Основные форм-факторы SSD и интерфейсы передачи данных

Твердотельные накопители (Solid-State Drive, SSD) — это устройства хранения данных на базе флеш-памяти NAND, пришедшие на смену традиционным жёстким дискам (HDD) благодаря гораздо более высокой скорости чтения/записи, низким задержкам и устойчивости к вибрациям.
За последние полтора десятилетия быстрое развитие технологий памяти и интерфейсов привело к появлению множества форм-факторов SSD, каждый из которых решает свою задачу: от компактных модулей для ультратонких ноутбуков до высокоплотных «линеек» для серверов и облачных ЦОД.

В этой статье собраны наиболее важные форм-факторы — встречающиеся в современной электроники — вместе с их типовыми интерфейсами передачи данных (SATA, SAS, PCI Express/NVMe). 

В первую очередь это обзорная статья, без детального разбора интерфейсов и протоколов передачи данных, создана чтобы помочь быстро сориентироваться какой накопитель подойдёт вашей системе и почему разные разъёмы физически несовместимы между собой.

Форм факторы SSD накопителей

2,5-дюймовый SSD

2,5-дюймовые SSD – самый распространённый форм-фактор твердотельных накопителей. Такие устройства имеют корпус размером 2,5 дюйма, похожий на ноутбучные жёсткие диски, и обычно подключаются через стандартный разъём SATA. Благодаря этому их легко использовать в большинстве компьютеров без каких-либо модификаций – фактически, установка 2,5” SSD полностью аналогична установке обычного HDD 2,5”. Помимо потребительских систем, вариант 2,5” применяется и в серверах.

Поддерживаемые интерфейсы: как правило, 2,5-дюймовые SSD используют интерфейс SATA с протоколом AHCI. Максимальная пропускная способность SATA III составляет 6 Гбит/с (около 600 МБ/с. Существуют также 2,5” SSD с интерфейсом SAS (Serial Attached SCSI) для корпоративных серверов – они имеют аналогичный размер, но другой разъём и двупортовый интерфейс SCSI. 2,5” форм-фактор применяют и в некоторых высокопроизводительных NVMe-накопителях – форматы U.2/U.3 SSD, см. ниже.)

Область применения: Ноутбуки, настольные компьютеры, компактные серверы и внешние накопители. 2,5-дюймовые SATA SSD обеспечивают заметный рост быстродействия по сравнению с HDD, оставаясь совместимыми и доступными по цене.

mSATA (Mini-SATA)

mSATA – миниатюрный форм-фактор SSD в виде платы, аналогичной по размерам мини-PCIe картам (примерно 51×30 мм). mSATA-платы устанавливаются непосредственно в слот Mini PCIe на материнской плате и изначально были разработаны для тонких ноутбуков и нетбуков. По характеристикам mSATA представляет собой SATA SSD. Стандарт mSATA появился до M.2 и позволил экономить место в устройствах малого размера.

Поддерживаемые интерфейсы: SATA (SATA III 6 Гбит/с) с протоколом AHCI. Других интерфейсов (PCIe/NVMe) форм-фактор mSATA не поддерживает. По сути mSATA-накопитель – это SATA-диск в другом форм-факторе, поэтому его скорость и особенности соответствуют обычным SATA SSD.

Область применения: ноутбуки, ультрабуки, планшеты ранних годов, а также встраиваемые системы, POS-терминалы, промышленные ПК, где важны компактность и низкое энергопотребление. В современном ПК mSATA встречается редко, так как заменён форм-фактором M.2 примерно после 2014–2015 гг.

M.2 (NGFF)

M.2 (Next Generation Form Factor) – современный компактный форм-фактор SSD в виде печатной платы. Накопители M.2 имеют ширину 22 мм и различную длину (обычно 80 мм, также встречаются 30, 42, 60, 110 мм. M.2 пришёл на смену mSATA и стал стандартным типом накопителя для ноутбуков и ультрабуков, а также широко используется в настольных ПК. Накопитель M.2 устанавливается прямо в специальный разъём на материнской плате и фиксируется винтом – благодаря этому не нужны кабели.

