從PCIe 3.0到PCIe 4.0 三星980 PRO的效能蛻變

隨著三星980PRO PCIe4.0 SSD的正式推出，關於PCIe4.0技術和產品成為了儲存行業時下最為熱門的話題。

那麼，PCIe4.0究竟代表著什麼？從PCIe3.0到PCIe4.0，三星品牌儲存又在產品端進行了哪些技術和體驗的創新和迭代？

想要解答以上問題，我們需要追根溯源，簡單回顧關於PCIe的歷史和變革，瞭解PCIe4.0帶來的時代意義和價值。

關於PCIe匯流排的演變

所謂的PCIe，全稱為PCI-Express。

它實質上是一種高速序列計算機擴充套件匯流排標準，類似的匯流排標準還有諸如早期的MCA、PCI都屬於這類協定。

只是隨著技術發展和需求的變化，擁有著高速序列、對等雙連結、高頻寬傳輸等突出特點的PCIe協定，最終脫穎而出，成為了時下最為主流的計算機匯流排標準。

至於在介面形式上，PCIe主要有兩種，一種是尺寸較為小巧的M.2介面，另一種則是標準的PCIe插槽，二者全都整合在主機板之上。

根據頻寬容量的不同，以及技術的迭代，以及應用層級方面，PCIe匯流排又出現了分支和進化。

先說頻寬，基於PCIe串聯計算機的容量大小，同一級別的PCIe插槽之間存在著效能差異。

以主流的PCIe3.0為例，簡單可以分為PCIe x1/PCIe x2/PCIe x4/PCIe x8/PCIe x16等不同頻寬，這些“x1/x2”等數位的背後，對應著介面效能差異。

以PCIe3.0 x1和PCle3.0 x16為例，PCIe3.0 x1的標準效能約為1GB/s，而同樣是PCIe 3.0協定，X16的標準效能則高達16GB/s。

再說說技術迭代，PCIe作為匯流排協定和標準，歷經多年的發展和變革，從起初的PCIe 1.0，逐步在效能上大跨步發展，直到今天的PCIe4.0的誕生。

技術的迭代帶來了恐怖的效能，根據官方提供資料，對比於初代的PCIe1.0頻寬（X1為250MB/s），最新的PCIe4.0的頻寬（以X1為例）達到了2GB/s，提升了近8倍。

最後在應用層面，由於PCIe高速串聯計算機，提供更高效能優勢，許多硬體產品都能，更都想通過PCIe匯流排的方式，進行串聯，以發揮硬體的最高效能。其中，顯示卡和固態硬碟是其中的代表產品。

PCIe4.0 SSD存在的必然性

剛才說到固態硬碟和PCIe之間的聯絡，是源於PCIe匯流排串聯計算機的巨大效能優勢。

其實在固態硬碟發展的早期，SATA介面才是行業的主流，一方面源於製程工藝，沒辦法開發出效能和功耗能夠完美契合的主控和顆粒產品；

另一方面，則是SATA介面的絕對效能能夠滿足人們日常的儲存需求。

隨著儲存需求的變化和製程工藝的突破，固態硬碟效能一日千里般的躍進和發展，傳統的SATA介面在協定上弊端逐漸顯現出來，最大理論效能600MB/S，已然無法適配不斷狂奔的儲存需求和技術演進。

於是以三星品牌儲存為代表的儲存行業，開始引入PCIe 3.0介面，並推出了全新的NVMe傳輸協定，打破了介面協定的束縛，讓固態硬碟產品的效能達到了3.5GB/s的標準。

然而技術的進步和儲存需求的徹底爆炸，PCIe3.0協定下、3.5GB/s的絕對效能也漸顯頹勢，業界期待著頻寬更大，效能更強的PCIe協定的到來。

所以在需求和技術的雙重裹挾下，PCIe4.0以及隨之而來的高效能PCIe4.0固態硬碟開始嶄露頭角。

三星品牌儲存在PCIe4.0時代的創新

作為行業領先的儲存廠商，三星品牌儲存也在積极參與和擁抱PCIe4.0時代，並在產品和體驗上進行了多維度的創新，其中代表性產品便是不久前釋出的三星980PRO PCIe4.0固態硬碟。

這是三星品牌儲存推出的首款全面支援PCIe4.0協定的高效能固態硬碟，熟悉三星儲存產品的朋友們都清楚，三星旗下儲存產品大致可以分為PRO/EVO/QVO三個序列，並根據定位和價格差異，依次遞減；

換句話說，能夠被冠以PRO序列的產品，可以說是三星品牌儲存旗艦中的旗艦了，這也從側面反映了三星品牌儲存對於PCIe4.0技術的重視程度。

除了產品定位的高標準高規格之外，就三星980PRO產品本身而言，三星也為之進行了諸多技術的創新和突破，筆者簡單將它分拆為三個維度的創新，即主控創新、快閃記憶體創新以及效能創新。

