mSATA、mPCieからM.2への移行とM.2の始まり
様々な小型デバイスのデザインを見ると、mSATA、mPCIe、そして最近ではM.2といった様々なインターフェースが存在します。これらのインターフェースは、コンピューターのハードウェアアーキテクチャにおけるI/Oスループットとデータ転送を可能にする技術に関連しています。しかし今日では、小型インターフェースのトレンドはmSATAやmPCIeからM.2インターフェースへと移行しており、より高速な処理の要求に対応するため急速に進んでいます。したがって、堅牢でコンパクトなコンピューターインターフェースの開発に対応するためには、各インターフェースからの移行と、それらの利点における違いを理解することが不可欠です。
より小さく、よりコンパクトなデバイスの要求に応えるため、ミニSATAまたはmSATAがコンピューターの周辺バスインターフェースを小型化するための初期開発でした。現在のmSATAはSATA（Serial Advanced Technology Attachment）の小型化されたバージョンであり、どちらも論理通信インターフェースとしてSATAプロトコルを使用しています。ミニSATAカードのフォームファクターには、30 x 50.95mmのフルサイズと30 x 26.8mmのハーフサイズがあり、2.5インチSATAドライブよりもはるかに小さいです。mSATAカードの小型フォームファクターは、組み込みコンピューター、IoTゲートウェイ、産業用パネルPCなどのスペースが限られたシステムでのSATAストレージ拡張に適しています。SATA 3.0プロトコルにより、mSATAインターフェースは6Gb/sの転送速度に達することができ、mSATAをコンパクトで手頃なストレージの良い選択肢としています。
しばらくの間、mSATAは一般的なミニ拡張バスでしたが、PCIe 3.0を搭載したmPCIeが小型フォームファクターの代替インターフェースとして導入されました。Mini PCIeまたはmPCIeは、コンピューターアーキテクチャでPCIeレーンを利用するPCI Express（Peripheral Component Interconnect Express）インターフェースを小型化したものです。mPCIeとmSATAの類似点は、両方のカードとスロットが同じフォームファクターを持つことであり、両者を並べて比較する際には混乱を招く可能性があります。しかし、mPCIeは1つのPCI ExpressレーンとUSB 2.0信号を利用します。PCIe 3.0レーンを活用することで、mPCIeはmSATAよりも高速であり、転送速度は最大8Gb/sに達し、追加の性能上の利点を提供します。
さらに、PCIeおよびUSB 2.0信号を備えたmPCIeは、mSATAのようなストレージ拡張バスにとどまらず、幅広いアプリケーションに対応しています。元々はグラフィックカードやWiFi、Bluetooth、SIMカード、I/O拡張などの他の周辺機器向けに設計されましたが、mPCIeはストレージ拡張もサポートできます。そのため、様々なmPCIeカードが様々な小型フォームファクターデバイスで見られます。
小型フォームファクターデバイスにおけるmSATAおよびmPCIeインターフェースの優位性にもかかわらず、M.2インターフェースはこれらの古いインターフェースを急速に置き換えています。今日の最新のコンパクトで堅牢なハードウェアは、AI（人工知能）やリアルタイム処理といった様々なハイエンド技術を伴うことが多いです。これらのハイエンド技術は、ミッションクリティカルなアプリケーションがスムーズに実行されることを保証するために、低遅延で信頼性の高いソリューションを必要とします。その結果、今日の多くの新製品は、コンパクトで強力なコンピューターバスインターフェースとしてM.2フォームファクターを採用しています。M.2は、次世代フォームファクターにおいてmSATAおよびmPCIeインターフェースの後継です。M.2インターフェースは、x2からx4 PCIe 3.0レーン、NVMe（不揮発性メモリExpress）、SATAプロトコル、USB 3.0信号を含む複数の技術を利用しています。NVMeプロトコルとx4 PCIeレーンを利用することで、M.2デバイスはmPCIeおよびmSATAデバイスに比べて驚くほど高速です。（削除）
mSATAとmPCIe規格は、m.2がその代替として急速にレガシー技術になりつつあります。今日、m.2インターフェースは、コンパクトでパワフル、そして超高速なコンピューティング技術の次世代への進歩を牽引しています。したがって、本ブログでは、M.2スロット、M.2技術、およびコンピューティングハードウェア技術におけるM.2デバイスの可能性を認識するための完全な概要を提供します。
