PCIe技术界面于工控领域的发展趋势与应用
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NAND Flash快闪存储器速度飞快的进展，制定中的ONFI v4.0将使用1.2V的DDR3的传输界面技术，单通道Flash传输速率将挑战800MB/s；过去以SATAⅢ(6Gbps)做为传输界面的SSD固态硬盘产品，即将面对传输界面速度无法突破的瓶颈与限制；PCIe界面技术即将蓄势待发，从M.2、SATA Express、PCIe x16附加卡，与SFF-8639新型界面的提出，都是储存装置业者亟欲突破效能限制下，成为新一代SSD产品效能突破的唯一解决方案...
宜鼎国际(Innodisk)工控FLASH事业处协理吴锡熙，从快闪储存装置在工业控制领域的应用，储存传输界面从IDE、SATA与其他界面规格的时代演进，PCIe界面与各种界面尺寸与最后总结做说明。他指出NAND Flash制程技术，每年都在持续进展，从2006年的60nm，2007年的50nm，2008年的42nm，2009年的34nm，2010年的27nm，2011年的24nm，2012年的21nm，以及2013年到目前2014年初的19nm制程。
而目前工控主流的储存装置，还是使用抹写、耐受度较高的SLC为主流，制程在42？21nm。至于MLC从2012年起也开始渗透进入工控领域的应用，制程则在21？19nm为主。TLC则因为其抹写次数更低，加上TLC与MLC的价差不若SLC与MLC的价差那样悬殊，目前TLC的应用上，仍然以消费性电子产品为主，尚未被工控市场所使用；至于何时工控市场才会导入TLC，仍有待后续观察。
从Flash效能的演进来看，无论是ONFI或Toggle mode已经成为Flash的主流界面规格。ONFI v3.1/Toggle mode 2.0规格下，Flash均采用到DDR2的界面传输技术，传输速率已经来到了400MB/s(ONFI v3.1)或533MB/s(ONFI v3.2)，工作电压也降到仅1.8V(SSTL_18)；目前规划中的ONFI v4.0已经使用到DDR3的传输界面技术，工作电压降到1.2V，使单通道Flash传输速率最高挑战到800MB/s。
以ONFI 3.2 NV-DDR2效能论断，选用16KB Page MLC并使用Cache Read/Cache Program情况下，以单通道的1die、2dies、4dies、8dies的读取速度高达533MB/s，写入速度则分别达到20MB/s、41MB/s、82MB/s、164 MB/s。若是以16KB Page SLC颗粒，同样在Cache Read/Cache Program情况下，写入速度更高达73MB/s、146MB/s、291MB/s、533MB/s(满载情况)。因此目前SATAⅢ (SATA 6G)的600MB/s速率，即将成为Flash颗粒的传输瓶颈；要设计更高传输速率的SSD，势必要转向下一代更高速的传输界面，并且及早因应。
SATA仍为工控界面主流 未来将转向Mini PCIe/M.2
Flash在工控上的应用，SLC Flash被大量的使用于嵌入式装置，做为嵌入式操作系统的开机储存装置，容量大多在2GB以下；当储存装置超过32GB时，选用MLC Flash具备较高的成本效益。
当储存容量小于2GB且具备较高的存取需求的环境下，SLC可应用于嵌入式OS作业硬盘，提供较高的可信赖度与较佳使用寿命，像是工控电脑(Industrial PC)、游戏机(Gaming)、自动化设备(Automation)与军用设备(Military Equipment)等；而装置容量需求大于32GB时，可选用MLC做为应用程序的数据碟，提供较高的SSD容量，并以成本效益为导向，像是监控设备(Surveillance)、零售装置(POS)、网通设备(Networking)与电子看板(Digital Signage)等领域的应用。
从一块工控应用的主机板来看，上面设计提供了许多连接储存装置的连接界面。从可连接传统40pin IDE界面的PATA CF/IDE DOM(Disk On Module)，1.8寸SATA或2.5寸SATA界面的SSD，连接SATA界面的SATA DOM、mSATA、SATA Slim、Cfast或CF-SATA记忆卡，连接10pin USB接头的USB Module，透过读卡机界面读取的SD/micro SD记忆卡，以及内建于主机板上的eMMC、uSSD等单芯片碟等。
这以上的种种界面，都是因为因为工控产品具备至少五年以上的产品寿命，过去许多传输装置的连接界面，因应设备衔接或客户需求，在新版主机板仍被保留下来好几年；同时多样化的连接界面，可涵盖广泛且差异化的各种不同应用。也由于系统空间的限制，使得小尺寸连接界面被需要，但目前SATA仍旧是可说是工控应用的主流传输界面。
界面速率时代演进 PCIe终成最后依归
吴锡熙列出SSD外观╱尺寸与传输界面的演进。1995年CompactFlash(CF)卡，其传输速率仅8.3 MByte/s (PIO mode 2)；1999年由SanDisk、Matsushita与Toshiba 共同开发推出Secure Digital(SD)记忆卡规范；2003年1月推出SATA Rev 1.0a规范，传输速率提高到150MB/s(1.5Gbps)，2003年PCI-SIG组织首度介绍PCIe 1.0a，单线道(1x plane)传输速率达250MB/s(2.5Gbps)。2006年SATA Rev 2.0推出，传输速率提高到300MB/s(3Gbps)，2007年1月PCI-SIG发表PCIe 2.0规范，单线道(1x plane)传输速率达500MB/s(5Gbps)。
