Переделка мини компьютера в мобильный NAS
Прежде всего, зачем что-то переделывать, если можно купить готовый?
Очевидно чтобы сэкономить, использовав то, что уже есть под рукой. Далее, просто хобби такое — постоянно что-то переделывать и дорабатывать. Ну и наконец, чтобы создать новый продукт. Вот такая простая мотивация может быть, главное, что в результате появляется некое руководство по переделке, которое может быть интересно и другим.
В чем отличие мобильного NAS от других его собратьев? Вот несколько отличий, которые сразу приходят в голову.
Во-первых, это относительно малые размеры. Мобильный NAS можно носить под мышкой. Стационарный вряд ли.
Во-вторых, мобильный NAS не боится тряски и вибрации. Такой NAS устойчив к быстрой ходьбе, бегу, падениям и перевозке его на транспорте.
В-третьих, мобильный NAS должен уметь работать от батарей. Речь не идет о перебоях с питанием, это должна быть полноценная работа, например, как у ноутбука. При этом размер батареи — это что-то начиная с Power Bank, у которого выходная мощность минимум 22Вт.
В-четвертых, мобильный NAS способен работать от различных источников питания. Это может быть батарея, PoE+ (Power over Ethernet), Type-C PD (Power Delivery) и универсальные 9В — 24В.
В-пятых, мобильный NAS может подключаться к сети как проводным, так и беспроводным способом, способен быть точкой доступа и может иметь широкополосный модем. Это уже скорее функции роутера, а не NAS.
Конкретный вариант зависит только от технических показателей, будь то, линейных размеров, категории исполнения, продолжительности автономной работы, типов разъемов, технологий передачи данных и т.д.
Далее рассмотрим общие моменты интеграции дискового массива в уже существующую конструкцию, с учетом имеющихся интерфейсов, бюджета питания и экономической составляющей.
С отличиями мобильного NAS более менее понятно, посмотрим что с мини платформами происходит и какие есть особенности
Самое простое и не самое плохое — это взять готовый мини компьютер (ПК) в подходящем корпусе, так чтобы хватило места для дополнительных дисков, контроллеров, батарей, модемов, адаптеров и т.д. Тут главное, чтобы в результате доработки не пришлось бы заново разрабатывать корпус и решать сложные вопросы с отводом тепла. Одно дело, когда можно заменить только одну деталь корпуса или доработать по-быстрому существующую деталь и другое дело, если понадобится заказывать корпус целиком.
Пример замены нижней панели на радиатор
Одно из преимуществ готовой платформы в том, что можно полностью сосредоточиться только на дисках и батарее. В принципе можно цеплять внешнюю корзину с дисками, но это не совсем мобильный вариант получается, а главное корзина дисков вещь довольно специфичная. С другой стороны, батарею на крайний случай можно не ставить внутрь, так как Power Bank всегда под рукой, главное чтобы он был PD и мощностью не менее 22Вт. Что касается дисков, то SSD М.2 или 2.5» точно без вариантов. Хотя стоит сразу ориентироваться на диски M.2 из-за их малых размеров.
Сравнение линейных размеров дисков
В ситуации с размещением дисков существенно поможет то, что многие производители мини ПК предусматривают размещение 2.5» диска SATA внутри корпуса. Как правило в этом случае все основание становится доступным для установки своих плат или адаптеров с дисками.
Пример установки диска между платой и корпусом
Также в большинстве мини компьютеров Wi-Fi уже встроен, а модем можно доустановить.
Об особенностях подключения внешнего Power Bank с PD, поговорим чуть ниже, также как и о подключении дисков. Это наиболее интересная тема, с точки зрения чего то поделать, придумать и разработать.
Попробуем разобраться с наиболее подходящим интерфейсом дисков для доработки
Что в итоге может быть доступно для подключения дисков?
В первую очередь SATA интерфейс для подключения одного диска, о чем шла речь в предыдущем разделе. Для такого подключения на плате могут быть SATA 7P/22P, SATA M.2, либо что-то от производителя, например, FPC разъём.
Пример конструкции для установки диска
Во вторую очередь PCIe интерфейс, с которым может быть сложнее. PCIe более универсальный чем SATA из-за чего он уже занят или будет занят при установке Wi-Fi адаптера или широкополосного модема. Хотя, если в мини ПК доступен M.2 для подключения NVME, то к нему можно можно подключиться с помощью различных адаптеров.
Подключение адаптера к M.2 NVME
Самое простое, если будет доступен стандартный PCIe, тогда можно будет использовать кабель-удлинитель для PCIe или адаптер типа SFF-8639.
Подключение к PCIe
У SATA интерфейса используется один высокоскоростной lane (далее просто лэйн) 6Гб/с для подключения одного диска. PCIe в формате M.2 тоже предназначен для подключения одного диска, но в отличии от SATA, используется большее количество лэйнов — 1, 2 и 4. При этом скорость каждого лэйна PCIe составляет 8Гб/с для Gen3.