mPCIeスロットとシングルボードコンピューターについてさらに詳しく
M.2拡張スロットとは？
M.2拡張スロットとは、マザーボード上のオンボード内部拡張カードの仕様のことです。Intelは2012年にM.2スロットを次世代フォームファクター（NGFF）として初めて導入しました。 M.2フォームファクターは、基本的なワイヤレスカードから複雑なAIアクセラレーターまで、さまざまなアプリケーションに最適です。さらに、M.2ソケットは、完全なPCI Expressレーンを利用できるため、mSATAよりもはるかに高速です。マザーボード上のM.2スロットは2〜4本のPCIeレーンを利用でき、PCIe 4.0は各レーンで16Gb/sの転送速度を持つため、M.2は驚異的に高速です。その結果、M.2デバイスはmSATAデバイスよりも数百倍高速になります。
さらに、M.2バスインターフェース、論理インターフェース、およびデバイスの選択肢は、mSATAよりもはるかに柔軟です。
- M.2バスインターフェースは、PCIeレーン、SATA、USBをサポートします。
- M.2論理インターフェースは、現代およびレガシー技術との互換性のためにNVMeおよびSATAインターフェースをサポートします。
- M.2デバイスは、ソリッドステートドライブ（SSD）、ワイヤレス接続カード、I/O拡張カード、パフォーマンスアクセラレーターカードなど、多様なアプリケーションを持っています。
M.2の利点とは？
- 超コンパクトモジュール – 最小のM.2デバイスは、最小のmPCIeデバイスに比べて18%小型です。
- 柔軟な寸法 – マザーボード上のM.2ポートの中には、複数の長さのM.2カードをサポートするものもあります。
- 電力効率 – M.2の消費電力は7Wに制限されています。
- M.2デバイスはSATAデバイスよりもはるかに高速です – 約50%から650%高速です。
- 驚異的な高速仕様：NVMeプロトコルと最大x4レーン（各レーン16Gb/s）のPCIe 4.0
M.2拡張スロット | フォームファクターとキーイングの説明
M.2インターフェースは汎用性が高く、異なるフォームファクターとソケットタイプを持つ様々なM.2カードをサポートしています。ここでは、様々なM.2フォームファクターと、M.2デバイスとマザーボード上のM.2スロットの正しい仕様を選択するのに役立つ特定の種類のキーについて説明します。
M.2キーイングの説明
すべてのM.2ポートが同じではないことに注意することが重要です。M.2デバイスまたはマザーボード上のM.2ポートを選択する際には、マザーボードに示されているキーの仕様に注意を払う必要があります。M.2キーは、M.2コネクタを区別するエッジコネクタの種類です。互換性を持たせるためには、スロットとデバイスが同じキーを持っている必要があります。ここでは、最も一般的なM.2キータイプ（B、M、B+M、A、E、A+E）の一部をご紹介します。
- Bキー：カードの左側に6ピンのギャップがあり、右側がホストコントローラです。
- Bキーの一般的な用途：SATA、PCIe x2、SSD。
- Bキーのインターフェースサポート：PCIe x2、SATA、USB 2.0/3.0、UIM、HSIC、SSIC、I2C、SMBus。
- Mキー：カードの右側に5ピンのギャップがあり、左側がホストコントローラです。
- Mキーの一般的な用途：PCIe x4、NVMe SSD。
- Mキーのインターフェースサポート：PCIe x4、SATA、SMBus。
B+Mキー：BキーとMキーの両方を組み合わせたもので、左側に6ピン、右側に5ピンのギャップがあり、中央がホストコントローラです。B+Mキーは、マザーボードのM.2インターフェース上のBキーとMキーの両方のスロットと互換性があります。
- Aキー：カードの左側に4ピンのギャップがあり、右側がホストコントローラです。
- Aキーの一般的な用途：WiFi、Bluetooth、セルラーモジュール。
- Aキーのインターフェースサポート：2x PCIe x1、USB 2.0、I2C、Display Port (DP) x4。
- Eキー：カードの左側に12ピンのギャップがあり、右側がホストコントローラです。
- Eキーの一般的な用途：WiFi、Bluetooth、セルラーモジュール。
- Eキーのインターフェースサポート：2x PCI x1、USB 2.0、I2C、SDIO、UAT、PCM、CNVi。
A+Eキー：AキーとEキーの両方を組み合わせたもので、カードの左側に4ピンと12ピンのギャップがあり、右側がホストコントローラです。A+Eキーは、マザーボードのM.2インターフェース上のAキーとEキーの両方のスロットと互換性があります。
M.2フォームファクター
