固態(tài)硬盤

固態(tài)硬盤

概念

固態(tài)驅(qū)動器(Solid State Drive)，俗稱固態(tài)硬盤，固態(tài)硬盤是用固態(tài)電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，因為臺灣英語里把固體電容稱之為Solid而得名。SSD由控制單元和存儲單元(FLASH芯片、DRAM芯片)組成。固態(tài)硬盤在接口的規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的完全相同，在產(chǎn)品外形和尺寸上也完全與普通硬盤一致。被廣泛應(yīng)用于軍事、車載、工控、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)終端、電力、醫(yī)療、航空、導(dǎo)航設(shè)備等諸多領(lǐng)域。

其芯片的工作溫度范圍很寬，商規(guī)產(chǎn)品(0~70℃)工規(guī)產(chǎn)品(-40~85℃)。雖然成本較高，但也正在逐漸普及到DIY市場。由于固態(tài)硬盤技術(shù)與傳統(tǒng)硬盤技術(shù)不同，所以產(chǎn)生了不少新興的存儲器廠商。廠商只需購買NAND存儲器，再配合適當?shù)目刂菩酒涂梢灾圃旃虘B(tài)硬盤了。新一代的固態(tài)硬盤普遍采用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協(xié)議。

接口

目前固態(tài)硬盤的主要接口有：

SATA接口

作為目前應(yīng)用最多的硬盤接口，SATA 3.0接口最大的優(yōu)勢就是成熟。普通2.5英寸SSD以及HDD硬盤都使用這種接口，理論傳輸帶寬6Gbps，雖然比起新接口的10Gbps甚至32Gbps帶寬差多了，但普通2.5英寸SSD也沒這么高的需求，500MB/s多的讀寫速度也夠用。

mSATA接口

mSATA接口，全稱迷你版SATA接口(mini-SATA)。是早期為了更適應(yīng)于超級本這類超薄設(shè)備的使用環(huán)境，針對便攜設(shè)備開發(fā)的mSATA接口應(yīng)運而生。可以把它看作標準SATA接口的mini版，而在物理接口上(也就是接口類型)是跟mini PCI-E接口是一樣的。

mSATA接口是SSD小型化的一個重要過程，不過mSATA依然沒有擺脫SATA接口的一些缺陷，比如依然是SATA通道，速度也還是6Gbps。諸多原因沒能讓mSATA接口火起來，反而被更具升級潛力的M.2 SSD所取代。

M.2接口

M.2接口是Intel推出的一種替代mSATA的新的接口規(guī)范，也就是我們以前經(jīng)常提到的NGFF，即Next Generation Form Factor。

M.2接口的固態(tài)硬盤寬度22mm，單面厚度2.75mm，雙面閃存布局也不過3.85mm厚，但M.2具有豐富的可擴展性，最長可以做到110mm，可以提高SSD容量。M.2 SSD與mSATA類似,也是不帶金屬外殼的，常見的規(guī)格有主要有2242、2260、2280三種，寬度都為22mm，長度則各不相同。

不僅僅是長度，M.2的接口也有兩種不同的規(guī)格，分別是“socket2”和”socket3”

看似都是M.2接口，但其支持的協(xié)議不同，對其速度的影響可以說是千差萬別，M.2接口目前支持兩種通道總線，一個是SATA總線，一個是PCI-E總線。當然，SATA通道由于理論帶寬的限制(6Gb/s),極限傳輸速度也只能到600MB/s，但PCI-E通道就不一樣了，帶寬可以達到10Gb/s，所以看似都為M.2接口，但走的“道兒”不一樣，速度自然也就有了差別。

上圖為M.2接口走SATA通道的速率

上圖為M.2接口走PCIE通道的速率

M.2接口(NVMe協(xié)議)

NVM Express(NVMe)，或稱非易失性內(nèi)存主機控制器接口規(guī)范(Non-Volatile Memory express),是一個邏輯設(shè)備接口規(guī)范。他是與AHCI類似的、基于設(shè)備邏輯接口的總線傳輸協(xié)議規(guī)范(相當于通訊協(xié)議中的應(yīng)用層)，用于訪問通過PCI-Express(PCIe)總線附加的非易失性內(nèi)存介質(zhì)，雖然理論上不一定要求 PCIe 總線協(xié)議。

此規(guī)范目的在于充分利用PCI-E通道的低延時以及并行性，還有當代處理器、平臺與應(yīng)用的并行性，在可控制的存儲成本下，極大的提升固態(tài)硬盤的讀寫性能，降低由于AHCI接口帶來的高延時，徹底解放SATA時代固態(tài)硬盤的極致性能。

NVMe具體優(yōu)勢包括：

①性能有數(shù)倍的提升;