到2008年6月SATA Rev 3.0界面规格，传输速率提高到600MB/s(6Gbps)；2009年JEDEC制定SATA Slim(MO-297A)，同年9月SATA-IO组织推出mSATA界面，到2010年PCIe Gen3推出，提供单线道1GB/s(8GT/s)。2011年出现SATA Express界面，2012年英特尔(Intel)推出M.2(NGFF)界面，高速传输界面规格仍持续演进。
PCI Express(PCIe)界面演进，PCIe 1.0采用8b/10b编码法则，单线道(x1)传输速率为2.5GT/s(250MB/s)，最长的16线道(x16)传输速率达4GB/s；到PCIe 2.0同采用采用8b/10b编码法则，单线道(x1)传输速率为5GT/s(500MB/s)，16线道(x16)传输速率达8GB/s；当PCIe 3.0导入时，改采128b/130b编码原则，单线道(x1)传输速率为8GT/s(1GB/s)，最长的16线道(x16)传输速率达16GB/s；制定中的PCIe 4.0规范，预计x1的传输速率从16GT/s(2GB/s)起跳，x16模式下的传输速率将达到32GB/s。
PCIe界面形式与相关产品的市场趋势
PCIe form factor界面外观非常多元。有采52pin插卡式的Mini PCIe，搭配云端运算与数据中心；PCIe x16则用于绘图显示卡，以及强调高IOPS的PCIe SSD卡所使用；M.2(NGFF)是Intel于2012年提出的规范，有2242/2260/2280三种尺寸规范，目前用于Ultrabook。
2.5寸的SSD过去使用SATAⅢ(600MB/s)界面。而SATA Express结合传统SATA界面与PCIe界面，能跟传统SATA接头兼容，并提供x2 双线道；以PCIe 2.0/3.0 x2规格可达到1GB/s、2GB/s。华硕(ASUS)有展示采SATA Express界面设计的主机板，其界面可以插传统SATA排线接头或从PCIe的连接线接头。
最后则是SFF-8639界面，目前由企业级2.5寸储存装置的背板(Back Panel)所使用。它可以连接PCIe、SATA与SAS等储存装置，并能与SATA Express界面接头兼容。SFF-8639规格预留六线道PCIe，但一次最多只能使用x4四线道；以PCIe 2.0/3.0规格，其传输速率可提高到2GB/s、4GB/s。
SFF-8639规格在业界支持上，已经有像戴尔(Dell) PowerEdge R820/R720 1U Server，连接背板与扩充槽上的PCIe HBA界面卡连接，此外苹果(Apple)的MacBook Air、与部份MacBook Pro等笔记本电脑已经开始采用。但在工控电脑╱主机板上还不多见。美光(Micron)首推企业级使用的P320h 2.5寸PCIe SSD，采用SFF-8639连接界面，规格上支持到x4 PCIe Gen2，循序读写速度高达1.75GB/s、1.1GB/s。
而采用PCIe界面开发x16附加卡形式的SSD(PCIe SSD Card)厂商，像OCZ的Z-Drive R4(PCIe-SATA+SATA SSD)，以及Micron的P420m、Fusion IO ioDrive2、Seagate X8(Virident)与OCZ的Z-Drive R5等原生PCIe SSD卡，这些PCIe SSD附加卡提供服务器最需要的高IOPS，传输速率达1.5？3GB/s，甚至达6.5GB/s。
工控电脑主机板上，有(L) 50.8mm x(W) 29.8mm x(H) 4.4mm的miniPCIe插槽。过去这个插槽是来安装Intel的Wi-Fi无线网卡模块，也有厂商改成大小╱脚位数相当但不兼容的mSATA插槽。M.2(NGFF)则是可作为过去miniPCIe、USB、SDIO、UART、PCM、I2C、SATA(mSATA)等附加卡兼容的新一代插槽╱界面规格。有Socket 1 Type1630/2230/3030、Socket 2规格有Type 2242/3042，则提供到PCIe x2/SATA规格；Socket 3有Type2260/2280/22110，提供到PCIe x4/SATA规格。
PCIe界面从Mini PCIe、M.2、2.5寸使用的SATA Express、SFF-8639，到采x16设计的PCIe SSD Card，从x1、x2、x4到最高x16的PCIe线道╱高传输速度。未来PCIe界面势必取代现有老旧的SATAⅢ界面，而成为未来的储存装置规格新主流。依照过去储存装置的规格时代，从过渡与转换的时间历程花费约3？5年来看，吴锡熙预估到2015年，PCIe会成为SSD的规格主流；加上Apple MacBook Air/MacBook Pro已经导入M.2与SFF-8639规格来看，整个SSD产业的转进速度还会加快，2014年下半起，采取PCIe界面技术的各式SSD产品，会大量出现在市面上。
