHCI v1.0规格,纳入Debug Port、BC v1.2及苹果充电能力的ASM1042A 主控芯片。

庄景涪并展示了以ASM1042A USB3.0主控芯片搭配ASM1053桥接芯片的硬件组合,以Windows 7内建BOT驱动程序、相较于采用Windows 8内建原生开启USAP驱动程序下,以Crystal Diskmarkv3.0进行测试,循序读取速度从Win7-BOT的240.6、223.8MB/s,到Win8-UASP模式提高到349.4、229.8MB/s,在4K QD32读、写速度从Win7-BOT的19.11、52.3MB/s,到Win8-UASP模式下的163.4、139.2MB。可以看出透过UASP传输模式可达到的惊人效能。

集线器芯片部份,QFN88L封装脚位设计的4埠ASM1074芯片已经量产,支持BC v1.2以及Apple充电规格;随后2012年Q3〜Q4将推出低功耗QFN64低封装脚位设计的四埠ASM1074L芯片。他指出以往从USB 3.0埠到被充电装置之间需要一个充电侦测切换IC,而ASM1042/1074芯片已内建该充电侦测IC电路,可符合BC v1.2规范的1.5Amp或苹果装置的2A最大可充电规格。

他展示一个连接苹果iPad的周边充电环境下,未支持苹果充电规范的周边仅获得0.097安培的电流,而搭配支持苹果充电规范的装置,就可获得1.091安培的大电流输入,充电时间缩短为8分之1,连接Nokia智能手机时,支持BC v.12可获得0.91安培,远胜过不支持BC v1.2规范下的0.09安培。ASM1074亦提供极高的整合度、可用于两层PCB版之设计,并提供了相较于其他竞争对手还低的BOM表成本与优异竞争力。

在USB3.0转SATA桥接芯片规划上,祥硕目前已量产ASM1051/1051U/1051E等USB3.0转SATA6G芯片,QFN 40L低功耗封装的ASM1054桥接芯片,并可符合所谓的汇流排提供电力(Bus Powered logo)认证、目前主力产品为低BOM成本的ASM1053 3G与ASM1053E 6G桥接芯片,皆得到各大硬盘厂商的采用并大量出货中;Q4将推出第二代架构,可作硬件双磁碟匣(Dual-Bay)与硬件RAID磁碟阵列ASM1056桥接芯片。

ASM1053E桥接芯片提供USB 3.0转SATA6G桥接功能,支持USB 3.0节电模式、UASP传输模式、SATA6Gps/eSATA串行埠界面、SATA v2.6规范与NCQ支持,内建5V/3.3V电源转换功能与3.3V/1.2V直流切换功能,可做为USB 3.0外接储存装置或USB 3.0 SSD、USB 3.0扩充底座等应用。

庄景涪展示1张业者研发的USB 3.0转SATA3的转接板照片,仅2层PCB设计,藉由ASM1053桥接芯片搭配SPI Flash、电感,附加的硬盘电源控制电路,整个转接板面积小巧而纤细,零件数极少化,硬盘商把转接板与既有2.5寸硬盘控制PCB结合成一体,做出体积与苹果iPhone手机相当的2.5寸移动硬盘, 成品外观极为精巧。

USB 3.0U盘芯片、SATA6Gbps主控芯片产品规划

在USB 3.0U盘芯片部份,已于2012年Q2量产的ASM1031芯片,支持双通道最大4CE的19/20/21nm制程MLC/TLC存储器,可支持达68bit ECC并可发挥USAP加速模式,以及内建5V/3.3V电源转换功能与3.3V/1.2V直流切换功能,且已通过USB-IF认证。随后Q3将推出低成本、单通道ASM1030芯片。

ASM1031控制器芯片搭配2CE/SDR(50MHz) Micron L74A MLC存储器,在Crystal DiskMark v3.0实测下,UASP模式开启时循序读、写速度为90.75、48.28MB/s,4K QD32读、写速度为21.06、1.443MB/s;若搭配2CE/DDR(200MHz) Micron L74A MLC存储器且开启UASP模式,循序读、写速度提高到295.8、58.39MB/s,4K QD32读、写速度为21.89、1.695MB/s。

搭2CE/DDR(133MHz)三星TLC存储器且开启UASP模式,循序读、写速度为189.9、16.1MB/s,4K QD32读、写速度为18.1、0.481MB/s;若搭配2CE/DDR(166MHz)东芝MLC存储器,循序读、写速度到254.6、58.42MB/s,4K QD32读写速度为13.17、1.624MB/s。

