SATAmSATAM.2M.2（NVMe）PCIE固态硬盘接口详解

Posted 2021-08-31 我是CodeAllen

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！