SATA、mSATA、M.2、M.2(NVMe)、PCIE固态硬盘接口详解

2020-03-01 15:13 来源:未知 作者:mas 责编:mas 评论:

固态硬盘
概念
固态驱动器(Solid State Drive),俗称固态硬盘,固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘,因为台湾英语里把固体电容称之为Solid而得名。SSD由控制单元和存储单元(FLASH芯片、DRAM芯片)组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同,在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。被广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等诸多领域。

其芯片的工作温度范围很宽,商规产品(0~70℃)工规产品(-40~85℃)。虽然成本较高,但也正在逐渐普及到DIY市场。由于固态硬盘技术与传统硬盘技术不同,所以产生了不少新兴的存储器厂商。厂商只需购买NAND存储器,再配合适当的控制芯片,就可以制造固态硬盘了。新一代的固态硬盘普遍采用SATA-2接口、SATA-3接口、SAS接口、MSATA接口、PCI-E接口、NGFF接口、CFast接口、SFF-8639接口和M.2 NVME/SATA协议。

 

接口
目前固态硬盘的主要接口有:

SATA接口
作为目前应用最多的硬盘接口,SATA 3.0接口最大的优势就是成熟。普通2.5英寸SSD以及HDD硬盘都使用这种接口,理论传输带宽6Gbps,虽然比起新接口的10Gbps甚至32Gbps带宽差多了,但普通2.5英寸SSD也没这么高的需求,500MB/s多的读写速度也够用。

mSATA接口
mSATA接口,全称迷你版SATA接口(mini-SATA)。是早期为了更适应于超级本这类超薄设备的使用环境,针对便携设备开发的mSATA接口应运而生。可以把它看作标准SATA接口的mini版,而在物理接口上(也就是接口类型)是跟mini PCI-E接口是一样的。

mSATA接口是SSD小型化的一个重要过程,不过mSATA依然没有摆脱SATA接口的一些缺陷,比如依然是SATA通道,速度也还是6Gbps。诸多原因没能让mSATA接口火起来,反而被更具升级潜力的M.2 SSD所取代。

M.2接口
M.2接口是Intel推出的一种替代mSATA的新的接口规范,也就是我们以前经常提到的NGFF,即Next Generation Form Factor。

M.2接口的固态硬盘宽度22mm,单面厚度2.75mm,双面闪存布局也不过3.85mm厚,但M.2具有丰富的可扩展性,最长可以做到110mm,可以提高SSD容量。M.2 SSD与mSATA类似,也是不带金属外壳的,常见的规格有主要有2242、2260、2280三种,宽度都为22mm,长度则各不相同。

不仅仅是长度,M.2的接口也有两种不同的规格,分别是“socket2”和”socket3”

看似都是M.2接口,但其支持的协议不同,对其速度的影响可以说是千差万别,M.2接口目前支持两种通道总线,一个是SATA总线,一个是PCI-E总线。当然,SATA通道由于理论带宽的限制(6Gb/s),极限传输速度也只能到600MB/s,但PCI-E通道就不一样了,带宽可以达到10Gb/s,所以看似都为M.2接口,但走的“道儿”不一样,速度自然也就有了差别。

上图为M.2接口走SATA通道的速率

上图为M.2接口走PCIE通道的速率

 

M.2接口(NVMe协议)
NVM Express(NVMe),或称非易失性内存主机控制器接口规范(Non-Volatile Memory express),是一个逻辑设备接口规范。他是与AHCI类似的、基于设备逻辑接口的总线传输协议规范(相当于通讯协议中的应用层),用于访问通过PCI-Express(PCIe)总线附加的非易失性内存介质,虽然理论上不一定要求 PCIe 总线协议。

此规范目的在于充分利用PCI-E通道的低延时以及并行性,还有当代处理器、平台与应用的并行性,在可控制的存储成本下,极大的提升固态硬盘的读写性能,降低由于AHCI接口带来的高延时,彻底解放SATA时代固态硬盘的极致性能。

NVMe具体优势包括:

①性能有数倍的提升;

②可大幅降低延迟;

③NVMe可以把最大队列深度从32提升到64000,SSD的IOPS能力也会得到大幅提升;

