CFexpress - Tudo sobre o novo padrão de cartões de memórias bem mais rápidos [+UPDATE]

Assim como qualquer tecnologia, os cartões SD vem se renovando e ganhando mais poder a cada ano. Até o momento, conhecemos bem os modelos SD, SDHC e SDXC, com suas capacidades de armazenamento e gravação. Mas um novo padrão está sendo inserido na indústria e, no futuro, pode acabar se tornando presença majoritária: o CFexpress.

O CFexpress, assim como os outros citados acima, é um padrão para cartões de mídia removíveis proposto pela CompactFlash Association. Ele usa a interface de conexão PCI-Express 3.0 com 1 a 4 canais - dados de até 1GB/s podem ser fornecidos por canal. Nesse artigo, vamos nos aprofundar em alguns detalhes sobre essa tecnologia e explicar o seu potencial de mercado.

O que é o CFexpress?

O termo CFexpress representa um padrão de mídia removível (cartões de memória, por exemplo) criado pela CompactFlash Association (CFA), assim como o CompactFlash, CFast e XQD. Todos os seus formatos ( Tipo A, Tipo B e Tipo C) contam com a interface PCI-Express de terceira geração (PCIe 3.0), interface de armazenamento da indústria de computação que oferece melhor desempenho, além dos protocolos NVM Express.

Originalmente, a CompactFlash Association anunciou o padrão em setembro de 2016 e, em abril de 2017, foram apresentadas as primeiras especificações, conhecidas como CFexpress 1.0.

CFexpress Cards - CompactFlash Association

Em junho de 2017, apareceram os primeiros cartões de mídia removíveis baseados em CFexpress 1.0, com capacidades entre 32GB e 256GB. Demorou um ano e oito meses para termos uma grande atualização no padrão. O CFexpress 2.0 foi anunciado em 28 de fevereiro de 2019, com dois novos formatos de cartão: o "tipo A" (mais compacto) e o "tipo C", com quatro canais, maiores e mais grossas, para até 4GB/s. Os cartões que já estavam no mercado antes disso ficaram conhecidos como "tipo B".

"CFexpress é a próxima evolução em um formato de padrão aberto para um conjunto mais amplo de aplicativos. [...] [Ele] é uma especificação que abrange vários fatores de forma e níveis de desempenho para corresponder a várias demandas de mercados, mantendo a mesma interface elétrica / física e protocolo de memória / armazenamento. " - Release oficial da CFA sobre o CFexpress, de 2016.

"CFexpress é a próxima evolução em um formato de padrão aberto para um conjunto mais amplo de aplicativos. [...] [Ele] é uma especificação que abrange vários fatores de forma e níveis de desempenho para corresponder a várias demandas de mercados, mantendo a mesma interface elétrica / física e protocolo de memória / armazenamento. " - Release oficial da CFA sobre o CFexpress, de 2016.

Os principais objetivos da CFA com o CFexpress são:

1) Unificar o ecossistema em torno de uma especificação de armazenamento removível, sendo compatível com os padrões já amplamente adotados, como PCIe e NVMe.
2) Fornecer uma plataforma que "se aprimora" com aumentos de desempenho na interface PCIe.
3) Aproveitar as tecnologias e conjuntos de habilidades dos mercados de computação de maior volume.
4) Chegar na compatibilidade perfeita com o ecossistema de captura e ferramentas de fluxo de trabalho.

Um detalhe interessante aqui é que os cartões CFexpress Tipo-B têm o mesmo tamanho e formato que os cartões XQD. Ou seja, uma câmera que usa cartões de memória XQD pode obter uma atualização de firmware (responsabilidade do fabricante do dispositivo) para permitir que essa máquina use cartões CFexpress Tipo-B.

"CFExpress é essencialmente a próxima revisão do XQD, e deve haver total compatibilidade com o XQD[...]." - Funcionário da Lexar para o Nikon Rumors em outubro de 2017.

"CFExpress é essencialmente a próxima revisão do XQD, e deve haver total compatibilidade com o XQD[...]." - Funcionário da Lexar para o Nikon Rumors em outubro de 2017.

Recursos

NVM Express (NVMe)

O NVMe é o protocolo de armazenamento que todos os modelos mais atuais de drivers estão usando. Ele chegou ao mercado em 2011 e foi projetado para trabalhar com memória não volátil, incluindo as memórias NAND flash mais recentes. Combinado com outras características técnicas, ele oferece velocidades de leitura e escrita bem mais rápidas que protocolos anteriores.