②可大幅降低延遲;

③NVMe可以把最大隊列深度從32提升到64000，SSD的IOPS能力也會得到大幅提升;

④自動功耗狀態(tài)切換和動態(tài)能耗管理功能大大降低功耗;

⑤NVMe標準的出現(xiàn)解決了不同PCIe SSD之間的驅(qū)動適用性問題。

延時更低：

說到NVMe標準對比AHCI標準的優(yōu)勢，其中之一就是低延時。因為AHCI標準本身就是為高延遲的機械硬盤而設(shè)，雖然SSD發(fā)展至今，主流產(chǎn)品已經(jīng)開始不能滿足性能的高速發(fā)展，特別是在延遲方面。而面向SSD產(chǎn)品的NVMe標準，降低存儲時出現(xiàn)的高延遲，就是其要解決的問題之一。

NVMe SSD可有效降低延遲(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

在軟件層方面，NVMe標準的延時只有AHCI的一半不到，NVMe精簡了調(diào)用方式，執(zhí)行命令時不需要讀取寄存器;而AHCI每條命令則需要讀取4次寄存器，一共會消耗8000次CPU循環(huán)，從而造成大概2.5微秒的延遲。

IOPS大增：

NVMe的另一個重點則是提高SSD的IOPS(每秒讀寫次數(shù))性能。目前市面上性能不錯的SATA接口SSD，最多只會測試到隊列深度為32的IOPS能力，其實終究原因這是AHCI的上限，其實許多閃存主控可以提供更好的隊列深度。而NVMe則可以把最大隊列深度從32提升到64000，SSD的IOPS能力也會得到大幅提升。

隊列深度的大幅提升(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

低延時和良好的并行性的優(yōu)勢就是可以讓SSD的隨機性能得到大幅度提升，這是950PRO系列SSD的現(xiàn)場跑分，它的隨機性能表現(xiàn)絕對是一流的，在任何隊列深度下都能發(fā)揮出極佳的速度。

功耗更低：

更先進的能耗管理(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

NVMe加入了自動功耗狀態(tài)切換和動態(tài)能耗管理功能，設(shè)備從能耗狀態(tài)0閑置50ms后可以迅速切換到能耗狀態(tài)1，在500ms閑置后又會進入能耗更低的狀態(tài)2。雖然切換能耗狀態(tài)會產(chǎn)生短暫延遲，但閑置時這兩種狀態(tài)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擁有較大優(yōu)勢，這一點對增加筆記本電腦等移動設(shè)備的續(xù)航尤其有幫助。

驅(qū)動適用性廣：

主流操作系統(tǒng)逐漸開始支持NVMe(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

NVMe標準的出現(xiàn)解決了不同PCIe SSD之間的驅(qū)動適用性問題，NVMe SSD可以很方便的匹配不同的平臺、系統(tǒng)，無需廠家提供相應(yīng)的驅(qū)動就可以正常工作，目前Windows、Linux、Solaris、Unix、VMware、UEFI等都加入了對NVMe SSD的支持。

PCI-E接口：

在傳統(tǒng)SATA硬盤中，當我們進行數(shù)據(jù)操作時，數(shù)據(jù)會先從硬盤讀取到內(nèi)存，再將數(shù)據(jù)提取至CPU內(nèi)部進行計算，計算后寫入內(nèi)存，存儲至硬盤中;而PCI-E就不一樣了，數(shù)據(jù)直接通過總線與CPU直連，省去了內(nèi)存調(diào)用硬盤的過程，傳輸效率與速度都成倍提升。簡單的說，我們可以把兩種通道理解成兩輛相同的汽車，PCI-E通道的汽車就像是在高速上行駛，而SATA通道的汽車就像是在崎嶇山路上行駛。很顯然，PCI-E SSD傳輸速度遠遠大于SATA SSD。

目前PCI-E接口通道有PCI-E 2.0 x2及PCI-E 3.0 x4兩種，最大速度達到32Gbps，可以滿足未來一段時間的使用，而且早期PCI-E硬盤不能做啟動盤的問題早解決，現(xiàn)在旗艦級SSD大多會選擇PCI-E接口。

雖然PCI-E SSD有諸多好處，但也不是每個人都適合。PCI-E SSD由于閃存顆粒和主控品質(zhì)問題，總體成本較高，相比傳統(tǒng)SATA固態(tài)硬盤價格貴一些。另外，由于PCI-E會占用總線通道，入門以及中端平臺CPU通道數(shù)較少，都不太適合添加PCI-E SSD，只有Z170，或者是X79、X99這樣頂級平臺，才可以完全發(fā)揮PCI-E SSD的性能?？偟膩碚f，如果你是一個不差錢的土豪，那么就 PCI-E SSD吧!