自宅用NAS向けの新しいバックプレーンを製作

• PCIeバックプレーン開発の動機
  • Terramaster F2-221 NASにNixOSをインストールする際、OS保存用の外付けUSB SSDの接続が煩雑だったため、内蔵ストレージを設置する方法を検討
  • NASメインボードにPCIe x4スロットがあったため、これを活用する方法を調査
• PCIeバックプレーンの分析
  • 同一メーカーの5ベイモデルF5-422のレビュー写真を分析し、ASMedia ASM1061 PCIe-SATAコントローラー2基でSATAポート数を拡張していることを確認
  • F2-221メインボードのPCIeピン配列をリバースエンジニアリングし、ASM1061向けのPCIeレーンが配線されていることを確認
  • PCIe信号の分析を通じてTX、RX、REFCLKペアを識別し、ピン配列表を作成
  • バックプレーンの電源部回路を分析し、ホットプラグ用のロードスイッチとスロースターターで構成されていることを把握
• プロトタイプの製作
  • PCIe 1レーンを使ってNVMe M.2 SSDを搭載することに決定。SATAより安価で実装も簡単
  • 既存バックプレーンのサイズやネジ位置の制約を考慮してコネクタとコンポーネントを配置し、PCBを設計
  • JLCPCBに発注したPCBに部品を実装してNASに装着し、テストした結果、起動可能であることを確認
• 最終版の製作
  • プロトタイプの問題点を修正し、不要なテストポイントを削除した最終版PCBを製作
  • NASに装着後、問題なく動作することを確認し、長期間安定して使用中
  • 最終設計ファイルをGitHubで公開

GN⁺の見解

• Terramaster NASの内部構造とバックプレーン設計を詳細に分析した興味深い事例。メーカー提供情報が不足する状況で、リバースエンジニアリングによって必要な機能を実現した努力が際立っている
• 既存のPCIeレーンを活用し、安価で高速なNVMe SSDをOSブートドライブとして利用した点が印象的。SATAコントローラーを追加するより実装が簡単で、十分な性能を得られる合理的な選択に見える
• ホットプラグ機能のためのロードスイッチとスロースターター回路の分析内容が印象的。電源部設計で考慮すべき点をよく示す事例
• この記事のPCB設計プロセスは、似たニーズを持つほかのNASユーザーにとって良い参考になりそう。ただし、Terramasterの保証問題やNAS OSとの互換性など、あわせて考慮すべき要素もありそう
• 著者はPCB設計経験がそれほど多くないようだが、段階的なプロトタイピングと問題解決の過程が印象的。このような試行錯誤を通じた学習は、電子設計スキルの向上に役立ちそう

[GN⁺]

Hacker Newsのコメント

要約:

• DFNパッケージのはんだ付けでは、顕微鏡なしで電源とグラウンド間の短絡だけを確認し、スマホのカメラで接写した。ステンシルなしでDFNパッケージをはんだ付けするために、パッドに多めのソルダーペーストを載せてICを押し込み、Hot Air Stationの熱でソルダーが溶けてICが浮き上がったところをピンセットで押さえ、余分なソルダーをソルダーマスクの上に押し出す方法が効果的だった。狂気じみているが楽しいやり方だ。
• コンシューマー向けNASの製作でもっと標準化が進んでほしい。数年後にバックプレーンを交換できるよう、ASUSTORにMini ITX互換のバックプレーン／アダプターの製作を提案したい。マザーボードを交換して1Gbps NASを2.5Gbpsや10Gbpsにアップグレードできれば、シャーシの寿命を延ばせる。
• ギターやハードウェアを改造するときのように、実際にお金を失うリスクがあるプロジェクトに人々が進んで深くのめり込むことに感心する。ハードウェアやソフトウェアをもっと簡単に改造できる、ハッキングしやすい小型ボックスの市場があまりないのはなぜなのか気になる。
• NASの外付けドライブの問題は、VelcroでNASの上に取り付けることで解決した。
• レゴで作った自作NASケースより、このプロジェクトのほうがずっと格好よく見える。USBハードドライブをハブにつないで、Nvidia Jetsonに接続して自作した。
• 5ベイ版の同じNASにSamsungのUSBスティックを使ってTrueNAS Scaleをインストールした。Teslaのダッシュカムで広く使われている製品を選び、ある程度の耐久性を確保した。CPU性能が不足しているので、もっと強力なものにアップグレードする予定だ。
• MacにZFSをインストールして単一のUSBドライブで使ってみたが、ファイルコピー時にシステムが応答しなくなり、マウスやキーボードが途切れるなど、I/O性能が大きく低下した。CPU使用率は400%まで跳ね上がったが、正確な原因は分からなかった。
• 推測、試行錯誤、回路検査、ロードスイッチICの代替などを通じて、驚くほど洗練された結果を得た。
• Arduinoを何にでも接着剤のように貼り付けるのではない、素晴らしいプロジェクトだ。