ほとんどのM.2拡張カードは幅22mmで、長さは30mm、42mm、60mm、80mm、110mmと複数の選択肢があります。さらに、幅12mm、15mm、30mm、長さ12mm、26mm、38mmのモジュールなど、より小型のフォームファクターに対応したM.2の幅と長さのバリエーションもあります。M.2デバイスのサイズコーディング方法は、特定のモジュールの幅と長さを組み合わせたものです。たとえば、「2260」モジュールコードは、M.2カードの幅が22mm、長さが60mmであることを意味します。さらに、マザーボードのM.2拡張スロットが、M.2モジュールのサイズとキーと互換性があることを確認する必要があります。アップグレードの可能性のために、一部のマザーボードは、固定ネジ用の異なる位置を提供することで、複数の長さのオプションを持つM.2拡張スロットをサポートしています。
片面M.2と両面M.2
M.2モジュールには、片面モジュールと両面モジュールがあり、いくつかの厚さレベルがあります。片面M.2モジュールは、スペースが限られたアプリケーション向けにデバイスをよりコンパクトにすることができます。一方、両面M.2モジュールは、より多くのチップをM.2 PCB（プラスチック回路基板）に収めることができ、M.2モジュールの全体容量を増加させます。 M.2モジュールの両側の厚さはそれぞれ1.5mmを超えてはならず、PCBの厚さは0.8mm±10%であることに注意することが重要です。
マザーボードにM.2モジュールをインストールする方法
credits: Tomshardware
M.2モジュールをマザーボードに正常にインストールするには、M.2モジュールのフォームファクターがマザーボードのM.2ソケット仕様と一致していることを確認する必要があります。たとえば、仕様コード「2240 Key E」のM.2モジュールには、マザーボードに幅22mm、長さ40mmのKey E M.2ポートが必要です。モジュールとマザーボードが同じm.2互換性を持っている場合は、システムのエンクロージャーを取り外してM.2ソケット付きマザーボードにアクセスし、カードを30°の角度で挿入します。カードをソケットに挿入した後、マザーボードと平行になるようにカードを押し下げ、カードの端にある半円形のギャップをネジで固定してモジュールをマザーボードに固定します。すべての手順が正しく行われた場合、システムは指定されたm.2モジュールで起動する準備ができています。
M.2テクノロジー｜信号インターフェースとストレージプロトコル
著作権表示：PCI Express, Serial ATA, USB, NVM Express
Intelは、幅広いアプリケーションに対応できるよう、非常に柔軟で強力なM.2インターフェースを開発しました。M.2は、PCI Express（PCIe 3.0および4.0）、Serial ATA（SATA 3.0）、USB 3.0など、複数の信号インターフェースをサポートしています。さらに、さまざまなバスインターフェースにより、M.2拡張スロットは、ストレージアプリケーション、パフォーマンスアクセラレーター、ワイヤレス接続、I/O拡張モジュールなど、さまざまなアプリケーションに非常に柔軟に対応できます。
さらに、M.2はSATA（AHCI）とNVMeストレージプロトコルの両方をサポートし、レガシーおよびモダンな互換性を提供します。SATAは、IntelがHDD（ハードディスクドライブ）ストレージのスピニングメタルディスクでのデータ操作を最適化するために最初に定義したストレージプロトコルであるAHCI（Advanced Host Controller Interface）を使用するレガシー標準です。対照的に、NVMe（Non-Volatile Memory Express）は、フラッシュチップストレージ（NANDチップ）とPCI Expressレーンの利点を最大限に活用し、超高速のSSD（ソリッドステートドライブ）ストレージを実現するために作成されました。
M.2を使用できるアプリケーション
M.2インターフェースは、複数の信号インターフェースとストレージプロトコルをサポートしているため、その汎用性から、M.2拡張スロットの恩恵を受けることができる幅広いアプリケーションがあります。M.2フォームファクターを実装するアプリケーションは、接続モジュール、ストレージソリューションからパフォーマンスアクセラレーターまで、常に発展しています。特に、コンパクトなソリューションを必要とするデバイスが増えるにつれて、M.2フォームファクターは、エンタープライズとコンシューマーの両方のワークロードにおけるさまざまなアプリケーションに対応するのに最適です。
M.2接続モジュール
著作権表示：Intel, Thales, IO Crest
