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超高速儲存應用的解決方案

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祥碩科技資深協理莊景涪

祥碩科技成立於2004年,隸屬於華碩電腦集團下,著重於高速類比電路的IC設計公司。公司超過八成以上為研發人員, 囊括數位邏輯設計、類比設計、軟體研發、系統研發以及實體設計團隊。目前開發HDMI/DVI、PCIe高速切換開關╱多工器(Switch)、訊號再生器(ReDriver),應用於SATAⅢ、USB3.0與Thunderbolt等高速匯流排介面的橋接晶片、隨身碟控制晶片、磁碟儲存控制晶片等全系列高速介面應用產品…

超高速切換器與訊號再生器方案

祥碩科技(ASMedia)資深協理莊景涪,指出高速切換器用於兩個以上的控制晶片連接到週邊裝置時的選擇切換之用。像是祥碩針對SATA介面所設計的ASM1453/1456晶片提供SATA6G/USB3.0/PCIe橋接切換,針對USB 3.0及2.0介面的ASM1458切換器,以PCI express介面開發的ASM1430/40、ASM1441(PCIe轉HDMI/DVI)切換器,ASM1470/80切換器晶片,以及支援視訊介面的ASM1452(LVDS)、ASM1445(HDMI/DVI)與ASN1446/47(DP)切換器晶片。而ASM1466(SATA6G)、ASM1464/65(USB 3.0)訊號再生器(ReDriver)晶片,則應用於長距離訊號傳輸時的重新強化並且穩定訊號品質,可改善週邊裝置相容互連性。

他列舉一個廠商應用切換器設計Thunderbolt/USB 3.0做切換的電路示意圖,由ASM1456提供SATA6G週邊介面切換,選擇從ASM1061連接的Thunderbolt訊號輸入,或是從ASM1053連接的USB 3.0訊號輸入,亦可用於連接NAS週邊設計,可以連接應用在MacBook Pro or MacBook Air等提供Thunderbolt匯流排的應用。他列出祥碩高速切換開關晶片的產品應用示意圖方式,像應用SATAII/III週邊的ASM1453/1456 switch、ASM1466 SATA6G ReDriver,搭接Intel/AMD晶片組的LVDS顯示輸出介面做電壓準位調節(Level Shift;LS)的ASM1452 LVDS switch,連接PCIe匯流排的ASM1441 PCIe/DVI切換晶片、ASM1442 HDMI/DVI LS、ASM1443 HDMI/DVI switch LS以及ASM1445 HDMI/DVI switch等晶片。

祥碩USB 3.0 Hub╱主控╱訊號再生器╱橋接晶片規劃

莊景涪指出,USB 3.0的晶片市場將於2015年出貨達20.5億顆並超越USB 2.0。目前已有11種祥碩的USB 3.0晶片產品通過USB-IF認證,數量居各大IC廠商之冠;其中USB 3.0主控晶片ASM1042全球供貨即將超過3,000萬顆,提供優異的訊號品質及效能,是台廠中最先通過USB-IF認證的主控晶片,並支援USB協會最新提倡的UASP 規格。

他以動畫方式呈現並說明原本受限於最大64KB區塊的USB的BOT(Bulk Only Transfer)傳輸模式、以及透過Turbo Driver將之調大至1~2 MB區塊長度的改良式BOT(Bulk Only Transfer)傳輸模式,最後說明了提供多個可彈性調整64KB〜1MB區塊大小的USB Attach SCSI(UASP)等傳輸模式的差異。而祥碩目前已量產ASM1041單埠與ASM1042雙埠USB 3.0主控晶片,支援UASP高速傳輸模式、xHCI v0.96匯流排規格 與BC v1.2充電規格,2012年Q3將推出符合xHCI v1.0規格,納入Debug Port、BC v1.2及蘋果充電能力的ASM1042A 主控晶片。

莊景涪並展示了以ASM1042A USB3.0主控晶片搭配ASM1053橋接晶片的硬體組合,以Windows 7內建BOT驅動程式、相較於採用Windows 8內建原生開啟USAP驅動程式下,以Crystal Diskmarkv3.0進行測試,循序讀取速度從Win7-BOT的240.6、223.8MB/s,到Win8-UASP模式提高到349.4、229.8MB/s,在4K QD32讀、寫速度從Win7-BOT的19.11、52.3MB/s,到Win8-UASP模式下的163.4、139.2MB。可以看出透過UASP傳輸模式可達到的驚人效能。