Tratando de características mais técnicas, o protocolo suporta uma quantidade de filas de comandos bastante superior (quando comparado a protocolos anteriores) - para ser exata, são até 65.535 filas com até 65.536 comandos cada. Se fizermos uma multiplicação simples, seria um total de 4.294.901.760 de comandos.

O NVM Express suporta e promete resultados como baixa sobrecarga e latência. Já existe uma grande variedade de controladores, software e dispositivos que usam esses padrões, o que aceleraria a adoção da tecnologia. A versão 1.0 usaria o formato XQD com dois canais PCIe 3.0 para velocidades de até 2GB/s.

Os drives de armazenamento NVMe mais recentes são baseados na versão 1.3 e utilizam justamente a conexão PCIe 3.0, da qual falarei a seguir.

PCIe 3.0

PCI Express, por sua vez, é a abreviação referente à tecnologia Peripheral Component Interconnect Express. De forma bastante "crua", ela é um padrão que permite diversos componentes (placas de vídeo, SSDs) serem conectados a um computador.  Em termos mais "difíceis", a tecnologia PCI Express descreve uma conexão ponto a ponto entre dois dispositivos - ressaltando que são  apenas dois dispositivos em um canal exclusivo, que difere do barramento PCI, apresentado em 1990.

O PCI Express utiliza um sistema de comunicação em série de alta velocidade. A comunicação entre dois dispositivos acontece através de "pistas/linhas/canais", que transmitem um bit por clock cada. Essas linhas são "duplas", ou seja, possuem uma via de transmissão e outra para receber dados.

A terceira geração do PCI Express, na qual irei focar dessa vez, surgiu em 2010. Ele trouxe a maior velocidade por faixa de dados na época do lançamento, que era 1 GB/s por pista, podendo chegar até 16 GB/s - dobrando o desempenho do PCIe 2.0. A primeira placa de vídeo a utilizar esse potencial foi a Radeon HD 7970, lançada em janeiro de 2012.

Essa versão trabalha com 8 GT/s. A largura de banda de cada lane é de 1 GB/s, como já foi mencionado. Isso explica porque pode chegar até 16GB/s - um dispositivo PCIe 3.0 com x16 (possui 16 pistas, número máximo até então para um único dispositivo) pode lidar com até 16 GB/s. O conector é muito usado, por exemplo, para a instalação de placas de vídeo dedicadas, já que oferece taxas de transmissão mais altas.

Esse salto de velocidade do PCI Express 3.0 se deu principalmente pelo tipo de codificação que começou a ser usado. Enquanto as versões 1.0 e 2.0 usam um padrão de codificação chamado de 8b/10b, o mesmo usado pelo Fast Ethernet, a terceira geração passa a contar com o padrão chamado 128b/130b. Explicando essa tecnologia: para enviar 128 bits válidos, o canal PCIe envia 130 bits totais, o que representa um desperdício de apenas 2 bits. Em comparação, seus antecessores perdiam 32 bits (dois a cada oito bits) para conseguir enviar 128 bits válidos.

"A adoção do CFexpress pela indústria permitirá resolução muito melhor e captura de imagens com taxa de bits maior do que nunca em muitos dispositivos de captura de imagens estáticas e vídeo. As maiores velocidades de descarregamento também beneficiarão grandemente o fluxo de trabalho pós-captura com as velocidades de leitura extremamente elevadas que oferece." - diretor executivo Wes Brewer, ProGrade Digital.

"A adoção do CFexpress pela indústria permitirá resolução muito melhor e captura de imagens com taxa de bits maior do que nunca em muitos dispositivos de captura de imagens estáticas e vídeo. As maiores velocidades de descarregamento também beneficiarão grandemente o fluxo de trabalho pós-captura com as velocidades de leitura extremamente elevadas que oferece." - diretor executivo Wes Brewer, ProGrade Digital.

Uma observação importante de ser relembrada aqui é que, mesmo que o padrão PCI Express 3.0 possa chegar a ter 16 pistas, os dispositivos CFexpress possuem de 1 a 4 pistas. Mesmo assim, o CFexpress traz velocidades potenciais notavelmente maiores que seus antecedentes. Confira a tabela abaixo:

Primeiras câmeras e cartões [ATUALIZADO]

O início desse tipo de tecnologia sempre é difícil, especialmente no quesito preços. Pela baixa demanda de produtos, tanto pelos cartões como pelos dispositivos que usam eles, faz com que a tecnologia demore para ser popularizada, especialmente quando se trata de tecnologias de ponta, mais caras.