Поддерживаемые интерфейсы: Форм-фактор M.2 поддерживает два типа подключений: SATA и PCI Express. M.2 SSD могут работать либо через шину SATA (с использованием протокола AHCI, аналогично 2,5” дискам), либо через шину PCIe с протоколом NVMe. Конкретный интерфейс зависит от модели накопителя и разъёма: существуют M.2 SATA SSD и M.2 NVMe SSD.  Для NVMe-накопителей M.2 обычно выделяется 4 линии PCIe (x4), что даёт значительно более высокую пропускную способность – современные PCIe SSD работают в разы быстрее SATA. AHCI используется только в SATA-режиме; при подключении через PCIe применяется NVMe – специальный высокопроизводительный протокол для работы с флеш-памятью.

Область применения: Тонкие ноутбуки, ультрабуки, а также настольные ПК и рабочие станции. M.2 подходит как для потребительских задач (вместительные SATA M.2 для хранения данных), так и для высокопроизводительных приложений (скоростные NVMe SSD на PCIe для игр, мультимедиа, баз данных и т.д.). В серверном сегменте накопители M.2 также используются, но обычно только для загрузочных дисков, поскольку они не рассчитаны на горячую замену и ограничены по охлаждению.

Что такое «ключ» (M.2 key)

У модулей M.2 по кромке контактов сделаны вырезы-«ключи».
Они механически не дают вставить плату в несовместимый разъём и одновременно показывают, какие шины и сигналы выведены на контакты. В спецификации определено 12 позиций (A - M), но в реальных ПК и ноутбуках сегодня встречаются пять:

Ключ	Линии PCIe / другие интерфейсы	Типичные устройства
B-key	до PCIe ×2, SATA 6 Гб/с, USB 2/3	SATA-SSD, NVMe-SSD ×2, WWAN-модемы
M-key	до PCIe ×4, SATA 6 Гб/с	Быстрые NVMe-SSD ×4
B + M	PCIe ×2 или SATA (два выреза)	Универсальные SATA-SSD и «медленные» NVMe-SSD
A-key	PCIe ×1, USB 2/3, SDIO, I²C	NFC, Thunderbolt add-in
E-key	PCIe ×1, USB 2/3, I²C	Wi-Fi/Bluetooth адаптеры

Как читать вырез

• При взгляде на модуль чипами вверх и контактами к себе:

• B-key — вырез ближе к центру платы.

• M-key — вырез почти у правого края.

• A/E-key — вырез ближе к левому краю; Wi-Fi-карты часто маркируются как A + E и подходят в оба варианта разъёма.

Совместимость

• B-key слот принимает B-key и B + M модули, но не M-key.

• M-key слот принимает M-key и B + M; B-key вставить нельзя.

• B + M модуль универсален по механике, но по спецификации имеет только две линии PCIe, то есть даже в M-key слоте разгоняется лишь до скорости PCIe ×2.

Почему M-key быстрее

В вырезе M-key доступны контакты для четырёх линий PCIe (LANE0-3), поэтому NVMe-SSD с таким ключом работают на полной скорости (PCIe 3.0 ×4 ≈ 3,9 ГБ/с, PCIe 4.0 ×4 ≈ 7,9 ГБ/с и т.д.).
B-key ограничивается двумя линиями (LANE0-1), что даёт лишь половину полосы пропускания, а часто производители вообще ставят туда контроллер SATA для максимальной совместимости.

Резюмируя

• Проверьте вырез — это мгновенно подскажет, какие интерфейсы «умеет» плата.

• Для высоких скоростей (игровые ПК, рабочие станции) выбирайте M-key NVMe-SSD.

• B-key/B + M пригодны, если нужна универсальность (подойдёт и в старый ноутбук с SATA-слотом).

• A/E-key говорит, что перед вами не накопитель, а беспроводной модуль.

Теперь вы сможете безошибочно определить, какой SSD (или Wi-Fi-карта) подойдёт к вашей системе — достаточно взглянуть на форму выреза.