集線器晶片部份,QFN88L封裝腳位設計的4埠ASM1074晶片已經量產,支援BC v1.2以及Apple充電規格;隨後2012年Q3〜Q4將推出低功耗QFN64低封裝腳位設計的四埠ASM1074L晶片。他指出以往從USB 3.0埠到被充電裝置之間需要一個充電偵測切換IC,而ASM1042/1074晶片已內建該充電偵測IC電路,可符合BC v1.2規範的1.5Amp或蘋果裝置的2A最大可充電規格。

他展示一個連接蘋果iPad的週邊充電環境下,未支援蘋果充電規範的週邊僅獲得0.097安培的電流,而搭配支援蘋果充電規範的裝置,就可獲得1.091安培的大電流輸入,充電時間縮短為8分之1,連接Nokia智慧手機時,支援BC v.12可獲得0.91安培,遠勝過不支援BC v1.2規範下的0.09安培。ASM1074亦提供極高的整合度、可用於兩層PCB版之設計,並提供了相較於其他競爭對手還低的BOM表成本與優異競爭力。

在USB3.0轉SATA橋接晶片規劃上,祥碩目前已量產ASM1051/1051U/1051E等USB3.0轉SATA6G晶片,QFN 40L低功耗封裝的ASM1054橋接晶片,並可符合所謂的匯流排提供電力(Bus Powered logo)認證、目前主力產品為低BOM成本的ASM1053 3G與ASM1053E 6G橋接晶片,皆得到各大硬碟廠商的採用並大量出貨中;Q4將推出第二代架構,可作硬體雙磁碟匣(Dual-Bay)與硬體RAID磁碟陣列ASM1056橋接晶片。

ASM1053E橋接晶片提供USB 3.0轉SATA6G橋接功能,支援USB 3.0節電模式、UASP傳輸模式、SATA6Gps/eSATA串列埠介面、SATA v2.6規範與NCQ支援,內建5V/3.3V電源轉換功能與3.3V/1.2V直流切換功能,可做為USB 3.0外接儲存裝置或USB 3.0 SSD、USB 3.0擴充底座等應用。

莊景涪展示1張業者研發的USB 3.0轉SATA3的轉接板照片,僅2層PCB設計,藉由ASM1053橋接晶片搭配SPI Flash、電感,附加的硬碟電源控制電路,整個轉接板面積小巧而纖細,零件數極少化,硬碟商把轉接板與既有2.5吋硬碟控制PCB結合成一體,做出體積與蘋果iPhone手機相當的2.5吋行動硬碟, 成品外觀極為精巧。

USB 3.0隨身碟晶片、SATA6Gbps主控晶片產品規劃

在USB 3.0隨身碟晶片部份,已於2012年Q2量產的ASM1031晶片,支援雙通道最大4CE的19/20/21nm製程MLC/TLC記憶體,可支援達68bit ECC並可發揮USAP加速模式,以及內建5V/3.3V電源轉換功能與3.3V/1.2V直流切換功能,且已通過USB-IF認證。隨後Q3將推出低成本、單通道ASM1030晶片。

ASM1031控制器晶片搭配2CE/SDR(50MHz) Micron L74A MLC記憶體,在Crystal DiskMark v3.0實測下,UASP模式開啟時循序讀、寫速度為90.75、48.28MB/s,4K QD32讀、寫速度為21.06、1.443MB/s;若搭配2CE/DDR(200MHz) Micron L74A MLC記憶體且開啟UASP模式,循序讀、寫速度提高到295.8、58.39MB/s,4K QD32讀、寫速度為21.89、1.695MB/s。

搭2CE/DDR(133MHz)三星TLC記憶體且開啟UASP模式,循序讀、寫速度為189.9、16.1MB/s,4K QD32讀、寫速度為18.1、0.481MB/s;若搭配2CE/DDR(166MHz)東芝MLC記憶體,循序讀、寫速度到254.6、58.42MB/s,4K QD32讀寫速度為13.17、1.624MB/s。

