闲谈M.2 BGA

Posted on by

原创内容，转载请注明：  [http://www.ssdfans.com]  谢谢！

 

作者：蛋粉

 

想要和蛋粉还有全世界的大牛讨论SSD及存储相关技术？加nanoarch为微信好友，拉你进ssdfans微信群。

 

话说这个话题由三星最近推出的消费级M.2 BGA PM971说起，尽管只有单颗芯片指尖大小，性能却十分强悍。对比普通的M.2 PCB板级SSD，BGA SSD就是把主控/DRAM/NAND/电路元器件利用现代封装技术封装到一颗芯片里。其参数：基于三星新的Photon(光子)主控、MLC V-NAND闪存，容量128GB、256GB、512GB，PCI-E 3.0通道，性能彪悍：持续读写最高1500MB/s、600MB/s，随机读写最高190000 IOPS、150000 IOPS。就是这货在消费级SSD领域引起了极大的关注，想必竞争对手也十分恐慌，十分重视。

 

 


就三星推出的PM721这颗SSD而言，性能指标已经完爆SATA SSD，性能方面满足客户的应用需求完全没有问题，更多的这颗SSD技术参数有：

“Configuring the PM971-NVMe SSD in a single BGA package was enabled by combining 16 of Samsung’s 48-layer 256-gigabit (Gb) V-NAND flash chips, one 20-nanometer 4Gb LPDDR4 mobile DRAM chip and a high-performance Samsung controller. The new SSD is 20mm x 16mm x 1.5mm and weighs only about one gram (an American dime by comparison weighs 2.3 grams). The single-package SSD’s volume is approximately a hundredth of a 2.5″ SSD or HDD, and its surface area is about a fifth of an M.2 SSD, allowing much more design flexibility for computing device manufacturers.

In addition, the PM971-NVMe SSD delivers a level of performance that easily surpasses the speed limit of a SATA 6Gb/s interface. It enables sequential read and write speeds of up to 1,500MB/s (megabytes per second) and 900MB/s respectively, when TurboWrite** technology is used. The performance figures can be directly compared to transferring a 5GB-equivalent, Full-HD movie in about 3 seconds or downloading it in about 6 seconds. It also boasts random read and write IOPS (input output operations per second) of up to 190K and 150K respectively, to easily handle high-speed operations. A hard drive, by contrast, will only process up to 120 IOPS in random reads, making the new Samsung SSD more than 1500 times faster than an HDD in this regard.

The PM971-NVMe SSD line-up will be available in 512GB, 256GB and 128GB storage options. Samsung will start providing the new SSDs to its customers this month worldwide”


总结:三围: 20mm x 16mm x 1.5mm，48L 32GB MLC NAND，512MB LPDDR4，128G/256G/512G三种容量。由此推断最大的封装能力16 NAND die+1 DRAM die+1 controller die，一级FTL 4k size映射表。未公开的参数：最大写功耗，idle和sleep功耗，PCVantage性能得分，PCIe3.0几个lanes？（X4？），控制器型号，价格…

 

问题：BGA M.2是何物？有无对应的标准？对比传统的M.2 2260/2280/22110它的优势在哪里？有无缺点？价格及市场反应如何？

 

实际上早在几年前Intel和几个公司就在讨论在消费级平板或笔记本市场推出M.2 BGA SSD及标准，比较传统的M.2 2260/2280/22110 SSD，阐述的几点技术优势：

  • 节省了15%的平台空间
  • 增加了10%的电池寿命
  • 节省了0.5mm-1.5mm SSD本身的高度z-height
  • 更好的散热（由于是BGA封装，热可以由ball pin传导到PCB板散出）

实际上那时候由于标准规范的滞后，SSD才刚刚兴起和BGA技术的不成熟和消费级平台主板支持的缺乏，并没有在消费级笔记本和平板上看到BGA M.２的产品，在工业级和其他小细分市场倒是有少量的BGA SSD在售。三星今年投到市场的这颗PM971或许是引发BGA SSD在消费级对空间有极致追求的平板类产品的普及的开始，预测各大厂商随后会推出相应的竞品，让我们拭目以待。关键是价格，只要OEM价格到位，普及不是问题。

现在M.2接口已经毫无异议的将一统未来的消费级SSD接口，没有第二，总线从SATA到PCIe，也是个时间问题。在 M.2接口大框架下，现在多了个BGA封装的形式，让用户多了一个更好的选择，特别有极致空间需求的用户。技术持续创新，客户满意，推动SSD的持续进步，对于从业人员总是好事。

 


 

为了支持M.2 BGA，PCI-SIG最近做了一些修订(2015/9/25版本)，首先介绍M.2 form factor（包括M.2普通和BGA SSD）的三围标准: Type 1216/Type 1620/Type 1630/Type 2024/Type 2226 Type 2228 /Type 2230/Type 2242/Type 2260/Type 2280/Type 2828/Type 3026/Type 3030/Type 3042 /Type 22110，前两个数字为宽度，后两个数字是高度，PM971是Type 1620，厚度需要另外定义，单面贴片和双面贴片厚度大小不同。对于厚度有要求的比如平板电脑，一般采用单面贴片。

