固態(tài)硬盤(pán)

固態(tài)硬盤(pán)

概念

固態(tài)驅(qū)動(dòng)器(Solid State Drive)，俗稱(chēng)固態(tài)硬盤(pán)，固態(tài)硬盤(pán)是用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列而制成的硬盤(pán)，因?yàn)榕_(tái)灣英語(yǔ)里把固體電容稱(chēng)之為Solid而得名。SSD由控制單元和存儲(chǔ)單元(FLASH芯片、DRAM芯片)組成。固態(tài)硬盤(pán)在接口的規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤(pán)的完全相同，在產(chǎn)品外形和尺寸上也完全與普通硬盤(pán)一致。被廣泛應(yīng)用于軍事、車(chē)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(chǎng)。由于固態(tài)硬盤(pán)技術(shù)與傳統(tǒng)硬盤(pán)技術(shù)不同，所以產(chǎn)生了不少新興的存儲(chǔ)器廠商。廠商只需購(gòu)買(mǎi)NAND存儲(chǔ)器，再配合適當(dāng)?shù)目刂菩酒涂梢灾圃旃虘B(tài)硬盤(pán)了。新一代的固態(tài)硬盤(pán)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(pán)的主要接口有：

SATA接口

作為目前應(yīng)用最多的硬盤(pán)接口，SATA 3.0接口最大的優(yōu)勢(shì)就是成熟。普通2.5英寸SSD以及HDD硬盤(pán)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(méi)這么高的需求，500MB/s多的讀寫(xiě)速度也夠用。

mSATA接口

mSATA接口，全稱(chēng)迷你版SATA接口(mini-SATA)。是早期為了更適應(yīng)于超級(jí)本這類(lèi)超薄設(shè)備的使用環(huán)境，針對(duì)便攜設(shè)備開(kāi)發(fā)的mSATA接口應(yīng)運(yùn)而生?？梢园阉醋鳂?biāo)準(zhǔn)SATA接口的mini版，而在物理接口上(也就是接口類(lèi)型)是跟mini PCI-E接口是一樣的。

mSATA接口是SSD小型化的一個(gè)重要過(guò)程，不過(guò)mSATA依然沒(méi)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(méi)能讓mSATA接口火起來(lái)，反而被更具升級(jí)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(pán)寬度22mm，單面厚度2.75mm，雙面閃存布局也不過(guò)3.85mm厚，但M.2具有豐富的可擴(kuò)展性，最長(zhǎng)可以做到110mm，可以提高SSD容量。M.2 SSD與mSATA類(lèi)似,也是不帶金屬外殼的，常見(jiàn)的規(guī)格有主要有2242、2260、2280三種，寬度都為22mm，長(zhǎng)度則各不相同。

不僅僅是長(zhǎng)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(duì)其速度的影響可以說(shuō)是千差萬(wàn)別，M.2接口目前支持兩種通道總線(xiàn)，一個(gè)是SATA總線(xiàn)，一個(gè)是PCI-E總線(xiàn)。當(dāng)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(dá)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(chēng)非易失性?xún)?nèi)存主機(jī)控制器接口規(guī)范(Non-Volatile Memory express),是一個(gè)邏輯設(shè)備接口規(guī)范。他是與AHCI類(lèi)似的、基于設(shè)備邏輯接口的總線(xiàn)傳輸協(xié)議規(guī)范(相當(dāng)于通訊協(xié)議中的應(yīng)用層)，用于訪(fǎng)問(wèn)通過(guò)PCI-Express(PCIe)總線(xiàn)附加的非易失性?xún)?nèi)存介質(zhì)，雖然理論上不一定要求 PCIe 總線(xiàn)協(xié)議。

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

NVMe具體優(yōu)勢(shì)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(duì)列深度從32提升到64000，SSD的IOPS能力也會(huì)得到大幅提升;

④自動(dòng)功耗狀態(tài)切換和動(dòng)態(tài)能耗管理功能大大降低功耗;

⑤NVMe標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)解決了不同PCIe SSD之間的驅(qū)動(dòng)適用性問(wèn)題。

