Nästa generations NVMe SD-kortrecension: SM2708-kontrollern serverar det varmt och snabbt

Flash-baserade flyttbara media, såsom SD-kort, har en mängd användningsområden i produkter som sträcker sig från enheter för insamling av innehåll till bärbara spelkonsoler. Många datorsystem (inklusive datorer och smartphones) använder dem också för att utöka den tillgängliga lagringskapaciteten. Det finns två huvudsakliga standardiseringsorgan i detta segment – SD Association (SDA) och CompactFlash Association (CFA), där SDA ansvarar för Secure Digital-korten (SD / microSD), och CFA har marknaderna för CompactFlash och CFast-kort. .

De produkter som för närvarande betjänar detta marknadssegment är baserade på teknikstandarder som utarbetades när SATA var toppen av intern lagringsprestanda, men i själva verket hoppade båda standardorganen på NVMe-tåget i slutet av 2010-talet. Borttagbara minneskort baserade på PCIe/NVMe börjar sakta dyka upp på marknaden – CFexpress från CFA och SD Express från SDA. Både ADATA och Lexar har meddelat planer på att lansera sina SD Express-kort inom de närmaste kvartalen. Korten från båda leverantörerna är baserade på Silicon Motion SM2708-kontrollern.

Silicon Motion tog prov på sin SM2708-referensdesign (med en kapacitet på 250 GB) för att genomföra vår rigorösa utvärderingssvit för minneskort. Den här recensionen tar en detaljerad titt på kortets prestanda i kombination med Realteks RTL9211DS-kortläsarreferensdesign. Det fungerar också som en förhandstitt på vad konsumenter kan förvänta sig av SD Express-kort som dyker upp på marknaden under de närmaste kvartalen.

Lets Go: The Rise of PCIe och NVMe

SD-kort och CompactFlash-kort har dykt upp som lagringsmedier för lagring av innehåll som digitalkameror och videokameror. SD-kort har också fått stöd i det bärbara spelkonsolutrymmet och som startenheter för enkortsdatorer. För närvarande populära SD- och CF-kort är baserade på standarder som utvecklades när SATA var det bästa överföringsprotokollet för interna lagringsenheter.

När PCIe-baserade NVMe tog SSD-lagringsmarknaden med storm, introducerade både SDA och CFA standarder för flyttbara kort baserade på PCIe. CFA hade faktiskt hoppat på PCIe ganska tidigt, med en 1Gbps-standard 2011 – XQD-kortformatet. Men bristen på bakåtkompatibilitet med befintliga CompactFlash-läsare gjorde att formatet aldrig riktigt tog fart trots att det tog sig in i detaljhandeln. Medan de ursprungliga CF-korten var baserade på PATA (föregångaren till SATA), introducerades en snabbare version baserad på SATA 2009 som CFast. 2016 tillkännagav CFA planer för CFexpress-standarden och den publicerades i mitten av 2017. CFexpress-kort behåller XQD-formfaktorn, och några CFexpress-kort finns redan på marknaden.

SD-kort är också populära inom flera marknadssegment. För att tillgodose behoven på alla servicemarknader introducerade SD Association den NVMe-baserade SD Express-standarden (SD 7.0) 2018, med en SD 8.0-uppföljning 2020. SD-kort såväl som kortläsare baserade på dessa nya standarder har gjort rundorna kl olika mässor sedan 2019. Ingen fortsatte dock att dyka upp på detaljhandelsmarknaden. Det kommer att ändras under de kommande månaderna, med båda ADATA och Lexar tillkännager planer på att lansera sina SD Express-kort baserade på Silicon Motion SM2708 kortkontroller inom de närmaste kvartalen.

Vad vi testar idag: SD 7.1-referensdesigner

Konsumenter behöver både SD Express-kort och kortläsare för att kunna dra fördel av alla fördelar med PCIe / NVMe i SD-formfaktorn. Medan SD Express-kort aktiveras av kontroller som SM2708, har kortläsarplattformar baserade på JMicron och Realtek också dykt upp på olika mässor (som RTS5261 som demonstrerades på Computex 2019). Silicon Motion samordnade med Realtek för att prova deras 250 GB SM2708 referensdesign tillsammans med en kortläsare baserad på Realtek RTL9211DS och RTS5261 för denna recension.

Silicon Motion SM2708-kortkontrollern stöder både SD UHS-I och PCIe Gen 3.0 x2 på uppströmssidan. På blixtsidan stöds både Toggle 3.0 och ONFI 4.1 NAND-gränssnitt vid 800 MT/s. Styrenheten är begränsad till tvåkanalsdrift med 8 aktiveringar per kanal, och både 3D TLC och QLC kan användas.

Silicon Motion har kvalificerat SM2708 för drift med SanDisk / Kioxia 96L TLC (2-plans blixt) och Micron B27B (96L) och B47R (176L) (båda 4-plans blixt). Med 4-plansblixt hävdar Silicon Motion skrivprestanda på mer än 700 MB/sek med fyra NAND-blixtar. Skrivprestandan påverkas i hög grad av antalet flashbitar, NAND tPROG och plannummer.

Referensdesignen på 250 GB som provats för granskning kommer med SanDisk / Kioxia BiCS 4 96L TLC 2-plansblixt.