U.2 (SFF-8639)

U.2 – форм-фактор и разъём для высокопроизводительных SSD, выполненных в корпусе 2,5”. Накопители U.2 (ранее известные как SFF-8639) внешне похожи на стандартные 2,5-дюймовые диски, но обычно имеют большую толщину (15 мм) и отличаются интерфейсным разъёмом. Разъём U.2 содержит линии PCI Express, что позволяет таким дискам передавать данные по шине PCIe. По сути, U.2 SSD – это NVMe-накопитель в формате 2,5”, предназначенный для серверов и рабочих станций. Они устанавливаются в специальные отсеки и подключаются к контроллеру через кабель/бэкплейн, поддерживающий PCIe.

Поддерживаемые интерфейсы: PCI Express (через разъём SFF-8639) с протоколом NVMe. Некоторые бэкплейны U.2 способны работать и с SATA/SAS за счёт совместимости на уровне разъёма, но сами U.2-накопители ориентированы именно на PCIe. Максимальная пропускная способность определяется версией PCIe (например, U.2 Gen3 x4 ~ 32 Гбит/с, Gen4 x4 ~ 64 Гбит/с и т.д.). Протокол AHCI не используется – только NVMe для работы с флеш-памятью.

Область применения: Высокопроизводительные рабочие станции, серверы и системы хранения данных. Форм-фактор U.2 разработан как замена SATA/SAS-дисков в корпоративном сегменте – он обеспечивает существенно более высокую скорость и IOPS, сохраняя удобство горячей замены дисков в стойке. U.2 SSD используются там, где нужны большие ёмкости и скорость (базы данных, системы Big Data, обработка видео и др.), а M.2 не подходит из-за ограничений по охлаждению и обслуживанию.

U.3

U.3 – развитие форм-фактора U.2, предложенное для унификации подключения разных типов накопителей в серверах. Накопители U.3 физически аналогичны 2,5-дюймовым дискам с разъёмом SFF-8639, при этом разъём и бэкплейн стандарта U.3 могут автоматически поддерживать три протокола: SATA (AHCI), SAS (SCSI) и PCIe (NVMe). То есть в один и тот же отсек U.3 сервера можно установить либо SATA SSD, либо SAS SSD, либо NVMe SSD – контроллер сам переключится на нужный режим. Такая универсальность удобна в корпоративных системах. Сами же SSD U.3 обычно являются NVMe-накопителями, совместимыми с U.2 (U.3 диск может работать в старом U.2 слоте в режиме NVMe, и наоборот).

Поддерживаемые интерфейсы: PCIe 3.0/4.0 NVMe, SATA 3 (6 Гбит/с AHCI), SAS 12 Гбит/с – выбор интерфейса зависит от типа вставленного накопителя и поддерживается бэкплейном/контроллером. Разъём SFF-8639 в версии U.3 распаян таким образом, чтобы обеспечить обратную совместимость и нужные сигналы для всех трёх протоколов.

Область применения: Серверы и дисковые массивы следующего поколения, где требуется гибкость – возможность на лету заменять SATA/SAS диски на NVMe. U.3 постепенно вытесняет U.2 в корпоративном секторе благодаря упрощению инфраструктуры (единые тримодовые бэкплейны для любых дисков).

EDSFF E1.S и E1.L

E1.S и E1.L – семейство форм-факторов EDSFF (Enterprise & Datacenter SSD Form Factor) для серверных NVMe-накопителей нового поколения. E1.S (Enterprise 1U Short) – компактный носитель, призванный заменить М.2 в серверной среде, но с возможностью горячей замены. Он чуть длиннее и шире модуля M.2, что позволяет разместить больше микросхем NAND и улучшить рассеивание тепла. E1.L (Enterprise 1U Long), известный как «Ruler» (линейка), значительно длиннее и рассчитан на максимально возможную ёмкость – такие «линейки» могут вмещать десятки терабайт и предназначены для хранения высокой плотности. Оба форм-фактора рассчитаны на установку вертикально в 1U шасси (E1.S – короткие, E1.L – длинные занимающие всю глубину 1U) и обеспечивают модульность и удобство обслуживания SSD в центрах обработки данных.