Sony a7S III é anunciada com 4K/120p, 12.1MP e 600Mbps

Quem saiu na dianteira e está começando o processo de implementação dos cartões CFexpress é a Sony, com lançamentos nas duas pontas, tanto cartões como uma câmera que faz uso deles. A Sony a7S III anunciada esse ano é uma câmera full-frame com especificações incríveis, produto destinado ao segmento profissional de alta qualidade, com gravação de vídeos em 4K 120fps, e para suportar esse nível de qualidade, cartões de alta velocidade eram necessários, sendo assim a empresa implementou nela o suporte aos cartões CFexpress, e também já aproveitou para lançar modelos com velocidade de até 700MB/s na escrita, e 800MB/s na leitura.

Sony anuncia cartão de memória CFexpress com velocidade de gravação de 700MB/s
Novo cartão chega com 80GB (CEA-G80T) e 160GB (CEA-G160T) de capacidade

E não apenas algumas câmeras já contam com essa tecnologia, mas também um dos novos consoles da próxima geração. Através de um desmonte realizado por Jeff Grubb, descobrimos que o cartão de expansão de armazenamento para os Xbox Series X e S da Seagate (e, consequentemente, os próprios consoles) utiliza o padrão de conexão CFexpress para oferecer 1TB extra de espaço para os jogadores.

Esse dispositivo SSD para os novos Xbox usa um controlador  Phison E19T PCIe 4.0 - segundo o VentureBeat, um dos primeiros líderes da indústria em desempenho. Com a conexão CFexpress, o dispositivo poderia teoricamente oferecer 4GB/s para velocidades de leitura e gravação de dados. Na "prática", ele ainda daria margem suficiente para o controlador Phison E19T, que atinge no máximo 3,75 GB/s

Bastante do marketing relacionado aos novos consoles está focado nas tecnologias de armazenamento que eles trarão. Ambos contam com SSDs NVMe e os Xbox (tratando desses produtos específicos) usa uma unidade que é muito mais rápida graças ao suporte da AMD para a interface PCIe 4.0.

Vale perceber que aqui falamos em PCIe 4.0 para o SSD do Xbox, enquanto o padrão CFexpress está diretamente relacionado com a Gen 3.0 (pelas informações encontradas no site oficial da CompactFlash Association). Nesse sentido, não tenho certeza se esse cartão estaria limitado ao PCIe 3.0 ou teria sido personalizado. Entrei em contato com a assessoria da Microsoft e da CompactFlash e estou aguardando resposta para esclarecer essa dúvida.

[Atualização 12/11/2020]

Nenhuma das assessorias respondeu nosso contato, porém temos uma resposta oficial que chegou pelo Twitter da Seagate Gaming.
De acordo com a publicação, o SSD aproveita o fator de forma CFExpress de fato, executado sob PCIe Gen4, com design e software / firmware exclusivos.

Conclusão

No geral, os cartões de memória CFexpress começaram a ser enviados no final de 2019, quando câmeras capazes de suportar/usar esse formato foram introduzidas no mercado global. Seus maiores destaques estão no conjunto de tecnologias que eles aproveitam, prometendo uma experiência de usuário veloz e "sem grandes limitações".

Digo isso pois, em qualquer transferência de dados, a velocidade  do processo estará limitada ao componente mais lento. Ou seja, não adianta ter um componente topo de linha com a maior velocidade do mercado se o outro envolvido não estiver "parelho" com ele.

Porém, com até 4 GB/s de velocidade em vias "duplas" (novamente, uma para receber e outra para enviar, sem sobrepor os tráfegos), velocidades de leitura e escrita bem mais rápidas, baixa sobrecarga e baixa latência, os drivers de armazenamento CFexpress devem garantir um futuro (próximo) mais tranquilo para dispositivos que precisam de alta velocidade, como câmeras em 8k, 10k, 12 e o que estiver por vir. Outros dispositivos podem chegar e utilizar essas tecnologias, pois o CFexpress não está necessariamente restrito às câmeras fotográficas. Qualquer aparelho que precise de transmissão de alta velocidade em uma solução pequena e portátil, tem boas chances de ser bem servido com o CFexpress.

Observação

Tenham em mente que me refiro a uma troca de padrão de transmissão e armazenamento gradual. Os cartões SD ainda tem grande participação no mercado, e não "sumiriam" de uma semana para outra se é que isso possa acontecer. O CFexpress tem grande potencial para se tornar padrão majoritário, mas sua disseminação vai acontecer na medida que em os formatos anteriores se tornarem "incapazes" de entregar a velocidade e experiência demandada pela tecnologia do presente e futuro, e certamente isso ainda vai demorar muitos anos.