庄景涪展示采ASM1031设计的几个USB 3.0U盘PCBA设计样本,仅有ASM1031芯片、电感、4层PCB与22个RC排组即可兜成,长度为14mm x 33mm。在搭配200MHz Flash的测试案例中,开启UASP模式下的4K QD32读取速度,较仅使用Win8原生BOT驱动程序下提昇了70%。而ASM1031也通过像Intel、AMD等南桥内建的原生USB 3.0/USB 2.0主控芯片、NEC uDP720200、ASM1042、Fresco 1000/1009与Etron EJ168A主控芯片的兼容性测试。

至于祥硕在SATA 6G(SATA 3.0)相关芯片动态,像已量产的ASM1061芯片,采x1 PCIe v2.0规格,双埠AHCI规格的SATA 6Gbps连接埠,2013年Q1会有支持硬件RAID功能的ASM1061R芯片、支持x2 PCIe v2.0规格的双埠ASM1062R芯片,及支持四埠的ASM1064R芯片。ASM1061磁碟芯片搭配Win7原生AHCI驱动程序下,以CrystalDiskMark 3.0对Plextor 256 SSD实测,循序读、写效能达376.1、306.6MB/s,4K QD32读、写则为69.4、44.98MB/s;接Micron C300 256GB SSD,循序读、写效能达356.7、206.9MB/s,4K QD32读、写则为234.4、169.2MB/s。

而多埠分接(Port MultiPlier)产品部份,则预定在2012Q4推出支持RAID 0+1的ASM1092R SATA6G芯片,2013Q1则推出支持到RAID 0+1、RAID 5的ASM1095R SATA6G芯片。可搭配应用于各种高效能之储存装置。

ThunderBolt/PCIe汇流排产品规划

庄景涪也指出,在Intel Thunderbolt汇流排的应用上,转接USB 3.0部份可使用ASM104X系列USB主控╱集线芯片,在转换SATA周边部份可使用ASM106X系列SATA6G桥接芯片,转接到传统PCI部份可使用ASM108X芯片。以MacBook Pro的Thunderbolt界面,连接支持Thunderbolt界面的外接储存装置盒,内部有ASM1061 SATA6G桥接芯片、搭配Vertex3 SATA3.0 SSD,在Win7环境下循序读、写效能达366、327.9MB/s,在Mac下循序读、写效能达379.3、356.1MB/s。

这个Thunderbolt外接装置若改为透过ASM1042A USB 3.0主控芯片转接至USB 3.0界面,在MacBook Pro以AJA进行测试,仅使用BOT模式下读、写速度为206.7、208.9MB/s,启用UASP模式下读、写速度提升到352.4、313.4MB/s;改接Windows 8环境下,连接ASM1042A USB 3.0主控芯片并开启UASP模式,在ATTO Bench测试循序读、写为366MB/s、376MB/s。可明显看出效能的差异暨改善。

在PCIe产品部份,祥硕已量产ASM1083 PCIe转3PCI芯片与ASM1085 PCIe转5PCI芯片,2012年Q3将推出符合PCIe v2.0规格的PCIe 埠数扩充器, 包括ASM1182(1转2)、ASM1183(1转3)与ASM1184(1转4),Q4将推出ASM1187(1转7)的产品。

庄景涪最后总结,祥硕优势在于提供自行设计且验证过的实体层电路,累积六千万套以上的实际产品市场验证经验,以及取得最多之USB-IF、SATA-IO协会等组织认证;且高层不吝于投资高速量测分析仪器,目前公司具备14部USB 3.0协定分析仪、5部PCIe分析仪与6部SATAⅢ分析仪,4部16GHz+12.5GHz高规格等级的安捷伦、太克等示波器设备,以及各种接收端分析仪器如JBert与Bertscope与PerT3等, 可实时协助客户量测并提供侦错之用。

祥硕产品均透过支持USB 3.0、SATA Partial/Slumber等节能模式与PCIe连线动态电源管理来达成低功耗最佳化,同时透过支持多种电池充电模式与可选择的时脉产生器来源,内建变压电路等等,来协助客户降低总BOM表成本,祥硕时刻以提供客户技术创新、产品效能卓越、价格合宜、品质为先并成为客户值得信赖的夥伴,亦是企业核心价值。