เมื่อคอมพิวเตอร์มีขนาดเล็กลง ส่วนประกอบฮาร์ดแวร์อย่างไดรฟ์จัดเก็บก็ต้องเช่นกัน การเปิดตัวไดรฟ์โซลิดสเทตอนุญาตให้มีการออกแบบที่บางกว่า เช่น Ultrabook แต่สิ่งนี้ขัดแย้งกับอินเทอร์เฟซ SATA มาตรฐานอุตสาหกรรม
อินเทอร์เฟซ mSATA ได้รับการออกแบบมาเพื่อสร้างการ์ดโปรไฟล์แบบบางที่สามารถโต้ตอบกับอินเทอร์เฟซ SATA ได้ ปัญหาใหม่เกิดขึ้นเมื่อมาตรฐาน SATA 3.0 จำกัดประสิทธิภาพของ SSD ต้องพัฒนาอินเทอร์เฟซการ์ดขนาดกะทัดรัดรูปแบบใหม่เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้
เดิมเรียกว่า NGFF (Next Generation Form Factor) อินเทอร์เฟซใหม่นี้ได้รับมาตรฐานในอินเทอร์เฟซไดรฟ์ M.2 ภายใต้ข้อกำหนด SATA เวอร์ชัน 3.2
ความเร็วที่เร็วขึ้น
แม้ว่าขนาดจะเป็นปัจจัยสำคัญในการพัฒนาอินเทอร์เฟซ แต่ความเร็วของไดรฟ์ก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน ข้อมูลจำเพาะของ SATA 3.0 จำกัดแบนด์วิดท์ในโลกแห่งความเป็นจริงของ SSD บนอินเทอร์เฟซของไดรฟ์ไว้ที่ประมาณ 600 MB/s ซึ่งไดรฟ์จำนวนมากได้เข้าถึงแล้ว ข้อมูลจำเพาะของ SATA 3.2 ได้แนะนำแนวทางแบบผสมใหม่สำหรับอินเทอร์เฟซ M.2 เช่นเดียวกับที่ทำกับ SATA Express
โดยพื้นฐานแล้ว การ์ด M.2 ใหม่สามารถใช้ข้อกำหนด SATA 3.0 ที่มีอยู่และจำกัดไว้ที่ 600 MB/s หรือสามารถใช้ PCI-Express ซึ่งให้แบนด์วิดท์ 1 GB/s ภายใต้มาตรฐาน PCI-Express 3.0 ปัจจุบัน ความเร็ว 1 GB/s นั้นสำหรับเลน PCI-Express เดียว แต่สามารถใช้หลายเลนได้ ภายใต้ข้อกำหนด M.2 SSD สามารถใช้ได้ถึงสี่เลน การใช้สองเลนในทางทฤษฎีจะให้ 2.0 GB/s ในขณะที่สี่เลนจะให้ได้ถึง 4.0 GB/s
ด้วยการเปิดตัว PCI-Express 4.0 ในที่สุด ความเร็วเหล่านี้จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าอย่างมีประสิทธิภาพ การเปิดตัว PCI-Express 5.0 ในปี 2560 มีแบนด์วิดท์เพิ่มขึ้นเป็น 32 GT/s โดยที่ 63 GB/s ในการกำหนดค่า 16 เลน PCI-Express 6.0 (2019) มีแบนด์วิดท์เพิ่มขึ้นอีกสองเท่าเป็น 64 GT/s โดยให้ 126 GB/s ในแต่ละทิศทาง
ไม่ใช่ทุกระบบที่จะบรรลุความเร็วเหล่านี้ ต้องตั้งค่าไดรฟ์ M.2 และอินเทอร์เฟซในโหมดเดียวกัน อินเทอร์เฟซ M.2 ใช้โหมด SATA ดั้งเดิมหรือโหมด PCI-Express ที่ใหม่กว่า ไดรฟ์จะเลือกอันที่จะใช้
ตัวอย่างเช่น ไดรฟ์ M.2 ที่ออกแบบด้วยโหมดดั้งเดิมของ SATA ถูกจำกัดไว้ที่ 600 MB/s แม้ว่าไดรฟ์ M.2 จะเข้ากันได้กับ PCI-Express สูงสุดสี่เลน (x4) แต่คอมพิวเตอร์จะใช้เพียงสองเลน (x2) ส่งผลให้ความเร็วสูงสุด 2.0 GB/s เพื่อให้ได้ความเร็วสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ให้ตรวจสอบว่าไดรฟ์และคอมพิวเตอร์หรือมาเธอร์บอร์ดรองรับอะไรบ้าง
ขนาดเล็กและขนาดใหญ่