M.2拡張ポートを使用して、システムのワイヤレスおよび有線接続を拡張できます。M.2フォームファクターで利用可能なワイヤレスカードとI/O拡張モジュールはたくさんあります。これらのM.2カードは、コンパクトなフォームファクターで接続拡張性を提供します。今日入手できるM.2接続モジュールの一部を以下に示します。
- M.2 WIFIカード（WiFi 6 802.11axまで対応）
- M.2 Bluetoothカード（Bluetooth 5.0まで対応）
- SIMカードモジュール（4G LTEおよび5Gモジュール）
- I/O拡張モジュール：COM、LAN、USBなど
M.2 SSDストレージソリューション
著作権表示：Samsung, Bplus Technology
M.2 SSDには、さまざまなサイズと仕様のものが利用可能です。サイズ面では、M.2 SSDはストレージ容量に応じて様々なM.2フォームファクターを提供しています。経験則として、ストレージ容量が大きいほどNANDフラッシュストレージチップが多く必要となり、M.2 SSDのサイズまたは長さが大きくなります。一方、仕様の観点からは、M.2 SSDはSATAインターフェースまたはNVMeインターフェースSSDのどちらかを入手できます。
M.2 SATA SSDとM.2 PCIeNVMeSSDの主な違いは速度です。SATAインターフェースは6Gb/sの転送速度で速度ボトルネックがありますが、PCIe 4.0レーンは各レーンで16Gb/sの転送速度です。さらに、M.2インターフェースは、高性能で低遅延のSSDのためにx2または最大x4のPCIeレーンを利用することができます。M.2 SSDは、SATA SSDよりも50%から約650%高速にデータを転送できます。これら2つのM.2 SSDの読み書き速度を比較すると、SATA 6Gb/s SSDは550MBpsの読み書き速度であるのに対し、M.2 PCIeNVMeSSDは3,500Gb/sおよび2,450Gb/sの理論的な読み書き速度と超高速です。今日入手できるM.2 SSDの仕様の一部を以下に示します。
- M.2 SATA SSD（AHCIプロトコル） – 500MB/sの読み書き速度
- M.2 PCIe SSD（AHCIプロトコル） – 2Gb/sおよび1.5Gb/sの読み書き速度
- M.2 PCIe NVMe SSD – 3.5Gb/sおよび2.45GB/sの読み書き速度
重要な注意：NVMe SSDは非常に高速です。最速のM.2 SSDを入手したい場合は、Mキーを備えたM.2 SSDを選択してください。これらはPCIe x4レーンをサポートしており、SSDの速度を最大限に最適化します。
SSDとHDDの比較、そしてSSDがなぜ特別なのかについて詳しくはこちら
M.2パフォーマンスアクセラレーター
著作権表示：Intel, Coral.AI, Advantech
接続およびストレージ拡張モジュール以外にも、パフォーマンスアクセラレーターは、そのコンパクトで強力なインターフェースの恩恵を受けるために、M.2フォームファクターを急速に採用しています。これらのパフォーマンスアクセラレーターには、メモリアクセラレーター、AI（人工知能）アクセラレーター、深層学習アクセラレーター、推論アクセラレーターなどが含まれます。今日入手できる最高のM.2パフォーマンスアクセラレーターの一部を以下に示します。
- M.2 Intel Optane Memory – Intelが開発したM.2形式の速度向上キャッシュストレージ。他のドライブのキャッシュを高速化し、高速コンピューティングを可能にします。
- M.2 VPU – IntelのMovidius VPU（Vision Processing Unit）は、堅牢でコンパクトなテクノロジーを必要とするエッジコンピュータービジョンの機械学習と推論を強化するために開発されました。
- M.2 TPU – Googleが開発したTensor Processing Unitは、大規模で複雑なニューラルネットワークモデルのトレーニングを高速化します。コンパクトなM.2フォームファクターに収められた、非常に強力でエネルギー効率の高いAIアクセラレーターです。
コンピューティングハードウェアにおけるパフォーマンスアクセラレーターについて詳しくはこちら
これらすべてを考慮すると、M.2インターフェースの驚異的な速度、コンパクトなフォームファクター、そして高い柔軟性は、シンプルなソリューションから、AI、ブロックチェーン、5Gテクノロジーなどのより高度で複雑なコンピューティングソリューションまで、無数のコンピューティングソリューションに大きな機会をもたらしました。次世代フォームファクターまたはM.2、PCI Express 4.0、およびNVMeテクノロジーが、産業用コンピューティングにおけるコンパクトで堅牢なソリューションの進歩をどのように牽引していくかを見るのは非常に楽しみです。