主控創新

PCIe4.0協定的到來，對於固態硬碟產品而言，尤其是主管固態硬碟內部資料處理，編譯以及運轉的主控晶片而言，是前所未有的挑戰。

協定頻寬的巨大提升，相對應的需要硬碟主控能夠同時並行和處理更多的資料指令，以滿足高吞吐，實現高效的資料傳輸。

為了應對PCIe4.0巨幅的效能提升，三星品牌儲存在三星980PRO上首次搭載了基於ARM架構的、重新設計和編譯的新一代主控晶片Elpis，Elpis源於希臘語，中文讀音“厄爾庇斯”，中文直譯則是“（希望）女神”。

Elpis主控採用三星自研的全新8nm製程工藝，全面支援PCIE4.0協定，同時能夠滿足下一代開發、計算等需求，更為關鍵的是，它能夠支援128佇列並行工作，支援128個I/O佇列同步進行資料處理。

相較於PCIe3.0時代，三星主流Phoenix主控支援的32佇列，提升了接近400%；

用一組更為直觀的數位來驗證三星新主控的強啊之處，根據設計製程，在單個佇列下，能夠處理超過64000命令集，這也就意味著三星Elpis主控內部的128個佇列，可以同步處理最高超過800萬個命令。

這樣的效能倍增，能夠滿足PCIe4.0協定下對於主控效能的苛刻需求，進而保證了三星980PRO的效能表現。

同時，Elpis主控晶片，還能夠完美相容PCIE3.0，並且在效能上有著上佳的表現，甚至超過稱霸PCIE3.0世代的970EVO Plus和970PRO。

根據官方提供的資料，在PCIE3.0頻寬下，三星980PRO的最大連續讀取效能達到3500MB/S，基本和970EVO Plus持平；

在最大連續寫入效能方面，達到了3450MB/S，甚至超過了三星970EVO Plus的官方測試水平。

快閃記憶體創新

高頻寬頻來高效能的同時，對於儲存資料的顆粒體質，同樣有了更高的需求。大規模和高速率的讀寫，意味著用於儲存資料的快閃記憶體顆粒需要在體質和效能上有著可靠和穩定表現。

三星品牌儲存同樣為了進一步釋放PCIe4.0固態硬碟的全部效能，也首次在三星980PRO上應用了第六代三星V-NAND快閃記憶體顆粒。

這一代快閃記憶體顆粒突出特點在於，充分利用三星獨創的“通道孔蝕刻”技術。

通過建立一個由100多個層組成的導電晶片堆疊，然後從上到下垂直穿孔，形成均勻的三維電荷阱快閃記憶體（CTF）單元，從而實現了在9x層單堆疊結構基礎上增加了大約40%的儲存單元。

同時，在效能表現方面，三星在內部結構上進行了電路優化，進一步提升了快閃記憶體顆粒的速度表現。

根據官方資料，對比第五代V-NAND技術，其寫入操作的時間少於450微秒（μs），讀取操作的時間少於45μs。

效能創新

全新主控和全新顆粒的應用，讓三星980PRO能夠完美髮揮PCIe4.0協定帶來的巨大效能優勢。

根據筆者實際測試，三星980PRO PCIe4.0 SSD最大順序讀取速度超過了驚人的7000MB/S，最大順序寫入速度同樣超過了驚人的5000MB/S。

要知道PCIe4.0 X4的理論效能為8GB/s，而三星980PRO超過7000MB/S，幾乎接近理論效能最大值。

當然了，除了絕對效能，三星980PRO還在智慧快取方面進行了拓展，讓普通使用者在日常使用中體驗到三星980PRO的極致表現。

所謂智慧快取技術，三星為之冠名為智慧TurboWrite技術，這一技術能夠可自動識別使用者的工作負載，並指定合適的SLC緩衝區；

也就是說，在這項技術加持下，三星980PRO內部生成了由固定預設空間+智慧區域形成動態快取區。

根據容量和型號不同，動態快取區容量大小也存在差異。就1TB型號980PRO PCIE4.0 SSD的而言，三星為此配備了6GB的預設快取區，以及高達108GB的動態智慧快取區。

也就是說，使用者在0-114GB這個寫入區間內，可以完美體驗到三星980PRO的絕對效能表現；

而實際上，對於大部分的普通使用者而言，單次的寫入量遠遠達不到100GB的量級，所以這樣的技術對於使用者而言，十分有意義的。

寫在最後

行業領頭羊的態度往往主導和決定了產業發展態勢，作為儲存行業的先行者，三星980PRO PCIe4.0 SSD的入局，可以說是一個標誌。

它意味著PCIe4.0時代的崛起、新生，至於後續的發展，還需要所有儲存廠商形成合力，共同推進。