В любом случае, необходимо подключить несколько дисков. Поэтому, понадобится дополнительный контроллер, либо SATA Port Multiplier, либо PCIe коммутатор, либо PCIe/SATA Bridge. Получается несколько рабочих вариантов в зависимости от того, что доступно и может быть использовано.
Для примера, при подключении четырех NVME дисков, наилучшие показатели будут у варианта с коммутатором PCIe:
Подключение четырех дисков NVME
Вариант с PCIe/SATA Bridge обеспечивает почти максимальную скорость для работы каждого SATA диска:
Подключение четырех дисков SATA к PCIe
Самый практичный вариант — подключение дисков через расширитель SATA, больше всего подходит для не очень производительных дисков:
Подключение четрыех SATA к SATA
Посмотрим еще раз на полученные результаты и прикинем перспективы воплотить в жизнь эти комбинации.
Так в первом случае с доступным M.2 NVME x4, понадобится PCIe Switch c 8/12 лэйнами, например, ASM2812. В принципе нормально, но это будет одно из самых дорогостоящих решений, учитывая корпус камня и сложность платы. Насколько известно, Asus использует подобную схему в своих решениях.
В остальных вариантах ситуация достаточно простая, так как можно использовать распространенные контроллеры, на базе которых существуют готовые адаптеры в разных вариантах исполнения.
Итак, для простой доработки отлично подойдут варианты либо с M.2 PCIe x2 разъемом, либо M.2 SATA, SATA 7P+15P или другим коннектором, на который выведен SATA.
Стоит отметить, что в теории скорости дисков для этих простых вариантов будут различаться почти в 2.5 раза. Так для 860 EVO, скорость 4Гб/с кажется вполне достижимой, а вот скорость 1.5Гб/с будет ограничивать его работу. Но несмотря на это, для не очень производительных дисков, вариант с SATA Port Multiplier все таки остаётся достаточно эффективным.
Однако не стоит забывать о том, что SATA Port Multiplier может не поддерживаться компьютером. Так среди мини ПК на основе x86 найти подходящий вариант представляется очень трудным делом. Для мини ПК на основе ARM дела существенно лучше, но проверять тоже надо.
Учитывая скорость дисков, доступность и совместимость контроллеров с различными платформами, при прочих равных, для простой доработки предпочтение лучше отдать варианту с PCIe / SATA Bridge.
Перейдем далее к блок схеме, на которой отразим суть доработки мини ПК до мобильного NAS
Что дано?
Готовый мини ПК с подходящим корпусом, пригодным для доработки, в котором найдется еще место для установки дисков с контроллером, нужными сетевыми интерфейсами и возможностью организации питания от Power Bank PD.
Либо готовая плата контроллера дисков, либо плата, которую можно просто разработать и собрать.
Power Bank PD, который можно подключить к мини ПК либо стандартно через Type-C PD, либо с помощью простого фокуса (чуть ниже об этом).
Представим условный мини ПК в виде структурной схемы, состоящей из блоков Main, Power и модуля с дисками:
Блок схема подключения модуля дисков
Основное доработки — это установка модуля дисков и организация локального питания дисков. Необходимо понять как подключиться к PCIe или SATA. Тут возможны несколько вариантов: SATA 7P, M.2, либо другой разъём, установленный на плате.
Также важный вопрос — подключение питания дисков. Скорее всего потребуется подключение отдельного преобразователя на 3.3В прямо к питающему фидеру (назовём его так), по которому поступает питание для всей цепи DCDC преобразователей мини ПК. Следует сразу учесть дополнительную мощность порядка 2.5Вт — 3Вт на каждый SSD диск и дополнительно 1Вт на сам контроллер.
Таким образом, интеграция модуля с дисками проводится только за счет подключения к шине PCIe / SATA и подключения к питающему фидеру. Каких то особых доработок уже существующего железа не требуется.
Для проверки работоспособности любого из вариантов подключений дисков, имеет смысл предварительно собрать рабочий прототип из доступных адаптеров и контроллеров
В качестве примера рассмотрим подключение массива дисков к мини ПК от компании Firefly с процессором RK3568. В этом мини ПК предусмотрено место для установки дополнительного 2.5» диска к SATA.
Известно, что все процессоры серии RK35XX поддерживают расширение SATA. Поэтому, проблем с работой контроллера SATA Port Multiplier возникнуть не должно.
Для подключения к SATA можно использовать адаптер 2.5»/M.2 SATA и расширитель SATA в формате M.2:
Адаптер с контроллером расширителя SATA
Полученный бутерброд можно подключить к мини ПК, используя для этого специально предусмотренный разъем для подключения внутреннего диска:
Пример подключения SATA
В данном случае получился почти полный прототип будущего мобильного NAS:
Общий вид на прототип
Небольшие отличия состоят только в типе дисков и внешнем питании дисков от ATX источника. При желании HDD также можно заменить на SSD с помощью разнообразных адаптеров:
Адаптеры дисков M.2
В принципе можно увеличить корпус снизу и затолкать в него все дополнительные железки. Единственный недостаток такого решения — это существенное увеличение размеров корпуса за счет адаптеров для дисков M.2, большого количество кабелей SATA и кабелей питания.
