电脑 第11章 固态硬盘接口 电脑 第11章 固态硬盘接口

2024-06-08

一、什么是固态硬盘

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。

二、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。

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三、mSATA 接口

mSATA 接口,全称迷你版 SATA接口(mini-SATA)。

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。

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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。

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四、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。

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M.2 接口的固态硬盘宽度 22 mm,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。

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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”

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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。

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上图为 M.2 接口走 SATA 通道的速率

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上图为 M.2 接口走 PCIE 通道的速率

五、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:

  • 性能有数倍的提升;

  • 可大幅降低延迟;

  • NVMe 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;

  • 自动功耗状态切换和动态能耗管理功能大大降低功耗;

  • NVMe 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。

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NVMe SSD 可有效降低延迟。

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。

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队列深度的大幅提升。

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

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更先进的能耗管理

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

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主流操作系统逐渐开始支持 NVMe

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。

六、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。

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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!

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