TerraMaster F2-221 NAS バックプレーン pinout 記録

このメモは、TerraMaster F2-221 NAS の非標準バックプレーンコネクタ pinout を整理したものだ。このインターフェースは PCIe エッジコネクタに近い形状だが、標準 PCIe スロットではなく、TerraMaster 独自のバックプレーンインターフェースである。

このコネクタには SATA、電源、リセット、PCIe 信号が同時に載っている。PCIe1 x1 が使えることを確認できれば、自作バックプレーンから M.2 M-key スロットを引き出し、NVMe SSD を内部システムディスクとして使える。

同じ考え方は TerraMaster F2-220 にも適用できる。F2-220 と F2-221 は異なるプラットフォームだが、fnNAS フォーラムの実測では、F3 Backplane V1.1 が F2-220 上で NVMe を認識し、飛牛 OS のインストーラー内でもその NVMe ドライブが見えている。追加で必要になる可能性があるのは、古い BIOS が NVMe ブートに対応していない点への対処だ。

結論

F2-221 のバックプレーンコネクタには、次の信号が含まれている。

2 つのネイティブ SATA ポートの信号
12V、5V、3.3V、GND
SATA HDD 電源制御に関連する信号
PERST#
少なくとも 1 組の利用可能な PCIe Gen2 x1 信号
2 組目の PCIe 信号に関する一部の手掛かり。ただし完全には検証されていない

PCIe1 は M.2 M-key NVMe スロットの引き出しに使える。実測では、NVMe ドライブは PCIe Gen2 x1 で動作し、BIOS から認識して起動できる。

F2-220 の実測結果もこの方向性を支持している。ハードウェアレベルでは NVMe を認識できるが、BIOS の起動段階では NVMe モジュールの注入が必要になる場合があり、起動項目は PATA として表示されることがある。

バックプレーンコネクタ pinout

コネクタは B/A の 2 側に分かれている。? は未確認または未接続、NC は未接続を表す。

Pin	B side	A side
1	12V	?
2	12V	12V
3	12V	12V
4	GND	GND
5	SATA1 A+	SATA1 B+
6	SATA1 A-	SATA1 B-
7	GND	NC
8	5V	5V
9	5V	5V
10	?	5V
11	?	?
12	3.3V	GND
13	GND	3.3V
14	SATA2 A+	3.3V
15	SATA2 A-	GND
16	GND	SATA2 B+
17	PERST#	SATA2 B-
18	GND	GND
19	PCIe1 TX+	NC
20	PCIe1 TX-	GND
21	GND	PCIe1 RX+
22	GND	PCIe1 RX-
23	PCIe1 REFCLK+	GND
24	PCIe1 REFCLK-	GND
25	GND	PCIe2 RX+
26	GND	PCIe2 RX-
27	PCIe2 TX+	GND
28	PCIe2 TX-	GND
29	GND	PCIe2 REFCLK+
30	?	PCIe2 REFCLK-
31	?	GND
32	GND	?

PCIe1 のほうが実用上の参考価値は高い。PCIe2 は完全に検証されていないため、手掛かりとして扱うべきで、信頼できる設計根拠としてそのまま使うべきではない。

TerraMaster F2-221 バックプレーンコネクタ pinout 図

信号元の判断

F2-221 の純正 2 ベイバックプレーンには PCIe-to-SATA コントローラがない。SATA 信号はマザーボードコネクタから直接バックプレーンへ入っている。追加の PCIe 信号は、主に同系列の多ベイモデルから推定できる。

TerraMaster F5-422 のバックプレーンには 2 個の ASMedia ASM1061 が使われている。ASM1061 は PCIe Gen2 x1 から 2 ポート SATA へ変換するコントローラだ。Intel J3355 が 2 つの SATA ポートと 6 本の PCIe Gen2 lane を持つことを考えると、多ベイモデルでは PCIe 経由で SATA ポートを拡張していると推定できる。

そのため、F2-221 のマザーボードコネクタに PCIe 信号が残っているのは自然だ。同系列の異なるベイ数の機種でマザーボード設計を共用し、バックプレーンで機能差を出している可能性が高い。

PCIe 差動ペアの判断

PCIe 差動ペアはビアに入ったあと内層を通ることが多く、写真だけでは完全な配線を追えない。使える判断基準の 1 つは、一般的な PCIe 設計では TX 差動ペアに AC coupling コンデンサが入ることだ。

方向は逆に見る必要がある。

ASM1061 コントローラ側から見た TX は、CPU またはマザーボード側の RX に対応する。
ASM1061 コントローラ側から見た RX は、CPU またはマザーボード側の TX に対応する。
REFCLK は隣接する差動ペアと配線位置を合わせて判断する。

この種の pinout は公式仕様書ではなく、ハードウェアリバースエンジニアリング資料として扱うのが妥当だ。

利用可能性の検証

この pinout を基にした F3 Backplane では、次の検証が完了している。

元の 2 つの SATA ベイは引き続き利用可能
PCIe1 を M.2 M-key スロットへ接続可能
NVMe SSD を BIOS が認識
NAS が NVMe SSD から直接起動可能
btrfs scrub でディスクエラーなし
NVMe SSD から数週間動作し、明確な異常なし

テストに使われた NVMe SSD は Patriot P300 128GB。hdparm の結果は次の通り。

1
2
3


/dev/nvme0n1:
 Timing cached reads:   4554 MB in  2.00 seconds = 2279.68 MB/sec
 Timing buffered disk reads: 1222 MB in  3.00 seconds = 407.22 MB/sec

この速度は PCIe Gen2 x1 の制限に合っている。目的は NVMe の性能を使い切ることではなく、外付け USB SSD を内部システムディスクに置き換えることだ。

注意事項

この pinout はハードウェア解析や自作バックプレーンの参考にはなるが、公式資料として扱うべきではない。

コネクタは標準 PCIe ではなく、汎用 PCIe デバイスを直接挿せない。
? ピンは未確認であり、重要な回路へ安易につながない。
PCIe2 は完全には検証されておらず、PCIe1 よりリスクが高い。
CLKREQ は通常の M.2 設計のように完全には引き出されていないため、ASPM が使えない可能性がある。
SATA 電源にはホットスワップ関連の load switch と slow start ロジックが含まれる。信号線だけ接続して電源制御を無視してはいけない。
再現する場合は、写真だけに頼らず、自分のマザーボードとバックプレーンを再測定する。