莊景涪展示採ASM1031設計的幾個USB 3.0隨身碟PCBA設計樣本,僅有ASM1031晶片、電感、4層PCB與22個RC排組即可兜成,長度為14mm x 33mm。在搭配200MHz Flash的測試案例中,開啟UASP模式下的4K QD32讀取速度,較僅使用Win8原生BOT驅動程式下提昇了70%。而ASM1031也通過像Intel、AMD等南橋內建的原生USB 3.0/USB 2.0主控晶片、NEC uDP720200、ASM1042、Fresco 1000/1009與Etron EJ168A主控晶片的相容性測試。

至於祥碩在SATA 6G(SATA 3.0)相關晶片動態,像已量產的ASM1061晶片,採x1 PCIe v2.0規格,雙埠AHCI規格的SATA 6Gbps連接埠,2013年Q1會有支援硬體RAID功能的ASM1061R晶片、支援x2 PCIe v2.0規格的雙埠ASM1062R晶片,及支援四埠的ASM1064R晶片。ASM1061磁碟晶片搭配Win7原生AHCI驅動程式下,以CrystalDiskMark 3.0對Plextor 256 SSD實測,循序讀、寫效能達376.1、306.6MB/s,4K QD32讀、寫則為69.4、44.98MB/s;接Micron C300 256GB SSD,循序讀、寫效能達356.7、206.9MB/s,4K QD32讀、寫則為234.4、169.2MB/s。

而多埠分接(Port MultiPlier)產品部份,則預定在2012Q4推出支援RAID 0+1的ASM1092R SATA6G晶片,2013Q1則推出支援到RAID 0+1、RAID 5的ASM1095R SATA6G晶片。可搭配應用於各種高效能之儲存裝置。

ThunderBolt/PCIe匯流排產品規劃

莊景涪也指出,在Intel Thunderbolt匯流排的應用上,轉接USB 3.0部份可使用ASM104X系列USB主控╱集線晶片,在轉換SATA週邊部份可使用ASM106X系列SATA6G橋接晶片,轉接到傳統PCI部份可使用ASM108X晶片。以MacBook Pro的Thunderbolt介面,連接支援Thunderbolt介面的外接儲存裝置盒,內部有ASM1061 SATA6G橋接晶片、搭配Vertex3 SATA3.0 SSD,在Win7環境下循序讀、寫效能達366、327.9MB/s,在Mac下循序讀、寫效能達379.3、356.1MB/s。

這個Thunderbolt外接裝置若改為透過ASM1042A USB 3.0主控晶片轉接至USB 3.0介面,在MacBook Pro以AJA進行測試,僅使用BOT模式下讀、寫速度為206.7、208.9MB/s,啟用UASP模式下讀、寫速度提升到352.4、313.4MB/s;改接Windows 8環境下,連接ASM1042A USB 3.0主控晶片並開啟UASP模式,在ATTO Bench測試循序讀、寫為366MB/s、376MB/s。可明顯看出效能的差異暨改善。

在PCIe產品部份,祥碩已量產ASM1083 PCIe轉3PCI晶片與ASM1085 PCIe轉5PCI晶片,2012年Q3將推出符合PCIe v2.0規格的PCIe 埠數擴充器, 包括ASM1182(1轉2)、ASM1183(1轉3)與ASM1184(1轉4),Q4將推出ASM1187(1轉7)的產品。

莊景涪最後總結,祥碩優勢在於提供自行設計且驗證過的實體層電路,累積六千萬套以上的實際產品市場驗證經驗,以及取得最多之USB-IF、SATA-IO協會等組織認證;且高層不吝於投資高速量測分析儀器,目前公司具備14部USB 3.0協定分析儀、5部PCIe分析儀與6部SATAⅢ分析儀,4部16GHz+12.5GHz高規格等級的安捷倫、太克等示波器設備,以及各種接收端分析儀器如JBert與Bertscope與PerT3等, 可即時協助客戶量測並提供偵錯之用。

祥碩產品均透過支援USB 3.0、SATA Partial/Slumber等節能模式與PCIe連線動態電源管理來達成低功耗最佳化,同時透過支援多種電池充電模式與可選擇的時脈產生器來源,內建變壓電路等等,來協助客戶降低總BOM表成本,祥碩時刻以提供客戶技術創新、產品效能卓越、價格合宜、品質為先並成為客戶值得信賴的夥伴,亦是企業核心價值。