④自动功耗状态切换和动态能耗管理功能大大降低功耗;

⑤NVMe标准的出现解决了不同PCIe SSD之间的驱动适用性问题。

延时更低:

说到NVMe标准对比AHCI标准的优势,其中之一就是低延时。因为AHCI标准本身就是为高延迟的机械硬盘而设,虽然SSD发展至今,主流产品已经开始不能满足性能的高速发展,特别是在延迟方面。而面向SSD产品的NVMe标准,降低存储时出现的高延迟,就是其要解决的问题之一。


NVMe SSD可有效降低延迟(图片来自网络)

在软件层方面,NVMe标准的延时只有AHCI的一半不到,NVMe精简了调用方式,执行命令时不需要读取寄存器;而AHCI每条命令则需要读取4次寄存器,一共会消耗8000次CPU循环,从而造成大概2.5微秒的延迟。

IOPS大增:

NVMe的另一个重点则是提高SSD的IOPS(每秒读写次数)性能。目前市面上性能不错的SATA接口SSD,最多只会测试到队列深度为32的IOPS能力,其实终究原因这是AHCI的上限,其实许多闪存主控可以提供更好的队列深度。而NVMe则可以把最大队列深度从32提升到64000,SSD的IOPS能力也会得到大幅提升。


队列深度的大幅提升(图片来自网络)

低延时和良好的并行性的优势就是可以让SSD的随机性能得到大幅度提升,这是950PRO系列SSD的现场跑分,它的随机性能表现绝对是一流的,在任何队列深度下都能发挥出极佳的速度。

功耗更低:


更先进的能耗管理(图片来自网络)

NVMe加入了自动功耗状态切换和动态能耗管理功能,设备从能耗状态0闲置50ms后可以迅速切换到能耗状态1,在500ms闲置后又会进入能耗更低的状态2。虽然切换能耗状态会产生短暂延迟,但闲置时这两种状态下的功耗可以控制在非常低的水平,因此在能耗管理上,相比起主流的SATA接口SSD拥有较大优势,这一点对增加笔记本电脑等移动设备的续航尤其有帮助。

驱动适用性广:


主流操作系统逐渐开始支持NVMe(图片来自网络)

NVMe标准的出现解决了不同PCIe SSD之间的驱动适用性问题,NVMe SSD可以很方便的匹配不同的平台、系统,无需厂家提供相应的驱动就可以正常工作,目前Windows、Linux、Solaris、Unix、VMware、UEFI等都加入了对NVMe SSD的支持。

 

PCI-E接口:
在传统SATA硬盘中,当我们进行数据操作时,数据会先从硬盘读取到内存,再将数据提取至CPU内部进行计算,计算后写入内存,存储至硬盘中;而PCI-E就不一样了,数据直接通过总线与CPU直连,省去了内存调用硬盘的过程,传输效率与速度都成倍提升。简单的说,我们可以把两种通道理解成两辆相同的汽车,PCI-E通道的汽车就像是在高速上行驶,而SATA通道的汽车就像是在崎岖山路上行驶。很显然,PCI-E SSD传输速度远远大于SATA SSD。

目前PCI-E接口通道有PCI-E 2.0 x2及PCI-E 3.0 x4两种,最大速度达到32Gbps,可以满足未来一段时间的使用,而且早期PCI-E硬盘不能做启动盘的问题早解决,现在旗舰级SSD大多会选择PCI-E接口。

虽然PCI-E SSD有诸多好处,但也不是每个人都适合。PCI-E SSD由于闪存颗粒和主控品质问题,总体成本较高,相比传统SATA固态硬盘价格贵一些。另外,由于PCI-E会占用总线通道,入门以及中端平台CPU通道数较少,都不太适合添加PCI-E SSD,只有Z170,或者是X79、X99这样顶级平台,才可以完全发挥PCI-E SSD的性能。总的来说,如果你是一个不差钱的土豪,那么就 PCI-E SSD吧!

 

好了,带客官看过这么多固态硬盘的接口,相信这篇文章也一定能让你学到不少的知识。对于固态硬盘又多了更多的了解,希望可以帮助到大家。

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