เป้าหมายประการหนึ่งของการออกแบบไดรฟ์ M.2 คือการลดขนาดโดยรวมของอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล ซึ่งทำได้หลายวิธี อย่างแรก การ์ดถูกทำให้แคบกว่าในฟอร์มแฟกเตอร์ mSATA รุ่นก่อน การ์ด M.2 กว้าง 22 มม. เทียบกับ mSATA 30 มม. การ์ดมีความยาวสั้นกว่าที่ความยาว 30 มม. เมื่อเทียบกับ mSATA 50 มม. ความแตกต่างคือการ์ด M.2 รองรับความยาวได้มากถึง 110 มม. ซึ่งหมายความว่าไดรฟ์เหล่านี้สามารถมีขนาดใหญ่ขึ้นได้ ซึ่งให้พื้นที่สำหรับชิปที่มากขึ้น และทำให้มีความจุสูงขึ้น
นอกจากความยาวและความกว้างของการ์ดแล้ว ยังมีตัวเลือกสำหรับบอร์ด M.2 ด้านเดียวหรือสองด้าน บอร์ดด้านเดียวมีโปรไฟล์ที่บางและมีประโยชน์สำหรับแล็ปท็อปที่บางเฉียบ บอร์ดแบบสองด้านทำให้สามารถติดตั้งชิปบนบอร์ด M.2 ได้มากเป็นสองเท่า ทำให้มีความจุมากขึ้น ซึ่งมีประโยชน์สำหรับแอปพลิเคชันเดสก์ท็อปขนาดกะทัดรัดที่พื้นที่ไม่มีความสำคัญ
ปัญหาคือคุณต้องรู้ว่าขั้วต่อ M.2 อยู่ในคอมพิวเตอร์ประเภทใด นอกเหนือจากพื้นที่สำหรับความยาวของการ์ด แล็ปท็อปส่วนใหญ่ใช้เฉพาะขั้วต่อด้านเดียว ซึ่งหมายความว่าแล็ปท็อปจะใช้การ์ด M.2 แบบสองด้านไม่ได้
โหมดคำสั่ง
เป็นเวลากว่าทศวรรษแล้วที่ SATA ได้ทำให้การจัดเก็บข้อมูลเป็นแบบพลักแอนด์เพลย์ นี่เป็นเพราะอินเทอร์เฟซที่เรียบง่ายและโครงสร้างคำสั่ง AHCI (Advanced Host Controller Interface)
AHCI คือวิธีที่คอมพิวเตอร์สื่อสารคำแนะนำกับอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล มีอยู่ในระบบปฏิบัติการที่ทันสมัยทั้งหมด และไม่จำเป็นต้องติดตั้งไดรเวอร์เพิ่มเติมเมื่อเพิ่มไดรฟ์ใหม่
AHCI ได้รับการพัฒนาในยุคที่ฮาร์ดไดรฟ์มีความสามารถในการประมวลผลคำสั่งที่จำกัด เนื่องจากลักษณะทางกายภาพของส่วนหัวของไดรฟ์และจาน คิวคำสั่งเดียวที่มี 32 คำสั่งก็เพียงพอแล้ว ปัญหาคือว่าไดรฟ์โซลิดสเทตในปัจจุบันทำได้มากกว่านั้นมาก แต่ยังคงถูกจำกัดโดยไดรเวอร์ AHCI
โครงสร้างคำสั่ง NVMe (Non-Volatile Memory Express) และไดรเวอร์ได้รับการพัฒนาเพื่อขจัดปัญหาคอขวดนี้และปรับปรุงประสิทธิภาพ แทนที่จะใช้คิวคำสั่งเดียว มีคิวคำสั่งสูงสุด 65,536 คิว สูงสุด 65,536 คำสั่งต่อคิว ซึ่งช่วยให้ประมวลผลคำขออ่านและเขียนพื้นที่เก็บข้อมูลแบบขนานได้มากขึ้น ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพเหนือโครงสร้างคำสั่ง AHCI
แม้ว่าจะดีมาก แต่ก็มีปัญหาเล็กน้อย AHCI ถูกสร้างขึ้นในระบบปฏิบัติการที่ทันสมัยทั้งหมด แต่ NVMe ไม่ใช่ ต้องติดตั้งไดรเวอร์ที่ด้านบนของระบบปฏิบัติการที่มีอยู่เพื่อให้ได้รับประโยชน์สูงสุดจากไดรฟ์ นั่นเป็นปัญหาสำหรับระบบปฏิบัติการรุ่นเก่าหลายระบบ
ข้อมูลจำเพาะของไดรฟ์ M.2 อนุญาตให้ใช้โหมดใดโหมดหนึ่งจากสองโหมด ทำให้การนำอินเทอร์เฟซใหม่มาใช้ง่ายขึ้นด้วยคอมพิวเตอร์และเทคโนโลยีที่มีอยู่ เมื่อการรองรับโครงสร้างคำสั่ง NVMe ดีขึ้น คุณสามารถใช้ไดรฟ์เดียวกันกับโหมดคำสั่งใหม่นี้ได้ อย่างไรก็ตาม การสลับไปมาระหว่างสองโหมดจำเป็นต้องฟอร์แมตไดรฟ์ใหม่
ปรับปรุงการใช้พลังงาน
คอมพิวเตอร์พกพามีเวลาทำงานที่จำกัดตามขนาดของแบตเตอรี่และพลังงานที่จ่ายจากส่วนประกอบต่างๆ ไดรฟ์โซลิดสเทตช่วยลดการใช้พลังงานของส่วนประกอบที่จัดเก็บ แต่ยังมีพื้นที่สำหรับการปรับปรุง
