詳談SSD硬碟接口: SATA、mSATA 、PCIe、M.2和U.2

晗狄技術觀 發佈 2020-01-03T00:32:20+00:00

在這場存儲革命中,為了實現更快的速度、更多的使用環境、更好的體驗,SSD的接口也在不斷進化革新,像主流的SSD就有SATA接口、M.2接口、U.2接口、PCIe接口和mSATA接口等,那麼,下面筆者就重點介紹下這四種常見的接口。



SSD固態硬碟,徹底打破了溫徹斯特結構的機械硬碟多年來在電腦硬體領域的統治。SSD數倍於HDD機械硬碟的傳輸性能,讓普通用戶和發燒玩家的體驗均成倍提升。


在這場存儲革命中,為了實現更快的速度、更多的使用環境、更好的體驗,SSD的接口也在不斷進化革新,像主流的SSD就有SATA接口、M.2接口、U.2接口、PCIe接口和mSATA接口(目前很多SSD也在用SAS接口)等,那麼,下面筆者就重點介紹下這四種常見的接口。

SATA接口

作為目前應用最多的硬碟接口,SATA 3.0接口最大的優勢就是成熟。普通2.5英寸SSD以及HDD硬碟都使用這種接口,理論傳輸帶寬6Gbps,雖然比起新接口的10Gbps及32Gbps帶寬有一定的差距,但普通2.5英寸SSD可以滿足大多數用戶的日常應用需求,500MB/s左右的讀寫速度也夠用。而對於100MB/s左右讀寫速度HDD機械硬碟上,6Gbps帶寬還遠遠談不上瓶頸,只能埋怨HDD硬碟發展太慢,存儲速度一直沒有質變。


雖然SATA 3.0接口規格已經推出有一段時間,但「廉頗歲老,尚善飯否」。大多數用戶對SSD性能的要求談不上極端苛刻,而且還要考慮選購時的性價比因素,因此SATA 3.0接口在很長一段時間內都將是主流大眾的選擇。

PCIe接口

在傳統SATA硬碟中,當我們進行數據操作時,數據會先從硬碟讀取到內存,再將數據提取至CPU內部進行計算,計算後再反饋給內存,最後寫入至硬碟中;而PCIe接口就不一樣了,數據直接通過總線與CPU直連,省去了內存調用硬碟的過程,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,PCIe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,PCIe SSD的傳輸速度會遠大於SATA SSD。

HyperX Predator PCIe SSD是眾多PCIe接口SSD中的佼佼者,它採用PCI-E 2.0x4接口,半高式設計,主控為Marvell 88SS9293,讀取速度和寫入速度分別達到了1400MB/s和1000MB/s,是HyperX高端固態硬碟產品中速度最快的產品,讀寫速度也遠超SATA接口的SSD產品。


雖然PCIe SSD有諸多好處,但也不是每個人都適合。PCIe SSD由於快閃記憶體顆粒和主控品質極高,總體成本也相對較高,相比傳統SATA接口固態硬碟的售價要貴一些。另外,由於PCIe會占用總線通道,入門以及中端平台CPU通道數較少,也不太適合使用PCIe SSD。


只有配合Z170、X99這樣頂級平台,才可以完全發揮PCIe SSD的性能。總的來說,如果你是在組裝專業工作室用機,或是骨灰發燒級玩家,亦或是一個不差錢的土豪,那麼HyperX Predator PCIe SSD是決對正確的選擇!

M.2接口

M.2接口,是Intel推出的一種替代mSATA新的接口規範。其實,對於桌面台式機用戶來講,SATA接口已經足以滿足大部分用戶的需求了,不過考慮到超極本用戶的存儲需求,Intel才急切的推出了這種新的接口標準。雖然,我們在華碩、技嘉、微星等發布的新的9系列主板上都看到了這種新的M.2接口,現已普及。


與mSATA相比,M.2主要有兩個方面的優勢。第一是速度方面的優勢。M.2接口有兩種類型:Socket 2(B key——ngff)和Socket 3(M key——nvme),其中Socket2支持SATA、PCI-E X2接口,而如果採用PCI-E ×2接口標準,最大的讀取速度可以達到700MB/s,寫入也能達到550MB/s。而其中的Socket 3可支持PCI-E ×4接口,理論帶寬可達4GB/s。

第二個是體積方面的優勢。雖然,mSATA的固態硬碟體積已經足夠小了,但相比M.2接口的固態硬碟,mSATA仍然沒有任何優勢可言。M.2標準的SSD同mSATA一樣可以進行單面NAND快閃記憶體顆粒的布置,也可以進行雙面布置,其中單面布置的總厚度僅有2.75mm,而雙面布置的厚度也僅為3.85mm。

而mSATA在體積上的劣勢就明顯的多,51mm *30mm的尺寸讓mSATA在面積上不占優勢,而4.85mm的單面布置厚度跟M.2比起來也顯得厚了太多。另外,即使在大小相同的情況下,M.2也可以提供更高的存儲容量

M.2接口,最初叫做NGFF(Next Generation Form Factor),寬度22mm,單面厚度2.75mm,雙面快閃記憶體布局也不過3.85mm厚。M.2接口產品有豐富的可擴展性,最長可以做到110mm,可以提高SSD容量。此外,M.2接口可以同時支持SATA及PCI-E通道,後者更容易提高帶寬,如果是採用SATA通道的M.2接口固態硬碟,則讀寫速度在550MB/s左右。