Realtek-kortläsaren är en lösning med dubbla chip som använder RTL9211DS och RTS5261. RTL9211DS ses oftare i lagringsbryggor som gör att M.2 NVMe SSD:er kan användas med en USB-värd. Den har ett USB 3.2 Gen 2 (10 Gbps) uppströmsgränssnitt och ett PCIe 3.0 x2 nedströmsgränssnitt.

I kortläsaren är funktionaliteten densamma – i SD Express-läge ansluter PCIe-banorna direkt till SD-kortstiften (med RTS5261 PCIe-stiften i bypass-läge). Men i äldre läge implementeras UHS-I-gränssnittsoperationen med RTS5261, och RTL9211DS fungerar bara som en värdgränssnittskomponent. Kommunikationen mellan RTL9211DS och RTS5261 hanteras i detta fall via firmware.

SD Express Standard

SDA:s SD Express-standard syftar till att underlätta tillverkningen av löstagbara kort i de äldre SD- och microSD-formfaktorerna samtidigt som grundläggande bakåtkompatibilitet bibehålls. Mot detta stöder SD Express-korten både PCIe / NVMe-gränssnittet, såväl som UHS-I-gränssnittet.

Pinlayouten på SD Express-korten liknar den för UHS-II-kort. Beroende på värdkapaciteten kan kortstyrenheten växla mellan äldre SD UHS-I- eller NVMe-lägen. Kortstyrenheten känner igen värdens kapacitet baserat på matningsspänningen – PCIe / NVMe kräver en 1,8V-försörjning och använder båda raderna av stift på kortet, medan det äldre läget är standard och använder endast den översta raden av stift för dataöverföring. Det måste noteras att SD 8.0 som introducerades 2020 tillåter en tredje rad stift för att stödja en andra PCIe-bana. På grund av formfaktorbegränsningar stöder inte microSD Express tvåfältsfunktionen.

Även om initiering kan vara i båda lägena, gör åtkomst via PCIe det möjligt för kortet att presentera sig som en standard NVMe-enhet för värden. Detta är särskilt relevant för vårt utvärderingsschema, eftersom SMART-åtkomst via NVMe möjliggör temperaturspårning och korthälsoövervakning bland andra funktioner.

Testbäddsuppsättning och utvärderingsmetodik

Direktanslutna lagringsenheter (inklusive SD Express-kort) utvärderas med Quartz Canyon NUC (i huvudsak Xeon/ECC-versionen av Ghost Canyon NUC) konfigurerad med 2x 16GB DDR4-2667 ECC SODIMM och en PCIe 3.0 x4 NVMe SSD – den IM2P33E8 1TB från ADATA.

Den mest attraktiva aspekten av Quartz Canyon NUC är närvaron av två PCIe-platser (elektriskt, x16 och x4) för tilläggskort. I avsaknad av en diskret GPU – som det inte behövs i en DAS-testbädd – är båda platserna tillgängliga. Faktum är att vi också har lagt till en extra SanDisk Extreme PRO M.2 NVMe SSD till den CPU direktanslutna M.2 22110-platsen i baskortet för att undvika DMI-flaskhalsar vid utvärdering av Thunderbolt 3-enheter. Detta tillåter fortfarande två tilläggskort som fungerar på x8 (x16 elektriska) och x4 (x4 elektriska). Eftersom Quartz Canyon NUC inte har en inbyggd USB 3.2 Gen 2×2-port, har Silverstones SST-ECU06 tilläggskort installerades i x4-kortplatsen. Alla icke-Thunderbolt-enheter testas med Type-C-porten som aktiveras av SST-ECU06.

Specifikationerna för testbädden sammanfattas i tabellen nedan:

Testbäddens hårdvara är bara ett segment av utvärderingen. Under de senaste åren har de typiska direktanslutna lagringsarbetsbelastningarna för minneskort också utvecklats. 4K-videor med hög bithastighet vid 60 fps har blivit ganska vanliga, och 8K-videor börjar dyka upp. Spelinstallationsstorlekarna har också vuxit stadigt även i bärbara spelkonsoler, tack vare högupplösta texturer och konstverk. Med dessa i åtanke innebär vårt utvärderingsschema för minneskort flera arbetsbelastningar som beskrivs i detalj i motsvarande avsnitt.

• Out-of-the-box prestanda med CrystalDiskMark och fio Sequential Access-arbetsbelastningar
• Utökad användningssimulering med anpassade robocopy-arbetsbelastningar och åtkomstspår i verkliga världen med PCMark 10:s lagringsriktmärke
• Långsiktig utvärdering av användningseffekter med CrystalDiskMark och fio Sequential Access-arbetsbelastningar
• Prestandaåterställningstestning

SM2708-referensdesignen utvärderades i två lägen – ett med Realtek-kortläsaren i SD Express-läge och ett annat med Lexar Professional Workflow SR2 SDHC / SDXC UHS-II USB 3.0-läsare (används i vår standardutvärdering av SD / usd-kort) i UHS-I-läge. De återstående avsnitten i denna recension kommer att täcka kortets prestanda i båda dessa lägen tillsammans med några observationer om strömförbrukning och värme.