เนื่องจากอินเทอร์เฟซ M.2 SSD เป็นส่วนหนึ่งของข้อกำหนด SATA 3.2 จึงมีคุณสมบัติอื่นๆ นอกเหนือจากอินเทอร์เฟซ ซึ่งรวมถึงคุณลักษณะใหม่ที่เรียกว่า DevSleep เนื่องจากระบบจำนวนมากขึ้นได้รับการออกแบบให้เข้าสู่โหมดสลีปเมื่อปิดหรือปิด แทนที่จะปิดเครื่องโดยสมบูรณ์ แบตเตอรี่จึงมีการดึงข้อมูลอย่างต่อเนื่องเพื่อให้ข้อมูลบางส่วนใช้งานได้เพื่อการกู้คืนอย่างรวดเร็วเมื่อปลุกอุปกรณ์ DevSleep ลดปริมาณพลังงานที่อุปกรณ์ใช้โดยการสร้างสถานะพลังงานใหม่ที่ต่ำกว่า การดำเนินการนี้จะช่วยยืดเวลาการทำงานของคอมพิวเตอร์ที่อยู่ในโหมดสลีป
ปัญหาการบูต
อินเทอร์เฟซ M.2 เป็นความก้าวหน้าในการจัดเก็บและประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ คอมพิวเตอร์ต้องใช้บัส PCI-Express เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุด มิฉะนั้น มันจะทำงานเหมือนกับไดรฟ์ SATA 3.0 ที่มีอยู่ ดูเหมือนจะไม่ใช่เรื่องใหญ่ แต่เป็นปัญหากับเมนบอร์ดรุ่นแรกๆ จำนวนมากที่ใช้คุณลักษณะนี้
ไดรฟ์ SSD มอบประสบการณ์ที่ดีที่สุดเมื่อใช้เป็นไดรฟ์รูทหรือบูต ปัญหาคือซอฟต์แวร์ Windows ที่มีอยู่มีปัญหากับไดรฟ์หลายตัวที่บูทจากบัส PCI-Express มากกว่าจาก SATA ซึ่งหมายความว่าการมีไดรฟ์ M.2 โดยใช้ PCI-Express จะไม่ใช่ไดรฟ์หลักที่ติดตั้งระบบปฏิบัติการหรือโปรแกรม ผลที่ได้คือไดรฟ์ข้อมูลที่รวดเร็ว แต่ไม่ใช่ไดรฟ์สำหรับบูต
ไม่ใช่คอมพิวเตอร์และระบบปฏิบัติการทุกเครื่องที่มีปัญหานี้ ตัวอย่างเช่น Apple ได้พัฒนา macOS (หรือ OS X) เพื่อใช้บัส PCI-Express สำหรับพาร์ติชันรูท นี่เป็นเพราะ Apple ได้เปลี่ยนไดรฟ์ SSD เป็น PCI-Express ใน MacBook Air ปี 2013 ก่อนที่ข้อมูลจำเพาะ M.2 จะสิ้นสุดลง Microsoft ได้อัปเดต Windows 10 เพื่อรองรับไดรฟ์ PCI-Express และ NVMe ใหม่ Windows เวอร์ชันเก่าอาจใช้งานได้หากฮาร์ดแวร์ได้รับการสนับสนุนและติดตั้งไดรเวอร์ภายนอกแล้ว
การใช้ M.2 สามารถลบคุณลักษณะอื่นๆ ได้อย่างไร
ประเด็นที่น่ากังวลอีกประการหนึ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับมาเธอร์บอร์ดเดสก์ท็อป เกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่ออินเทอร์เฟซ M.2 กับส่วนอื่นๆ ของระบบคอมพิวเตอร์ มีเลน PCI-Express ในจำนวนที่จำกัดระหว่างโปรเซสเซอร์กับส่วนที่เหลือของคอมพิวเตอร์ ในการใช้ช่องเสียบการ์ด M.2 ที่เข้ากันได้กับ PCI-Express ผู้ผลิตมาเธอร์บอร์ดจะต้องนำเลน PCI-Express เหล่านั้นออกจากส่วนประกอบอื่นๆ ในระบบ
วิธีแบ่งช่อง PCI-Express ระหว่างอุปกรณ์ต่างๆ บนบอร์ดเป็นประเด็นสำคัญ ตัวอย่างเช่น ผู้ผลิตบางรายใช้เลน PCI-Express ร่วมกับพอร์ต SATA ดังนั้น การใช้สล็อตไดรฟ์ M.2 อาจกินสล็อต SATA มากกว่าสี่ช่อง ในกรณีอื่นๆ M.2 อาจแชร์เลนเหล่านั้นกับสล็อตส่วนขยาย PCI-Express อื่นๆ
ตรวจสอบว่าบอร์ดได้รับการออกแบบอย่างไรเพื่อให้แน่ใจว่า M.2 จะไม่รบกวนการใช้งานฮาร์ดไดรฟ์ SATA, ไดรฟ์ DVD, ไดรฟ์ Blu-ray หรือการ์ดเอ็กซ์แพนชันอื่นๆ
