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小Z聊固态:从NVMe协议聊聊SSD接口

 YIFU_APS 2019-10-25

1固态硬盘发展趋势

    进入2016年以来,固态硬盘行业在技术和产品层面呈现出两大明显变化和趋势。

    一个是在固态硬盘核心器件闪存颗粒制造技艺上,由传统2D平面堆叠向3D立体堆叠进行转变,各大闪存厂商纷纷加紧研发具有各自厂商特色和不同规格的3D堆叠技术。

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    同时TLC颗粒凭借着3D堆叠技术的成熟和应用,稳定性、读写性等相关性能有着相当的提升,进一步凸显出TLC制造成本低的优势,而MLC闪存颗粒就此作古,继SLC后悲壮的退出历史舞台。

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3D 堆叠技术

    另一个巨变,便是人们对于便携、读写速度的极致追求以及NVMe协议的大范围实施,促使众多厂商纷纷研制基于新标准NVMe的PCIe固态硬盘,进一步加速SATA接口固态硬盘的衰败,可以在预见的未来,有着读写限制的SATA固态必将退出历史舞台。

    那么NVMe协议到底是什么?PCIe、AHCI以及M.2等专有名词到底该如何理解?今天,小Z就从NVMe出发,来聊一聊固态硬盘那些接口和协议。

2指令协议、逻辑协议、物理接口释义

指令协议、逻辑协议、物理接口的释义

    在聊NVMe以及常见的诸多名词之前,我们先得捋一捋PCIe、AHCI、M.2以及SATA等之间的关系,以及了解固态硬盘存储数据的基本流程。

    整个固态硬盘存储基本流程其实很简单,数据经过计算机等设备的物理接口,此时进入物理存储层;接着通过闪存转换层,由物理信息转换成逻辑代码,并被计算机识别,整个存储过程结束。而在存储过程中,存在着一系列协议和指令,去引导相关设备进行工作,其中指令协议就起到总体指挥调配的作用,而逻辑协议则是作用于逻辑层中。小Z聊固态:从NVMe协议聊聊SSD接口

    通过了解基本的固态硬盘存储流程,我们知道在固态存储过程中,指令协议,逻辑协议或是逻辑接口起到了非常关键的作用,它们的先进或落后,直接影响到存储速度和稳定性,以及和计算机的直接交互和应用。

    下面是小Z总结的常见消费级指令协议、逻辑协议以及物理接口旗下的名词配对关系。

物理接口逻辑协议指令协议
SATAAHCIATA
M.2/PCIe
PCIe/U2NVMeNVMe

    接下来,我们就一一释义这些我们常见却又不好理解存储名词。 

3NVMe是什么?

NVMe是什么?

    NVMe,全称为Non-Volatile Memory Express,我们拆开翻译,Non-Volatile Memory中文译名为非易失性存储器。

    熟悉存储的都知道,存储器根据断电后是否能够存储数据为标准分为易失性和非易失性,我们常用的优盘、闪存卡等存储产品就是非易失性存储器,当然固态硬盘产品也是非易失性存储器了。而此处的Express,就是类似于PCIe中那个e,指的是通道或是规范。

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NVMe是基于非易失性存储器的传输规范

    一般常识性的理解,NVMe是一种基于非易失性存储器的传输规范,NVMe规范由包含90多家公司在内的工作小组所定制,Intel是主要领头人,小组成员包括美光、戴尔、三星、Marvell、NetAPP、EMC、IDT等公司。

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intel主导

    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。

    就存储整个流程来说,NVMe不仅仅是逻辑上的协议接口,还是一种指令标准,一种指定协议,它的出现彻底颠覆了存储行业长期以来以ATA为核心底层的存储逻辑,掀起了一场实至名归的存储革命。

4NVMe和PCIe是绝配

NVMe和PCIe是绝配

    NVMe标准的诞生,就是基于PCIe通道的无延时特性,直接连接计算机CPU,使得固态硬盘不会因为通道转换导致的延时而丢失相当的性能,特别是在固态硬盘自身性能接近极限速度的今天,降低延时,提高通道带宽,是从另一个维度极大的提高固态硬盘读写性能。

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NVMe和PCIe是绝配

    所以,PCIe通道是NVMe协议下绝佳的伴侣。

    说到这里,部分网友朋友们会疑惑了,在NVMe协议全面实施之前,AHCI协议一统天下的时候,曾经有不少厂商推出了类似于PCIe接口的M.2固态硬盘,但在读写速度上却没有特别惊人的表现,这又该如何理解呢?

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AHCI协议下的PCIe固态性能同SATA固态

    其实,这是部分商家为了满足许多用户对于小体积产品的需求而研发的,基于AHCI协议的固态硬盘。此类产品,虽然在物理接口上采用的是PCIe口,但是主控却并不支持NVMe协议,最终只能实现和普通SATA接口一致的读写速度,我们也可以将这个理解成物理转接卡,在性能上没有任何差异。

5SATA、PCIe及M.2的纠结和小结

SATA、PCIe及M.2的纠结

    上文说到,在NVMe没有普及前,市场上就出现了PCIe通道的M.2固态硬盘,实际上却只有相同品质下的SATA通道的性能。

    其实从这段话中,我们就可以知道SATA、PCIe及M.2之间的关系了。

    SATA是一种物理接口类型,执行的AHCI协议标准,是目前最为廉价和常见的固态硬盘接口,缺点便是有着6Gbps的极限读写限制,无法满足专业领域对于无延时、极致读写的要求。

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SATA/PCIe/M.2不纠结

    PCIe实际上是通道协议,在物理表现上就是主板上那些PCIe接口。这些通道协议,属于总线协议,能够直接连接CPU,因而几乎没有延时,成为NVMe标准的绝佳伴侣。而在AHCI标准时代,受制于协议,几乎无法发挥PCIe的实际性能,同时根据传输速度不同,PCIe还可分为X2/X4/X8。

    M.2接口,在固态硬盘领域,更多的是用于和传统的SATA固态硬盘进行区分的名词。根据主控执行的协议不同,M.2接口又分为NVMe协议以及AHCI协议的固态硬盘。根据协议不同,M.2固态硬盘在性能上也会有着相当的差异。

小结:

    说了这么多专有名词,有没有一种脑袋眩晕的感觉?

    实际上,在我们日常接触到的消费级固态硬盘中,根据固态硬盘的体积形态区分,有普通SATA接口和M.2接口;而在M.2接口阵营里,根据主控协议不同,又可以分为NVMe协议的M.2固态和AHCI协议的M.2固态,其中AHCI协议的M.2固态在性能上和普通SATA几乎没有什么区别。

    我们可以根据各自的需求,比对产品性能进行挑选,至于这些名词具体有什么作用,并没有什么意义。

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