NVME SSD固態硬盤為什麼那麼快

固態硬盤 CPU 孫悟空 Flash 內有風存 2017-06-07

NVME SSD和SATA SSD是花開並蒂,紅蓮白藕青荷葉,三教原來是一家。

NVME SSD和SATA SSD雖然源出同門,但是為什麼差別這麼大呢?舉例來說就像孫悟空到斜月三星洞學藝。這麼多師兄師弟,孫悟空後來居上,神通遠遠不是其他師兄弟可比,這是為何?孫悟空硬件條件好,他天生石猴,女媧五彩石,加王母娘娘的一滴精血,孕育了他。這來歷,這天賦,這硬件條件,都是了不得的。另外菩提老祖教法術時,還給孫悟空開小灶。孫悟空的師兄弟學的是粗使拳腳,孫悟空學的是飛天遁地的神通,這就是軟件技術上的差距。NVME SSD性能遠遠好過SATA SSD,原因也是無非軟硬件的因素。

NVME SSD相比SATA SSD的優勢在於:PCI-E接口(硬件)、NVME協議(軟件)。

我們先來看相對於SATA SSD,NVME SSD在接口上的優勢。

SATA:

SATA接口的SSD,需要經過I/O controller,Bus controller,才能和CPU通信。I/O,Input/output,輸入輸出。總線(Bus)是計算機各種功能部件之間傳送信息的公共通信幹線。

PCI-E:

NVME SSD與CPU之間的數據通信,只通過RC寄存器模塊。RC全稱Root Complex,連接CPU/內存和外部設備的樞紐,Root Complex在PCI Express 中處於核心位置,是I/O與CPU/內存系統連接的最頂層。

總結:相對於普通SATA接口的SSD來說,NVME SSD與CPU進行數據通信不需經過南橋,更簡單,快捷,帶寬更大。SATA3.0的通信速度為3Gbps或1.5Gbps。而PCI-E 3.0X16或者支持PCI-E的M.2接口的通信速度為32Gbps。也就是從接口上來說,NVME SSD可比SATA SSD快近10倍。現在最快的SATA3.0接口的SSD也不過為500-600M/S,那麼它的10倍,5000-6000M/S,堪稱恐怖。

這就是NVME SSD對普通SATA SSD的接口優勢。

NVME SSD光有PCI-E接口也白搭。就像普羅米修斯造人一樣,造完了還得讓雅典娜吹一口靈氣,人才有了靈魂。所以NVME協議也是至關重要的。我們再來看看NVME標準到底有何優勢。

AHCI標準每條命令需要讀取4次寄存器,消耗8000次CPU循環,大概2.5微秒的延遲。而 NVMe標準精簡了調用方式,執行命令時不需要讀取寄存器,延時不到AHCI標準的一半。

在制定AHCI規範時並行性的想法並沒有完全融合到規範內,最高可以支持命令深度級數為32級。NVMe標準理論上可以把最大隊列深度從32提升到64000,SSD的IOPS能力會得到大幅提升。IOPS,即每秒進行讀寫的次數。

總結:NVME標準下SSD執行命令的延時大大減小了,隊列縱深增強了,IOPS大大增加了。

NVME SSD相對於SATA SSD的優勢是NVME標準,PCI-E接口。很多時候人們在談到SSD的PCI接口時都用NVME一言闢之。這不是搞“三個代表”,隨便代表就可以的。NVME和PCI-E是一軟一硬,涇渭分明的。因為前有撲朔迷離,雌雄難辨的說法,所以我這才將NVME SSD 的NVME和PCI-E分開來說。

NVME標準、PCI-E接口相對於SATA/AHCI的優勢是巨大的。而且它們讓NVME SSD的性能還有大把的發展空間。可以說NVME SSD取代SATA SSD是大勢所趨,天命所歸的。

但是NVME SSD的發展卻面臨3個問題,不僅有如何把NVME SSD性能充分的發揮,如何降低生產成本,還有如何降低使用溫度這個“老大難”問題。這些問題估計還是得從主控和NAND FLASH上著手。

那麼NVME SSD的主控和NAND FLASH可說是至關重要的。NVME SSD在NAND FLASH上使用3D NAND是必要的。3D NAND隨著產量的增加,成本會逐漸降低,另外3D NAND還具有儲存密度大,讀寫速度快,使用壽命長的特點。由於NVME SSD的讀寫速度快,勢必會對NAND FLASH的讀寫速度和安全性等有所要求。就好比干重活的人,如果沒有好的體質是不行的,身體是革命的本錢。對於那些用所謂“MLC”來做NVME SSD的NAND FLASH的,比如建興T10,我表示質疑。3D NAND是NVME SSD的主流,逆時代而動的就是反動派,一切反動派都是紙老虎!對於NVME SSD來說就連3D NAND都還需要發展進步,才能滿足,“MLC”憑什麼逆時代而動?

我們再來說NVME SSD的主控。主控的好壞程度和SSD的性能成正比。NVME SSD要發揮更高性能,那麼好的主控是必須的。但是好的主控就意味著價格更高。連普通SATA SSD的價格現在都讓人受不了了,高性能高價格的NVME SSD必定只能少量存在。

NVME SSD的NAND、主控暫時按兵不動。第三個問題,它的使用溫度,這個問題卻是迫在眉睫的。NVME SSD的使用溫度過高讓NVME SSD相對SATA SSD有再大的優勢也讓人望而卻步。但是入門級NVME SSD已經找到了它們對付這個“老大難”問題的辦法。

下面舉例一些主流的NVME SSD,看它們是如何解決NVME使用溫度的。INTEL 600P用低速來實現NVME SSD低使用溫度。阿斯加特AN Series M.2 SSD,主控SMI,3D NAND,讀寫分別為,1850M/S,850M/S,另外還加了高級散熱片,它在使用溫度上也讓人無需操心。另外建興T10,據我所知,主控加了高溫限速功能,這一緊箍咒,而且唐長老脾氣壞動不動就念。

SSD價格上漲可能持續相當長的一段時間。對於一般的玩家來說,高性能的NVME SSD遙不可及。現在並不適合追求高端的NVME SSD。而超高性價比的入門級NVME SSD顯然更適合我們。入門級NVME,比SATA SSD快很多,速度優勢已經有了。入門NVME SSD價格上比SATA SSD略高,比中高端NVME SSD低很多,所以價格優勢它也有了。只要使用溫度控制得好,那麼入門級NVME SSD就值了!因此在找到不增加成本而解決NVME SSD使用溫度之前,入門級NVME SSD將佔據硬盤市場主流,並且這會持續相當長的一段時間。

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