延時(shí)更低：

說(shuō)到NVMe標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比AHCI標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，其中之一就是低延時(shí)。因?yàn)锳HCI標(biāo)準(zhǔn)本身就是為高延遲的機(jī)械硬盤(pán)而設(shè)，雖然SSD發(fā)展至今，主流產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始不能滿(mǎn)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(biāo)準(zhǔn)，降低存儲(chǔ)時(shí)出現(xiàn)的高延遲，就是其要解決的問(wèn)題之一。

NVMe SSD可有效降低延遲(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

在軟件層方面，NVMe標(biāo)準(zhǔn)的延時(shí)只有AHCI的一半不到，NVMe精簡(jiǎn)了調(diào)用方式，執(zhí)行命令時(shí)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(huì)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(gè)重點(diǎn)則是提高SSD的IOPS(每秒讀寫(xiě)次數(shù))性能。目前市面上性能不錯(cuò)的SATA接口SSD，最多只會(huì)測(cè)試到隊(duì)列深度為32的IOPS能力，其實(shí)終究原因這是AHCI的上限，其實(shí)許多閃存主控可以提供更好的隊(duì)列深度。而NVMe則可以把最大隊(duì)列深度從32提升到64000，SSD的IOPS能力也會(huì)得到大幅提升。

隊(duì)列深度的大幅提升(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

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

功耗更低：

更先進(jìn)的能耗管理(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

NVMe加入了自動(dòng)功耗狀態(tài)切換和動(dòng)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(huì)進(jìn)入能耗更低的狀態(tài)2。雖然切換能耗狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生短暫延遲，但閑置時(shí)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(shì)，這一點(diǎn)對(duì)增加筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備的續(xù)航尤其有幫助。

驅(qū)動(dòng)適用性廣：

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

NVMe標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)解決了不同PCIe SSD之間的驅(qū)動(dòng)適用性問(wèn)題，NVMe SSD可以很方便的匹配不同的平臺(tái)、系統(tǒng)，無(wú)需廠家提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)就可以正常工作，目前Windows、Linux、Solaris、Unix、VMware、UEFI等都加入了對(duì)NVMe SSD的支持。

PCI-E接口：

在傳統(tǒng)SATA硬盤(pán)中，當(dāng)我們進(jìn)行數(shù)據(jù)操作時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)先從硬盤(pán)讀取到內(nèi)存，再將數(shù)據(jù)提取至CPU內(nèi)部進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后寫(xiě)入內(nèi)存，存儲(chǔ)至硬盤(pán)中;而PCI-E就不一樣了，數(shù)據(jù)直接通過(guò)總線(xiàn)與CPU直連，省去了內(nèi)存調(diào)用硬盤(pán)的過(guò)程，傳輸效率與速度都成倍提升。簡(jiǎn)單的說(shuō)，我們可以把兩種通道理解成兩輛相同的汽車(chē)，PCI-E通道的汽車(chē)就像是在高速上行駛，而SATA通道的汽車(chē)就像是在崎嶇山路上行駛。很顯然，PCI-E SSD傳輸速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)到32Gbps，可以滿(mǎn)足未來(lái)一段時(shí)間的使用，而且早期PCI-E硬盤(pán)不能做啟動(dòng)盤(pán)的問(wèn)題早解決，現(xiàn)在旗艦級(jí)SSD大多會(huì)選擇PCI-E接口。

雖然PCI-E SSD有諸多好處，但也不是每個(gè)人都適合。PCI-E SSD由于閃存顆粒和主控品質(zhì)問(wèn)題，總體成本較高，相比傳統(tǒng)SATA固態(tài)硬盤(pán)價(jià)格貴一些。另外，由于PCI-E會(huì)占用總線(xiàn)通道，入門(mén)以及中端平臺(tái)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(jí)平臺(tái)，才可以完全發(fā)揮PCI-E SSD的性能?？偟膩?lái)說(shuō)，如果你是一個(gè)不差錢(qián)的土豪，那么就 PCI-E SSD吧!