Khi máy tính ngày càng nhỏ gọn, các thành phần phần cứng như ổ lưu trữ cũng phải thu nhỏ. Sự ra đời của SSD cho phép thiết kế mỏng như Ultrabook, nhưng điều này xung đột với giao diện SATA tiêu chuẩn ngành.
Giao diện mSATA được thiết kế để tạo thẻ mỏng tương tác với SATA. Vấn đề mới nảy sinh khi tiêu chuẩn SATA 3.0 giới hạn hiệu năng SSD. Một giao diện thẻcompact mới phải được phát triển để giải quyết.
Ban đầu gọi là NGFF (Next Generation Form Factor), giao diện mới đã được chuẩn hóa thành M.2 theo đặc tả SATA phiên bản 3.2.
Tốc độ nhanh hơn
Kích thước là yếu tố, nhưng tốc độ ổ cũng quan trọng như nhau. Đặc tả SATA 3.0 giới hạn băng thông thực tế của SSD trên giao diện ổ ở mức ~600 MB/s, mức nhiều ổ đã đạt. Đặc tả SATA 3.2 giới thiệu cách tiếp cận hỗn hợp mới cho giao diện M.2, tương tự SATA Express.
Về cơ bản, thẻ M.2 mới có thể dùng SATA 3.0 hiện có và bị giới hạn 600 MB/s. Hoặc dùng PCI-Express, cung cấp băng thông 1 GB/s theo chuẩn PCIe 3.0 hiện tại. 1 GB/s đó cho một làn đường (lane) PCIe, nhưng có thể dùng nhiều làn. Theo đặc tả M.2 SSD, tối đa 4 làn. 2 làn lý thuyết cho 2.0 GB/s, 4 làn cho tới 4.0 GB/s.
Với sự ra mắt PCIe 4.0, tốc độ này gấp đôi. PCIe 5.0 (2017) tăng băng thông lên 32 GT/s, đạt 63 GB/s cấu hình 16 làn. PCIe 6.0 (2019) gấp đôi nữa lên 64 GT/s, cho phép 126 GB/s mỗi chiều.
Không phải hệ thống nào cũng đạt tốc độ này. Ổ M.2 và giao diện phải thiết lập cùng chế độ. Giao diện M.2 dùng chế độ SATA cũ (legacy) hoặc chế độ PCIe mới. Ổ quyết định dùng chế độ nào.
Ví dụ: Ổ M.2 thiết kế chế độ SATA legacy bị giới hạn 600 MB/s. Mặc dù ổ tương thích PCIe lên đến 4 làn (x4), máy tính chỉ dùng 2 làn (x2). Kết quả tốc độ tối đa 2.0 GB/s. Để đạt tốc độ cao nhất, hãy kiểm tra ổ và bo mạch chủ/máy tính hỗ trợ gì.
Kích thước nhỏ hơn và lớn hơn
Mục tiêu thiết kế M.2 là giảm kích thước ổ lưu trữ. Đạt được qua vài cách: thẻ hẹp hơn mSATA trước đây. M.2 rộng 22 mm, mSATA 30 mm. Thẻ cũng ngắn hơn: 30 mm so với 50 mm mSATA. Khác biệt là M.2 hỗ trợ độ dài lên tới 110 mm. Nghĩa là ổ có thể lớn hơn, cung cấp không gian cho nhiều chip hơn, do đó dung lượng cao hơn.
Ngoài chiều dài/rộng, có tùy chọn mạch đơn diện (single-sided) hoặc hai diện (double-sided). Mạch đơn diện cho hồ sơ mỏng, tốt cho laptop siêu mỏng. Mạch hai diện cho phép gấp đôi chip trên bo M.2, dung lượng lưu trữ lớn hơn. Hữu ích cho desktop compact nơi không gian không quá quan trọng.
Vấn đề là bạn phải biết loại kết nối M.2 nào trên máy, ngoài không gian cho chiều dài thẻ. Hầu hết laptop chỉ dùng kết nối đơn diện, nghĩa là laptop không thể dùng thẻ M.2 hai diện.
Chế độ lệnh (Command Modes)
Hơn một thập kỷ, SATA làm cho lưu trữ trở thành cắm-đi-làm-ngay (plug-and-play). Nhờ giao diện đơn giản và cấu trúc lệnh AHCI (Advanced Host Controller Interface).
AHCI là cách máy tính giao tiếp lệnh với thiết bị lưu trữ. Nó tích hợp sẵn trong mọi hệ điều hành hiện đại, không cần cài driver thêm khi gắn ổ mới.