Поддерживаемые интерфейсы: PCI Express (обычно 4 линии, Gen4/Gen5) с протоколом NVMe. Все варианты E1.S/E1.L используют единый разъём нового типа (основанный на SFF-TA-1002), стандартизированный для всей семьи EDSFF. Интерфейсы SATA/SAS не предусмотрены – только NVMe, ориентированный на высокую производительность. Разные версии E1.S могут иметь различную толщину корпуса (5,9 мм, 15 мм, 25 мм) для размещения разных систем охлаждения и поддержания нужного теплопакета (от ~20 Вт до 40+ Вт на накопитель).

Область применения: Серверы и системы хранения данных в корпусах 1U, где требуется высокая плотность NVMe-накопителей с удобной горячей заменой. E1.S чаще используются в вычислительных серверах и гиперскейл-платформами (облако, большие ЦОДы) – они позволяют разместить большое количество SSD в 1U для быстрого доступа к данным. E1.L применяются в специализированных системах, где при высоте 1U критична максимальная ёмкость – например, в хранилищах, достигающих несколько петабайт в одном узле.

EDSFF E3.S и E3.L

E3.S и E3.L – ещё одни серверные форм-факторы из семейства EDSFF, рассчитанные на корпуса высотой 2U и более. E3.S (Enterprise 3″ Short) имеет размер чуть больше стандартного 2,5-дюймового диска и предназначен заменить U.2/U.3 в будущих серверных платформах. E3.L (3″ Long) – удлинённая версия для максимальной вместимости. В отличие от серии E1 (которая узкая и вытянутая для 1U), носители E3 шире и допускают ещё больший энергопотребление и охлаждение, что нужно для самых производительных NVMe SSD нового поколения. Например, уже существуют модели E3 с поддержкой 40–70 Вт на накопитель – в 2U сервере это позволяет использовать очень быстрые и ёмкие SSD, которые не помещаются в формат 2,5”.

Поддерживаемые интерфейсы: PCI Express, NVMe. Как и другие EDSFF, накопители E3 работают через PCIe (четырёхлинейный разъём SFF-TA-1002) и используют только протокол NVMe. Они совместимы по разъёму с E1 (тот же интерфейсный коннектор), но имеют большие габариты. E3.S/E3.L могут выпускаться под разные версии PCIe (Gen4, Gen5) в зависимости от требуемой скорости.

Область применения: Масштабируемые системы хранения данных, высокопроизводительные серверы, HPC (высокопроизводительные вычисления) и другие корпоративные решения, где требуются SSD с максимальной скоростью, ёмкостью и надежным охлаждением. Ожидается, что форм-фактор E3 со временем заменит привычные 2,5-дюймовые SSD в серверах, обеспечивая лучшую плотность и теплоотвод.

PCIe-накопители в виде карт расширения (AIC)

SSD в формате PCIe-карты (Add-In Card, AIC) – это твердотельные накопители, выполненные в виде платы, устанавливаемой в слот PCI Express на материнской плате (аналогично видеокартам). Такой подход применялся в некоторых первых высокоскоростных SSD до широкого появления NVMe: например, накопители Fusion-io, Intel и других в 2010-х годах представляли собой PCIe плату с контроллером и чипами NAND. Форм-фактор карт расширения позволяет обходить ограничения интерфейса SATA по скорости, используя напрямую шину PCIe. Кроме того, на плате формата HHHL (Half-Height Half-Length) или FHHL может быть размещено больше микросхем памяти и мощный контроллер с радиатором для охлаждения. Современные NVMe-накопители редко выпускаются в формате AIC для массового рынка, однако в серверном сегменте такие карты применяются для специальных задач (например, высокоемкие PCIe SSD и карты-акселераторы хранения).

Поддерживаемые интерфейсы: PCI Express (обычно x4 или x8) с протоколом NVMe – стандарт для современных моделей. Ранние SSD-карты до стандартизации NVMe могли использовать собственные контроллеры и драйверы (например, Fusion-io) или мосты PCIe–SATA/RAID: фактически такие решения работали через AHCI, объединяя несколько SATA SSD на одной плате. Сейчас же почти все PCIe AIC SSD используют NVMe для взаимодействия с системой.

Область применения: Высокопроизводительные рабочие станции и серверы, где требуется максимальная скорость хранения. Примеры – энтузиастские модели SSD (в прошлом Intel Optane 900P/905P выпускались как PCIe-карта), а также корпоративные решения вроде буферных карт для кэширования. В целом, с ростом популярности форм-факторов M.2 и U.2, использование SSD в виде отдельных карт сократилось, но они остаются вариантом для расширения памяти в десктопах без слотов M.2 или для специализированных задач.

