Brochage M.2 : sockets clé M, clé B et clé E

PET ou PER : lire le sens des paires sans se tromper

Le piège le plus coûteux du M.2 est un problème de vocabulaire. Le tableau de congatec, qui reprend la spécification, nomme les paires PCIe du point de vue de l’hôte : la carte émet sur PERn0/PERp0 (broches 41/43) et reçoit sur PETn0/PETp0 (47/49). Les fiches de SSD Intelligent Memory et UD info, ou le module SIMCom SIM8200EA-M2, impriment au contraire PETn0 sur la broche 41, parce qu’ils se placent du côté de la carte.

L’affectation électrique, elle, ne varie pas : toutes nos sources placent l’émission de la carte sur 41/43 (Quectel RM520N-GL : PCIE_TX en 41/43 ; tableau du support Jetson de Seeed : réception de l’hôte en 41/43). Avant de router, nous vérifions donc chaque paire à partir de la colonne direction, jamais à partir du seul nom. La même inversion touche l’UART et le PCM de la clé E : Embedded Artists nomme UART TXD la broche 22, que congatec et Panasonic appellent UART RXD.

Autre piège en SATA : la paire B positive (SATA-B+) partage la broche 41 avec PERn0, une broche négative en PCIe. La fiche du SSD SATA Apacer P201-M confirme le placement : réception positive de l’hôte en 41, négative en 43, émission négative en 47, positive en 49.

Clés B, M et E : qui entre dans quel socket

La clé est une encoche de la carte qui correspond à un détrompeur du connecteur. Une carte B+M porte les deux encoches : la fiche Apacer précise qu’elle entre ainsi dans un socket clé B comme dans un socket clé M. Une carte clé M seule, typique des SSD NVMe PCIe x4, n’entre pas dans un socket clé B.

Le brochage explique les limites d’une carte B+M : le socket clé B ne câble que les voies PCIe 0 et 1 (41 à 49 et 29 à 37), alors que le socket clé M en câble quatre. Une carte B+M fonctionne donc en SATA ou en PCIe x2 au plus. La clé E, enfin, sert aux cartes de connectivité : Embedded Artists décrit son module Wi-Fi et Bluetooth comme un 2230-D5-E.

Sur un socket clé B, l’hôte lit CONFIG_0 à CONFIG_3 (broches 21, 69, 75 et 1) pour savoir quelle interface la carte utilise : chaque broche est à la masse ou en l’air sur la carte, avec un rappel vers le haut sur l’hôte, lisible même carte hors tension. Quatre masses signalent un SSD SATA, quatre broches hautes l’absence de carte (table de décodage congatec AN43). Le module SIMCom SIM8200EA-M2 met CONFIG_0, CONFIG_1 et CONFIG_2 à la masse et laisse CONFIG_3 en l’air : WWAN en PCIe et USB 3.

Le socket clé M n’a pas de broches CONFIG : il s’appuie sur PEDET (broche 69). Selon la documentation du noyau Linux, qui cite la spécification M.2 r4.0, PEDET à l’état bas signale une carte SATA, à l’état haut une carte PCIe. Un socket qui ne gère que le NVMe ne fera jamais fonctionner un SSD M.2 SATA, même s’il entre mécaniquement.

Formats 2230, 2242, 2280 et hauteurs de connecteur

Le nom d’une carte M.2 donne sa largeur puis sa longueur en millimètres, puis l’encombrement des composants et la clé. Embedded Artists détaille 2230-D5-E : 22 mm de large, 30 mm de long, composants de 1,5 mm maximum sur les deux faces, clé E. Une 2242 mesure donc 22 × 42 mm et une 2280 22 × 80 mm, format du SSD NVMe Intelligent Memory. Les modems sont plus larges : 30 × 42 mm pour le Quectel EM05, 30 × 52 mm pour le RM520N-GL.

Le connecteur suit l’épaisseur de la carte. TE Connectivity indique une hauteur de 2,25 mm pour les cartes à composants sur une seule face et de 3,2 mm pour les cartes double face, au pas de 0,5 mm. La carte est vissée à l’autre bout sur une entretoise ou un insert taraudé : Panasonic demande une vis M2,5 × 4 et une carte parallèle à la carte hôte. Nous choisissons donc la hauteur du connecteur et celle de l’entretoise ensemble, en fonction de la longueur de carte prévue.