Для того чтобы избавиться от перечисленных недостатков, попробуем разработать новый модуль дисков для мини ПК, который был использован в прототипе мобильного NAS.
Структурная схему нового модуля дисков с SATA интерфейсом
Согласно предыдущим выводам, для подключения к интерфейсу SATA можно использовать SATA Port Multiplier. Одним из вариантов является чип JMB575 хорошо известный с незапамятных времен.
Для подключения нового модуля дисков используется кабель FFC, которым изначально подключался 2.5» диск и кабель дополнительного питания 12В для обеспечения работы нескольких SSD:
Структурная схема нового модуля дисков
Учитывая, что общее потребление может возрасти на 15Вт, потребуется источник на 3.3В с выходным током 5А. Также можно использовать несколько менее мощных преобразователей, распределив между ними все диски.
Изначально мини ПК был рассчитан на работу в широком диапазоне напряжений.Тем не менее в схеме модуля используется дополнительная защита от перенапряжений по цепи 12В.
Конфигурация контроллера JMB575 происходит из внешней микросхемы памяти во время подачи питания. Последняя версия прошивки датируется далёким 2016. Интересно, что на ряде контроллеров с JMB575 внешняя память предусмотрена, но не установлена. При этом один из таких контроллеров работает совершенно нормально, ROM масочный, не иначе.
Описание модуля дисков для установки в мини ПК
Плату модуля можно выполнить по размерам платы мини ПК. При этом диски лучше всего разместить так чтобы отводить от них тепло сразу на нижний радиатор-панель:
Сторона платы модуля с дисками
Контроллер, конвертеры питания и разъемы для подключения модуля к основной плате мини ПК уходят внутрь корпуса:
Сторона платы модуля с контроллером
Плата в итоге получается довольно простой как по технологии изготовления, так и по спецификации компонентов.
Плата модуля со стороны дисков
Плата модуля со стороны контроллера
Оригинальную нижнюю пластину от корпуса мини ПК придется заменить на пластину-радиатор для улучшения отвода тепла с дисков. Дополнительно можно повторить рисунок оригинального профиля:
Модуль дисков в сборе
С новой пластиной-радиатором, корпус в итоге может выглядеть довольно естественно, не нарушая общего вида. Для примера ниже показана модель корпуса с установленным модулем дисков (рендер вида на модуль с радиатором и без):
Вид со стороны доработки корпуса с установленным модулем дисков
Работа мобильного NAS от батареи
Как было отмечено в самом начале статьи, мобильный NAS должен уметь работать от батарей. Общая потребляемая мощность мини ПК с установленным модулем и пятью дисками составит примерно 20Вт. В данном варианте с модулем на пять дисков, батарею внутри корпуса уже не разместить. Однако, ничто не мешает использовать внешний Power Bank PD как мобильную батарею. При этом стоит учитывать, что не все Power Bank PD способны выдавать мощность порядка 20Вт, а лучше выше, что соответствует 12В / не менее 1.8А.
Также, если у мини ПК разъема Type-C PD нет, то можно собрать свой собственный кабель, разместив в нем небольшую плату с Type-C Male и контроллером PD:
Подключение к Type-C PD
При желании, количество дисков можно уменьшить, что позволит разместить источник бесперебойного питания (ИБП) на одной плате с дисками. По предварительной оценке, за счет отказа от одного диска, можно реализовать систему из четырех дисков и ИБП, состоящего из двух батарей LiFePO4 формата 18650. Такой модуль дисков со встроенным ИБП обеспечит автономную работу мобильного NAS в пределах одного часа.
Заключение
Была рассмотрена возможность доработки мини ПК до мобильного NAS с помощью дополнительного модуля дисков. Такое решение позволит достаточно быстро получить результат без необходимости разработки устройства с нуля. Это даёт существенно больше времени на реализацию ключевых функций мобильного NAS, таких как удобное размещение дисков, эффективный отвод тепла, устойчивость к транспортной тряске, возможность автономной работы и сочетание различных источников питания, включая USB PD и PoE+.
Также был рассмотрен вариант сборки прототипа мобильного NAS на основе мини ПК с процессором RK3568 и показаны детали разработки собственного модуля дисков.
В перспективе предстоит окончательная сборка мобильного NAS и его тестирование. Есть надежда, что об этом можно будет рассказать в следующий раз, а для тех, кому интересна данная тема, у нас есть канал, где мы публикуем новости, обсуждаем результаты и делимся своими идеями.