---

Интерфейсы и протоколы передачи данных SSD

Современные SSD используют несколько основных технологий передачи данных – интерфейсов и протоколов. Интерфейс определяет физический и электрический способ подключения накопителя, а протокол – набор команд и алгоритмов обмена данными между накопителем и хостом (компьютером). Ниже кратко рассмотрены ключевые интерфейсы/протоколы, применяемые в SSD:

• SATA (Serial ATA): последовательно-передающий интерфейс, изначально разработанный для жёстких дисков. Широко применяется и в SSD из-за обратной совместимости и простоты. Современная версия SATA III обеспечивает пропускную способность до 6 Гбит/с (≈600 МБ/с). SATA-диски обычно используют протокол AHCI. Достоинства SATA – массовость и достаточная производительность для большинства обычных задач. Недостаток – ограничение по скорости (~600 МБ/с), которое для быстрых SSD стало узким местом.

• SAS (Serial Attached SCSI): сериализованный интерфейс, являющийся развитием параллельного SCSI и ориентированный на серверы и хранилища. SAS – двунаправленный point-to-point протокол, позволяющий подключать диски с высокой скоростью (SAS-3 – до 12 Гбит/с в каждом направлении, SAS-4 – до ~22,5 Гбит/с). SAS-диски используют командный набор SCSI. Интерфейс SAS поддерживает двухпортовые устройства (важно для отказоустойчивости) и допускает подключение SATA-дисков к SAS-контроллерам (SATA-протокол вписывается в SAS среду). В потребительских ПК SAS не применяется, но в серверных SSD широко распространены SAS-модели (обычно в формате 2,5”) для корпоративных задач, требующих надежности и масштабируемости.

• PCI Express (PCIe): высокоскоростная шина, используемая для подключения NVMe-SSD напрямую к процессору/чипсету. PCIe 3.0 предлагает ~8 ГТ/с на линию (примерно 985 МБ/с реальной пропускной способности), PCIe 4.0 – вдвое больше (~16 ГТ/с), PCIe 5.0 – ещё в 2 раза выше, и т.д. Большинство NVMe SSD используют 4 линии PCIe, суммарно дающие до ~3,94 ГБ/с на PCIe 3.0, ~7,88 ГБ/с на PCIe 4.0 и ~15,75 ГБ/с на PCIe 5.0 теоретической скорости. PCIe-интерфейс позволяет значительно превзойти ограничения SATA: практически NVMe SSD по PCIe 3.0 x4 работают в 3–6 раз быстрее SATA SSD, а с PCIe 4.0 разрыв ещё больше. Подключение по PCIe также даёт выигрыш в задержках, так как устраняется промежуточное звено SATA-контроллера.

• NVMe (Non-Volatile Memory Express): высокопроизводительный протокол (драйвер) доступа к SSD по шине PCIe. NVMe изначально разработан специально для работы с флеш-памятью и стремится раскрыть параллелизм NAND, устраняя ограничения старых протоколов. NVMe поддерживает до 64k командных очередей, каждая до 64k команд, тогда как устаревший AHCI (SATA) имеет только 1 очередь на 32 команды. Благодаря этому NVMe может выполнять множество операций ввода-вывода параллельно, что резко повышает IOPS и снижает задержки. Кроме того, NVMe общается напрямую с CPU через PCIe, минуя «узкие места» SATA-контроллеров. На практике NVMe-SSD достигают более 1 млн. IOPS и существенно меньшего отклика, чем SATA/SAS модели. Сегодня NVMe – стандарт де-факто для быстродействующих SSD как в клиентских, так и серверных системах, и именно под NVMe разрабатываются новые форм-факторы (M.2, U.2/U.3, EDSFF и др.).

