中文引用格式： 丁維銀. 一種M.2固態硬盤熱插拔和RAID功能的創新設計[J]. 電子技術應用，2025，51(7)：101-105.
英文引用格式： Ding Weiyin. An innovative design of hot-plug and RAID feature for M.2 SSD[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(7)：101-105.
引言
M.2固態硬盤（M.2 Solid State Drive, M.2 SSD）是一種基于M.2接口的用固態電子存儲芯片陣列制成的硬盤，因其具有速度快、體積小、容量大的優點而備受市場的青睞。M.2 SSD的接口可以兼容外設組件互連快速總線（Peripheral Component Interconnect express，PCIe）、串行硬盤總線（Serial Advanced Technology Attachment, SATA）和通用串行總線（Universal Serial Bus, USB）等多種協議，其中PCIe總線的M.2 SSD又被稱之為NVMe M.2 SSD。其支持的PCIe速度已經發展到PCIe Gen5 32GT/s，最大×4的通道寬度，容量也已經達到4 TB[1-2]。同時在企業級市場上，M.2 SSD經常被用作服務器和路由器的操作系統啟動盤，成為這些產品的標準配置。然而，企業級產品要求高可用性（High Availability, HA）、保證24小時開機提供服務、支持在線替換功能以及數據保護功能以提高可靠性。這就要求擔當操作系統啟動盤的固態硬盤具有熱插拔能力（Hot-Plug）和獨立磁盤冗余陣列（Redundant Array of Independent Disks, RAID）功能，以便在不停機狀態下進行維護、替換和擴展。
熱插拔是允許在機器帶電運行的情況下在線更換系統中可替換部件[3]。RAID是多個磁盤組成陣列，并利用個別磁盤提供數據保護功能以保證系統在單個磁盤失效時，可以保持數據完整性并繼續提供服務，維持系統的高可用性。這兩者結合可以提供針對操作系統啟動盤的在線維護。但是，M.2 SSD接口在設計之初并沒有考慮到對熱插拔功能的支持[2]，也沒有熱插拔導軌，它必須固定安裝在一個載體上，因此無法實現在線更換和RAID功能。目前，業界典型的解決方案如圖1所示。
圖1 目前業界典型的M.2 SSD熱插拔解決方案
圖1中采用一種具有熱插拔管理能力的硬件RAID控制器（HW RAID controller）通過PCIe ×8鏈路與中央處理器（Central Processing Unit, CPU）的PCIe端口連接，其后端通過一個載板（Carrier）和多塊M.2 SSD相連，并將這個硬件RAID控制器和兩塊或四塊M.2 SSD一起固定在這張載板上，由載板實現機械上的熱插拔動作，再由這個硬件RAID控制器來管理與CPU間熱插拔時的所有電氣特性和實現RAID功能，同時這個硬件RAID控制器可以兼容PCIe和SATA[4-5]這兩種不同的數據接口。這種方案的不足之處在于，硬件RAID控制器及其外圍電路需要額外的硬件部署，因此增加了硬件成本，且占用物理空間；此外，實際在進行熱插拔操作時，固定安裝在同一張載板上的這個RAID控制器連同多塊M.2 SSD必須隨載板一起移除和插入，靈活性較差。
本文提出了一種基于市場上通用M.2 SSD模塊新的設計方案，以實現熱插拔功能，同時兼容PCIe和SATA兩種數據接口，且具備RAID功能；還給出了一種具有更高的性價比新的動態時鐘信號控制（Dynamic Clock Control）[6]設計方案。最后，設計實現了上述方案并進行了實例測試驗證。
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作者信息：
丁維銀
（思科系統（中國）研發有限公司，上海 200231）
