PCIe 4.0与NVMe碰撞 SSD再度挑战速度极限

  【天极网DIY硬件频道】经过数十年的发展，用户们所能接触到的硬盘产品品类越来越丰富，从早年的机械硬盘到SSD，在我们的认知中，硬盘的速度似乎在一直增长，而我们能够获得的最高速度上限也不断地水涨船高。速度的未来没有上限，但是每一代的标准确实有它的极限，对速度的要求推动着厂商们不断探索着硬盘的极限。那么制约硬盘速度的因素到底有哪些呢？考虑到当下机械硬盘的式微，本文就以固态硬盘为例进行探讨。

  SSD，全称为Soild State Drive，也就是大家常说的固态硬盘，是当下普通用户所能接触的最为普遍的存储设备之一。它被广泛地应用于PC产业，几乎每一台笔记本电脑、整机在出厂时都已经搭配好了固定的存储配置。它主要包括以下几个部分：控制器、内存、闪存颗粒等。这几个部分各司其职，是作为SSD本质速度的保证。

  从各自的功能来看，控制器主要提供外部主机接口、内部闪存管理接口，并通过内嵌的芯片来运行SSD固件，管理SSD的存储地址空间、闪存物理空间，同时兼顾垃圾回收、磨损均衡等作用。闪存是存储信息的实体，闪存颗粒分布在SSD的电路板上，为SSD提供存储空间。但除此之外，对应的协议和标准也是决定SSD性能发挥的重要部分。本文也将从控制器、闪存、协议以及接口四个方面浅谈制约SSD速度的因素。

  PCIe 4.0浅析

  从定义上来讲，我们通常所说的PCIe实际上是周边设备高速互联的英文缩写，英文全名为Peripheral Component Interconnect Express。PCIe标准主要用于连接显卡、网卡、固态硬盘以及各种其他非CPU组件的统一接口标准，而PCIe标准同时也是目前我们能够在PC上获得的速度最快的链接标准。PCIe接口的速度决定了所有这些外部组件与CPU的数据交换速度。

  从PCIe标准出现到现在最新的标准已经来到了4.0时期。理论上来说，PCIe 4.0×16接口最大带宽(速率)是32GB/s，不过固态硬盘用不到这个接口，SSD所能接入的PCIe 4.0×4接口的带宽也能达到8GB/s。

  尽管此前被不少媒体唱衰，PCIe 4.0还是顶住了压力。市场与厂商们的反映证明了PCIe 4.0并不会被抛弃，哪怕是行业巨头英特尔对此响应平淡，一副极不情愿的样子。此前有消息称英特尔似乎有“跳过PCIe 4.0直接进入PCIe 5.0”之意，从目前的情况来看，PCIe 4.0仍是大家通往PCIe 5.0的必经之路。最近一个时期，采用PCIe 4.0的设备突然多了起来，包括已经各种断货的刚刚发布的NVIDIA RTX 30系列显卡。

  NVMe：PCIe接口的好搭档

  NVMe全称Non-Volatile Memory express，即非易失性存储器标准，这是一种建立在M.2接口上的专门为闪存类存储设计的一种协议。实际上NVMe标准诞生已经八年之久，而消费级NVMe产品广泛上市才是近两三年的事情。

  2011年，NVMe标准正式出炉。2017年5月，NVMe升级到1.3版本，而目前市场上符合NVMe 1.3标准的SSD可以说基本上是拥有最强性能的高端SSD。支持1.3版本标准的固态硬盘在写入寿命和读写速度上都有了全方位的提升，功耗也得到了更好的控制，更加符合高端玩家对硬盘寿命和速度的追求。

  作为使用PCIe通道SSD的一种规范，支持NVMe协议的SSD具有低延时、速度快、功耗低以及兼容并行性好等优势。NVMe协议的优势在于原生PCIe通道与CPU直连可以免去外置控制器与CPU通信所带来的延时，同时大大提升了SSD的IPOS性能。

  控制器：千军易得一将难求

  常用SSD的用户一定深有体会——有一个好的控制器是多么的重要。主控，顾名思义是控制整个固态数的硬件，固件是储存在主控中的软件，主控负责运行这个固化的软件，发出固件算法操作请求实际读取、写入和删除数据、执行垃圾回收和耗损均衡算法等任务，以保证SSD的速度和整洁度。

 三星PHOENIX主控

  根据SSD的运行原理，SSD由控制器将存储单元连接到电脑，主控可以通过若干个通道并行操作多块闪存颗粒，提高底层的带宽。这就意味着，能够同时并行处理更多队列的主控将使SSD拥有更快的速度。以三星刚刚发布的980 PRO为例，它所搭载的是三星自家全新的Elpis主控。官方表示这款主控可同时处理128个I/O队列，比起前代970 EVO Plus的Phoenix主控足足提高了四倍。

  一个队列可以包含64000个命令集，这意味着总共128个队列可以处理超过800万个命令。为了在不损害功率效率的情况下满足现代用户对高性能的需求，基于极其精细的8nm工艺打造，三星用料很足。不少采用同样品质颗粒的SSD往往就是输在没有足够强大的控制器上。

  闪存：承载数据的基础

  固态硬盘使用的NAND闪存颗粒主要有SLC、MLC、TLC、QLC以及3D NAND(多层数存储)。作为新兴闪存类型的3D NAND拥有更强的存储性能，它能在单位面积堆叠更多的存储单元，在降低每bit成本上很有优势。

  从目前的市场反应来看，不少消费者谈“TLC”色变。实际上，受到种种因素的限制，未来将会有更多的产品采用TLC甚至QLC颗粒。要知道三星直到去年还在使用MLC颗粒做SSD，是时业界TLC颗粒的产品早已铺开。相较于SLC以及MLC，TLC饱受诟病的方面大都集中于它的读写寿命大大缩短。根据三星关于NVMe SSD用户的统计数据，有99%的用户写入少于156 TBW，有99.7%的用户写入少于600 TB，都低于目前保证的1TB三星3bit MLC SSD耐用性标准。全新的V-NAND技术和纠错码(ECC)技术的进步也使该类NAND的耐用性更好。

  三星第六代V-NAND的数据传输速度比上一代更快。独有的“通道孔蚀刻”技术使新型V-NAND实现了由100多个层组成的导电晶片堆栈，比前代9x层单堆栈结构增加了大约40%的单元。同样的，越来越多TLC颗粒固态硬盘的上市也意味着MLC颗粒逐渐告别消费级固态硬盘市场，这也恰恰是消费级高性能固态硬盘产品的发展趋势。

  小结

  控制器、闪存、协议以及接口，这四个要素是制约着一块SSD性能发挥的最重要的四点了，消费者们在选购SSD产品时也一定要着重关注有关这几个方面的参数，同时也要明确，在存储设备这个门类，的确是大牌更值得信赖。因为他们都有自家的主控芯片、原厂颗粒等优势，在产品的品质方面更有保证。消费者们需要多多考虑一下产品的主控、闪存颗粒，以及支持的协议与接口方面。当然，更新对应的配套设施也同样重要，只有协议、接口相匹配，才能够实现读写速度的最大发挥。