• AHCI (Advanced Host Controller Interface): устаревший программный интерфейс (драйвер) для SATA-контроллеров. AHCI был рассчитан на жёсткие диски и обеспечивает очередь глубиной всего 32 команды и одну потоковую очередь запросов. Для HDD этого достаточно, но быстрые SSD с AHCI начинают простаивать, ожидая обработки команд. Кроме того, AHCI не оптимизирован под параллельный доступ к флеш-памяти и имеет более высокие накладные задержки (порядка 6 микросекунд на команду против ~2,8 мкс у NVMe). Тем не менее AHCI до сих пор используется всеми SATA SSD, поскольку является стандартным и совместимым интерфейсом для ОС. В контексте NVMe-накопителей AHCI роли не играет, но понять его ограничения важно для осознания преимуществ NVMe.

• SCSI: классический протокол команд хранения, применяемый в SAS-накопителях (а ранее – в параллельных SCSI-дисках). В современных SSD напрямую не используется во вне, однако SAS SSD внутренне обрабатывают команды SCSI. Команды SCSI богаты возможностями (тонкое резервирование, очереди, метки и пр.) и ориентированы на серверные нагрузки. Для пользователя важное отличие: SATA-диски используют упрощённый набор ATA-команд (через AHCI), а SAS-диски – расширенный SCSI-команды (через контроллер HBA или RAID).

Кроме перечисленных, существуют и другие специализированные технологии (например, USB для внешних SSD, eMMC/UFS для мобильных встроенных накопителей, CFast/CFexpress для съемных карт на основе SSD-технологий и т.п.), но в контексте основных внутренних SSD форм-факторов доминируют именно SATA, SAS и PCIe (NVMe) интерфейсы. Каждая новая итерация интерфейсов нацелена на устранение «узких мест» предыдущих: переход от SATA к PCIe/NVMe увеличил как пропускную способность, так и параллелизм, позволяя твердотельным накопителям полностью раскрыть потенциал высокоскоростной флеш-памяти.

Таблица: Форм-факторы SSD и интерфейсы:

Форм-фактор	Типичные области применения	Интерфейсы и протоколы
2,5” SSD	Ноутбуки, настольные ПК, серверы (SFF отсеки)	SATA (AHCI); SAS (SCSI) в энтерпрайз
mSATA	Компактные ноутбуки, планшеты, встраиваемые системы	SATA (AHCI)
M.2	Ультрабуки, десктопы, рабочие станции, IoT	SATA (AHCI) или PCIe (NVMe)
U.2 (2,5”)	Серверы, рабочие станции, хранилища данных	PCIe x4 (NVMe)
U.3	Серверы (слоты tri-mode SAS/SATA/NVMe)	PCIe (NVMe); SATA (AHCI); SAS (SCSI)
E1.S / E1.L	Центры данных 1U, edge-серверы, индустриальные системы	PCIe (NVMe)
E3.S / E3.L	Центры данных 2U+, HPC, масштабные хранилища	PCIe (NVMe)
PCIe AIC (карта)	HPC рабочие станции, специальные серверные задачи	PCIe (NVMe; ранние – AHCI/prop.)

Таблица: Интерфейсы SSD

Интерфейс	Характеристика
SATA III	Последовательный интерфейс до 6 Гбит/с (≈600 МБ/с); массовый и недорогой, совместим с HDD; использует очередь AHCI 1×32; ограничивает производительность быстрых SSD.
SAS 3/4	Серверный двухпортовый интерфейс 12–22,5 Гбит/с; совместим c SATA; рассчитан на высокие нагрузки и подключение сотен устройств через экспандеры.
PCI Express 3.0/4.0/5.0	Высокоскоростная шина (≈8/16/32 ГТ/с на линию); NVMe‑SSD обычно используют 4 линии, что даёт пропускную способность в разы выше SATA и минимальные задержки.

Таблица: Протоколы SSD

Протокол	Характеристика
NVMe	Оптимизирован под флеш‑память: до 64 k очередей × 64 k команд; низкие задержки (<3 μs) и >1 млн IOPS; работает поверх PCIe и заменяет AHCI в современных SSD.
AHCI	Традиционный драйвер SATA; 1 очередь × 32 команды; неэффективен на быстрых SSD, но обеспечивает универсальную совместимость с ОС.
SCSI	Расширенный набор команд, используемый SAS‑накопителями; поддерживает резервирование, метки, большие очереди; ориентирован на корпоративные нагрузки.