其實前面介紹的HyperX Predator PCIe SSD產品本身擁有雙重接口,從PCIe轉接卡中取下,即可轉換為M.2接口的SSD,並且讀取速度和寫入速度同樣可以達到1400MB/s和1000MB/s。

AHCI相關知識:

  • AHCI,是在Intel的指導下,由多家公司聯合研發的接口標準,它允許存儲驅動程序啟用高級串行ATA功能。我們在使用SATA SSD的時候,一定要在主板設置中開啟AHCI模式。
  • NVMe協議不同於AHCI,利用PCI-E通道的低延時以及並行性,可將性能大幅提升。如三星960EVO最高速度達到3000MB/5.
  • NVMe協議的誕生就是為了從傳輸協議出發,進一步提升SSD的實際讀寫性能,提高產品傳輸效率。

NVMe的一大優勢就是低延遲。這主要是因為流線型的存儲堆棧,NVMe無需讀取寄存器就可以發出命令。AHCI的每個命令都需要讀取4個不可緩存寄存器,從而導致大約2.5μs的額外延遲。低延時和良好的並行性的優勢就是可以讓SSD的隨機性能得到大幅度提升,在任何隊列深度下都能發揮出極佳的速度。

NVMe對固態硬碟的IOPS性能提升也比較大。因為在制定AHCI規範時,並行性的想法沒有完全加入到規範內,利用NCQ功能可以對傳輸能力進行優化,但是接口並不允許SSD真正最大限度地發揮其應有的並行性。

此外,對於移動設備用戶來言,使用NVMe存儲設備可以對電池續行起到很大幫助。NVMe加入了自動功耗狀態切換和動態能耗管理功能,設備從能耗狀態0閒置50ms後可以迅速切換到能耗狀態1,在500ms閒置後又會進入能耗更低的狀態2。雖然切換能耗狀態會產生短暫延遲,但閒置時這兩種狀態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接口固態硬碟也擁有較大優勢。

(圖片來源:硬體十萬個為什麼)

上面兩款都是M.2接口,如何分辨出哪個是PCI-E SSD哪個是SATA SSD?在弄清楚這個問題之前,我們先來解答幾個常見問題。

1、同是M.2接口,為什麼會有PCI-E和SATA之分?

這是因為兩者所走的通道不同,M.2有兩種接口定義:Socket 2和Socket 3。Socket 2支持SATA、PCI-EX2通道的SSD,Socket 3專為高性能存儲設計,支持PCI-EX4。

2、有M.2接口的主板都能使用M.2 SSD?

非也非也,不同主板的M.2接口所支持的通道是不同的,有的僅持PCI-E通道,其規格說明里關於M.2的描述有標明。而有的則兼容SATA和PCI-E兩種通道。所以如果您想購買 M.2 SSD,先要清楚了解自己的主板上的M.2接口是支持哪種通道的。

3、什麼決定M.2 SSD所走的通道?

主控決定了接入M.2接口的SSD是走PCI-E通道還是SATA通道。例如HyperX Predator SSD的主控是Marvell 88SS9293主控,這是一款PCI-E控制器,而金士頓G2系列 M.2 2280 SSD採用的是SATA控制器。

4、性能差別有多大呢?

走的通道不一樣,速度自然有差別。SATA3.0通道的理論帶寬是6Gb/s.理論極限傳輸速度600MB/s,所以跟市面所有的SATA接口SSD一樣,金士頓G2系列 M.2 2280 SSD的最高讀取速度不超過600MB/s,而主板M.2接口走PCI-E通道傳輸通道帶寬為10Gb/s。HyperX Predator SSD的連續讀寫達到1400MB/s和1000MB/s,完全超過了SATA3.0的極限傳輸速度。


mSATA 接口

早期,為了更適應於超極本這類超薄設備的使用環境,針對便攜設備開發的mSATA(mini SATA)接口應運而生。你可以把它看作標準SATA接口的mini版,物理接口跟mini PCIe接口一樣。

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接口依然是SATA通道,速度是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。


在計算機發展的這60年中,從最初的打孔卡記錄到今天的高性能SSD,存儲介質發生了翻天覆地的變化。近幾年SSD更是發展迅速,從接口形態的進化可窺探一二。目前擁有SATA、mSATA、M.2、PCIe等接口,在各種平台設備都有所運用。

U.2 接口

U.2原名SFF-8639,U.2接口的最大特色就是高速低延遲低功耗,支持NVMe標準協議,並且走的是PCI-E 3.0 x4通道,理論傳輸速度高達32Gbps,SATA只有6Gbps,比SATA快了足足5倍。


U.2也一樣乘著NVMe技術的東風,從伺服器、企業級硬碟開始走入消費類硬碟,但過程異常緩慢。雖然U.2比M.2更具備散熱和容量的優勢,也不會像PCI-E SSD一樣占用主板插槽,但是普及率並不高。

U.2接口其實已經出現了很多年,但一直都只有HGST Ultrastar SN100、OCZ Z-Drive 6000等幾款企業級產品。消費級市場更是Intel一家獨大,最為常見的U.2 SSD就是Intel 750系列。但國產存儲品牌不開始不斷推出U.2 SSD,這對於U.2 SSD的普及算是個利好的消息。


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