L’encoche n’est pas centrée. Sur les plans des SSD UD info M2P-80DE (clé M) et Apacer P201-M (B+M), chaque encoche mesure 1,20 ± 0,05 mm ; l’axe de l’encoche M est à 6,125 mm de l’axe de la carte, celui de l’encoche B à 5,625 mm de l’autre côté. Ces cotes tombent exactement au milieu des positions 59 à 66 et 12 à 19, à raison de 0,25 mm par numéro de broche. La longueur de 42 mm d’une 2242 vient de la fiche ADATA IM2S3334.

Alimentation 3,3 V et niveaux logiques 1,8 V

Les sockets clé M et clé E sont alimentés en 3,3 V seulement (neuf broches en clé M, quatre en clé E). Le socket clé B porte la mention 3.3V/VBAT : les modules 4G/5G Quectel et SIMCom acceptent de 3,135 à 4,4 V et tirent de forts appels de courant en émission. Quectel demande pour le RM520N-GL une alimentation capable de 3,0 A en continu, deux condensateurs de 220 µF à faible ESR et une piste VCC d’au moins 3 mm de large ; SIMCom annonce 2,7 A crête pour le SIM8200EA-M2.

Les signaux de bande latérale ne sont pas tous au même niveau. D’après congatec, PERST#, CLKREQ#, PEWAKE#, SUSCLK, W_DISABLE# et les LED sont en 3,3 V ; SMBus, I2C, ALERT#, UART, PCM, SDIO, COEX et les GPIO de la clé B sont en 1,8 V. Relier un GPIO 3,3 V de processeur à une broche 1,8 V du module exige un adaptateur de niveau.

PERST#, CLKREQ#, PEWAKE#, SUSCLK et W_DISABLE#

PERST# est le reset fonctionnel PCIe, piloté par l’hôte. CLKREQ# et PEWAKE# sont des sorties à collecteur ouvert de la carte : SIMCom impose un rappel externe sur l’hôte, et Quectel précise que leur niveau dépend de la tension de rappel côté hôte. Selon UD info, CLKREQ# sert aussi aux sous-états d’économie d’énergie L1. Quectel conseille de piloter les entrées actives basses par un GPIO push-pull plutôt que par une résistance de tirage, pour éviter un pont diviseur avec le rappel interne du module.

SUSCLK est une horloge de veille à 32,768 kHz fournie par l’hôte à la carte (documentation du noyau Linux). Embedded Artists la classe « toujours nécessaire » pour son module Wi-Fi et Bluetooth : prévoyez un oscillateur 32,768 kHz en 3,3 V. Attention en clé B : SIMCom réutilise la broche 68 pour I2C_SDA.

W_DISABLE1# coupe le Wi-Fi et W_DISABLE2# le Bluetooth en clé E ; en clé B, W_DISABLE1# met le modem en mode avion. Ces entrées sont actives basses : les modules Quectel et SIMCom les tirent vers le haut en interne. FULL_CARD_POWER_OFF# fait l’inverse : les deux modules le tirent vers la masse, donc un modem dont l’hôte laisse cette broche en l’air ne démarre jamais.

Router les voies PCIe d’un socket M.2

Quectel fixe pour le PCIe une impédance différentielle de 85 Ω ± 10 %, un écart de longueur intra-paire inférieur à 0,7 mm et une longueur totale sous 200 mm ; pour l’USB 2.0 et l’USB 3, 90 Ω. Les condensateurs de liaison sont placés côté émetteur : ceux de l’émission du module sont intégrés au module, ceux de l’émission de l’hôte se placent près de l’hôte. Le calculateur d’impédance différentielle donne la géométrie de piste pour votre empilage.

En clé M, la voie 0 est en 41 à 49 et la voie 3 près de la broche 5 ; l’ordre physique des voies doit correspondre à celui du contrôleur, sauf si celui-ci gère l’inversion de voies. Nous mesurons ensuite les diagrammes de l’œil sur notre oscilloscope Tektronix équipé de TekExpress, qui couvre la conformité PCI Express, SATA et USB.