以下哪些是BGA SSD呢？下方不带黑边M.2 connector的就是BGA形式的SSD，BGA英文也叫：soldered down，非BGA也叫：connectorized。如图所示，基本上由Type就可以分别出它是BGA还是非BGA封装的SSD。

针对M.2 BGA SSD，哪一种封装会是主流？Type1620？如图，它是一种较小的封装了。

针对M.2非BGA SSD，2242/2260/2280/22110是主流，尤其是2260和2280，笔记本常见。


实际四个数字并不能完整定义好M.2 SSD form factor，PCI-SIG定义了更完整的命名规则，包括宽高厚度信息和接口定义。如下D2对应双面，单面厚度是1.35mm；B-M是M.2 connector key ID，表示同时支持PCIe x2 x4 lane和SATA接口等等。其他参数定义参考下面table，明确定义了宽高厚尺寸和接口总线形式，甚至可以支持USB/SD卡接口，同时又reserve了一些总线接口。总的来说M.2只是规范了一种pin脚物理形式，它上面走什么协议和总线，按照具体的产品来。


这里需要解释解释下B和M key，这是两种主流的M.2 key定义，B也叫socket2，M叫socket3，B+M表示同时支持socket2和scoket3。B和M的区别在于M多了PCIeX4，可以支持4个lanes，接口带宽最高可以到4GB/s，实际上Top和Bottom两面都有接口金手指，Pin脚数double。B仅仅支持SATA/PCIeX2，接口带宽最高可以到2GB/s，Top面金手指pin脚。M/Socket3无论在消费级还是企业级是未来主流形式。参照下图注意B和M的PCB金手指的槽口，一个在左一个在右。


Type/Connector Key ID不能完全随意组合，参考PCI-SIG组织定义如下：


下面以Type 1620为例了解下BGA SSD的引脚，具体Layout如下：




更详细的ball脚注解如下:

  • Power：3.3v 8pins, 1.8V 12pins, 1.2 12 pins. 每个Ball脚输入电流最大200mA. 供电脚较多，为了供电相应SSD内部模块和足够功耗，这一点和非BGA M.2 SSD不同。
  • PCIe：PERp0, PERn0/PETp0, PETn0~ PERp3, PERn3/PETp3, PETn3 四组PCIe差分信号线。
  • SATA：SATA-A+–SATA-A-/SATA-B+–SATAB-, 一组SATA差分信号线。
  • XTAL_IN：可选信号线，板级提供晶振输出到BGA。
  • XTAL_OUT：可选信号线，BGA提供晶振输出到板级。
  • PEDET: host计算机使用，决定M.2使用什么协议，low表示SATA，high表示PCIe。
  • JTAG：Debug端口。
  • SMB_CLK/SMB_DATA/ALERT#：SMB通讯接口，带外管理
  • RFU：reserve for future
  • DNU: do not use，manufacture purpose

 



以上介绍了M.2 BGA SSD的封装规范，也谈到它的各种好，最后想聊聊它的可能的缺点。

  • 由于是BGA封装形式，如果发生内部电路甚至NAND die损坏，不可能维修和拆卸NAND die来修理。
  • 封装的良率决定了SSD生产良率，一定低于普通非BGA SSD良率。
  • 成本？良率和BOM cost决定，似乎高于普通非BGA SSD，请指正。
  • 第一次投放市场，一旦大规模使用，可靠性和稳定性有待客户检验。
  • 大于16 die的封装技术有技术难度，加上本身的BGA的内部电路设计技术(整合所有元器件)，非NAND原厂和控制器玩家玩这个有点悬，NAND加封装加测试，成本更无优势。

 

随着时间的推移，M.2 BGA SSD在消费级SSD市场是否会成为M.2的主流，只要价格到位，这是一个大概率事件，让我们静待几年后市场格局见分晓。

 

参考：

http://ssd.zol.com.cn/574/5746418.html

http://news.samsung.com/us/2016/05/31/512-gigabyte-bga-nvme-ssd-pm971-nvm/
http://www.PCI-SIG.com

分类目录 未分类.
扫一扫二维码或者微信搜索公众号ssdfans关注（添加朋友->点最下面的公众号->搜索ssdfans），可以经常看到SSD技术和产业的文章（SSD Fans只推送干货）。
ssdfans微信群介绍
技术讨论群 覆盖2000多位中国和世界华人圈SSD以及存储技术精英
固件、软件、测试群 固件、软件和测试技术讨论
异构计算群 讨论人工智能和GPU、FPGA、CPU异构计算
ASIC-FPGA群 芯片和FPGA硬件技术讨论群
闪存器件群 NAND、3D XPoint等固态存储介质技术讨论
企业级 企业级SSD、企业级存储
销售群 全国SSD供应商都在这里，砍砍价，会比某东便宜20%
工作求职群 存储行业换工作，发招聘，要关注各大公司招聘信息，赶快来
高管群 各大SSD相关存储公司高管和创始人、投资人

想加入这些群，请微信扫描下面二维码，或搜索nanoarchplus，加阿呆为微信好友，介绍你的昵称-单位-职务，注明群名，拉你进群。SSD业界需要什么帮助，也可以找阿呆聊。