AHCI phát triển thời ổ cứng vật lý có khả năng xử lý lệnh hạn chế do bản chất đầu đọc/ghi và đĩa quay. Hàng đợi lệnh đơn với 32 lệnh đã đủ. Vấn đề là SSD hiện nay làm nhiều việc hơn, nhưng vẫn bị giới hạn bởi driver AHCI.
Cấu trúc lệnh và driver NVMe (Non-Volatile Memory Express) được phát triển để loại bỏ nút thắt cổ chai này và cải thiện hiệu năng. Thay vì một hàng đợi lệnh, NVMe cung cấp tới 65.536 hàng đợi, mỗi hàng tới 65.536 lệnh. Cho phép xử lý song song nhiều yêu cầu đọc/ghi lưu trữ, tăng hiệu năng so với AHCI.
Tuy nhiên có vấn đề: AHCI có sẵn trong mọi OS hiện đại, NVMe thì không. Driver phải cài thêm lên OS hiện có để tận dụng ổ. Đó là vấn đề với nhiều OS cũ.
Đặc tả M.2 cho phép cả hai chế độ. Điều này giúp áp dụng giao diện mới dễ dàng hơn với máy tính/công nghệ hiện có. Khi hỗ trợ NVMe cải thiện, cùng ổ đó có thể dùng chế độ lệnh mới. Tuy nhiên, chuyển đổi giữa hai chế độ yêu cầu định dạng lại ổ.
Tiêu thụ điện năng cải thiện
Máy tính di động có thời gian chạy giới hạn bởi pin và tiêu thụ điện của các thành phần. SSD giảm tiêu thụ điện của bộ phận lưu trữ, nhưng vẫn có chỗ cải thiện.
Vì giao diện M.2 SSD là một phần của đặc tả SATA 3.2, nó bao gồm các tính năng vượt ra khỏi giao diện. Bao gồm tính năng mới gọi là DevSleep. Khi nhiều hệ thống thiết kế vào chế độ ngủ (sleep) khi đóng nắp/tắt thay vì tắt hoàn toàn, có dòng điện liên tục để giữ dữ liệu hoạt động cho phục hồi nhanh khi đánh thức. DevSleep giảm điện năng thiết bị bằng cách tạo trạng thái điện năng thấp mới. Nên kéo dài thời gian chạy cho máy tính ở chế độ ngủ.
Vấn đề khởi động (Booting)
Giao diện M.2 là bước tiến trong lưu trữ và hiệu năng máy tính. Máy tính phải dùng bus PCI-Express để đạt hiệu năng tốt nhất. Nếu không, nó chạy như ổ SATA 3.0 hiện có. Có vẻ không vấn đề lớn, nhưng là rắc rối với nhiều bo mạch chủ đầu tiên dùng tính năng này.
SSD mang lại trải nghiệm tốt nhất khi dùng làm ổ gốc (root) hoặc ổ khởi động (boot). Vấn đề là phần mềm Windows hiện có vấn đề với nhiều ổ khởi động từ bus PCI-Express thay vì SATA. Nghĩa là ổ M.2 dùng PCIe sẽ không phải ổ chính cài OS/ứng dụng. Kết quả: ổ dữ liệu nhanh nhưng không phải ổ boot.
Không phải mọi máy/OS đều gặp vấn đề. Apple phát triển macOS (trước là OS X) dùng bus PCIe cho phân vùng gốc. Vì Apple chuyển SSD sang PCIe trên MacBook Air 2013 - trước khi đặc tả M.2 hoàn tất. Microsoft đã cập nhật Windows 10 hỗ trợ ổ PCIe và NVMe mới. Windows cũ hơn cũng có thể chạy nếu phần cứng hỗ trợ và cài driver ngoài.
Cách dùng M.2 có thể loại bỏ tính năng khác
Lĩnh vực quan tâm khác, đặc biệt với bo mạch chủ desktop, liên quan đến cách giao diện M.2 kết nối với phần còn lại của hệ thống. Có số làn PCIe giới hạn giữa bộ xử lý và phần còn lại. Để dùng khe M.2 tương thích PCIe, nhà sản xuất bo mạch chủ phải lấy các làn PCIe đó từ các thành phần khác trên hệ thống.
Cách chia sẻ làn PCIe giữa các thiết bị trên bo là mối quan tâm lớn. Ví dụ: một số nhà sản xuất chia sẻ làn PCIe với cổng SATA. Do đó, dùng khe M.2 có thể tiêu tốn tới 4 cổng SATA. Trường hợp khác, M.2 chia sẻ làn với khe mở rộng PCIe khác.
Hãy kiểm tra thiết kế bo mạch chủ để đảm bảo M.2 không can thiệp vào việc dùng ổ HDD SATA, ổ DVD, Blu-ray, hoặc thẻ mở rộng khác.