PCIe 4.0與NVMe碰撞 SSD再度挑戰速度極限

經過數十年的發展，使用者們所能接觸到的硬碟產品品類越來越豐富。

從早年的機械硬碟到SSD，在我們的認知中，硬碟的速度似乎在一直增長，而我們能夠獲得的最高速度上限也不斷地水漲船高。

速度的未來沒有上限，但是每一代的標準確實有它的極限，對速度的要求推動著廠商們不斷探索著硬碟的極限。

那麼制約硬碟速度的因素到底有哪些呢？考慮到當下機械硬碟的式微，本文就以固態硬碟為例進行探討。

SSD，全稱為Soild?State?Drive，也就是大家常說的固態硬碟，是當下普通使用者所能接觸的最為普遍的儲存裝置之一。

它被廣泛地應用於PC產業，幾乎每一臺筆記型電腦、整機在出廠時都已經搭配好了固定的儲存設定。

它主要包括以下幾個部分：控制器、記憶體、快閃記憶體顆粒等。這幾個部分各司其職，是作為SSD本質速度的保證。

從各自的功能來看，控制器主要提供外部主機介面、內部快閃記憶體管理介面，並通過內嵌的晶片來執行SSD韌體，管理SSD的儲存地址空間、快閃記憶體物理空間，同時兼顧垃圾回收、磨損均衡等作用。

快閃記憶體是儲存資訊的實體，快閃記憶體顆粒分佈在SSD的電路板上，為SSD提供儲存空間。

但除此之外，對應的協定和標準也是決定SSD效能發揮的重要部分。

本文也將從控制器、快閃記憶體、協定以及介面四個方面淺談制約SSD速度的因素。

PCIe 4.0淺析

從定義上來講，我們通常所說的PCIe實際上是周邊裝置高速互聯的英文縮寫，英文全名為Peripheral Component Interconnect Express。

PCIe標準主要用於連線顯示卡、網路卡、固態硬碟以及各種其他非CPU元件的統一介面標準，而PCIe標準同時也是目前我們能夠在PC上獲得的速度最快的連結標準。

PCIe介面的速度決定了所有這些外部元件與CPU的資料交換速度。

從PCIe標準出現到現在最新的標準已經來到了4.0時期。

理論上來說，PCIe 4.0 x 16介面最大頻寬(速率)是32GB/s，不過固態硬碟用不到這個介面，SSD所能接入的PCIe 4.0×4介面的頻寬也能達到8GB/s。

儘管此前被不少媒體唱衰，PCIe 4.0還是頂住了壓力。市場與廠商們的反映證明了PCIe 4.0並不會被拋棄，哪怕是行業巨頭英特爾對此響應平淡，一副極不情願的樣子。

此前有訊息稱英特爾似乎有“跳過PCIe 4.0直接進入PCIe 5.0”之意，從目前的情況來看，PCIe 4.0仍是大家通往PCIe 5.0的必經之路。

最近一個時期，採用PCIe 4.0的裝置突然多了起來，包括已經各種斷貨的剛剛釋出的NVIDIA?RTX?30系列顯示卡。

NVMe：PCIe介面的好搭檔

NVMe全稱Non-Volatile Memory express，即非易失性記憶體標準，這是一種建立在M.2介面上的專門為快閃記憶體類儲存設計的一種協定。

實際上NVMe標準誕生已經八年之久，而消費級NVMe產品廣泛上市才是近兩三年的事情。

2011年，NVMe標準正式出爐。

2017年5月，NVMe升級到1.3版本，而目前市場上符合NVMe 1.3標準的SSD可以說基本上是擁有最強效能的高階SSD。

支援1.3版本標準的固態硬碟在寫入壽命和讀寫速度上都有了全方位的提升，功耗也得到了更好的控制，更加符合高階玩家對硬碟壽命和速度的追求。

作為使用PCIe通道SSD的一種規範，支援NVMe協定的SSD具有低延時、速度快、功耗低以及相容並行性好等優勢。

NVMe協定的優勢在於原生PCIe通道與CPU直連可以免去外接控制器與CPU通訊所帶來的延時，同時大大提升了SSD的IPOS效能。

控制器：千軍易得一將難求

常用SSD的使用者一定深有體會——有一個好的控制器是多麼的重要。

主控，顧名思義是控制整個固態數的硬體，韌體是儲存在主控中的軟體，主控負責執行這個固化的軟體，發出韌體演演算法操作請求實際讀取、寫入和刪除資料、執行垃圾回收和耗損均衡演演算法等任務，以保證SSD的速度和整潔度。

根據SSD的執行原理，SSD由控制器將儲存單元連線到電腦，主控可以通過若干個通道並行操作多塊快閃記憶體顆粒，提高底層的頻寬。

這就意味著，能夠同時並行處理更多佇列的主控將使SSD擁有更快的速度。以三星剛剛釋出的980 PRO為例，它所搭載的是三星自家全新的Elpis主控。

官方表示這款主控可同時處理128個I/O佇列，比起前代970 EVO Plus的Phoenix主控足足提高了四倍。

一個佇列可以包含64000個命令集，這意味著總共128個佇列可以處理超過800萬個命令。

為了在不損害功率效率的情況下滿足現代使用者對高效能的需求，基於極其精細的8nm工藝打造，三星用料很足。不少採用同樣品質顆粒的SSD往往就是輸在沒有足夠強大的控制器上。

快閃記憶體：承載資料的基礎

固態硬碟使用的NAND快閃記憶體顆粒主要有SLC、MLC、TLC、QLC以及3D?NAND(多層數儲存)。

作為新興快閃記憶體型別的3D?NAND擁有更強的儲存效能，它能在單位面積堆疊更多的儲存單元，在降低每bit成本上很有優勢。

從目前的市場反應來看，不少消費者談“TLC”色變。實際上，受到種種因素的限制，未來將會有更多的產品採用TLC甚至QLC顆粒。

要知道三星直到去年還在使用MLC顆粒做SSD，是時業界TLC顆粒的產品早已鋪開。

相較於SLC以及MLC，TLC飽受詬病的方面大都集中於它的讀寫壽命大大縮短。

根據三星關於NVMe SSD使用者的統計資料，有99%的使用者寫入少於156 TBW，有99.7%的使用者寫入少於600 TB，都低於目前保證的1TB三星3bit MLC SSD耐用性標準。

全新的V-NAND技術和糾錯碼(ECC)技術的進步也使該類NAND的耐用性更好。

三星第六代V-NAND的資料傳輸速度比上一代更快。獨有的“通道孔蝕刻”技術使新型V-NAND實現了由100多個層組成的導電晶片堆疊，比前代9x層單堆疊結構增加了大約40%的單元。

同樣的，越來越多TLC顆粒固態硬碟的上市也意味著MLC顆粒逐漸告別消費級固態硬碟市場，這也恰恰是消費級高效能固態硬碟產品的發展趨勢。

小結

控制器、快閃記憶體、協定以及介面，這四個要素是制約著一塊SSD效能發揮的最重要的四點了，消費者們在選購SSD產品時也一定要著重關注有關這幾個方面的引數，同時也要明確，在儲存裝置這個門類，的確是大牌更值得信賴。

因為他們都有自家的主控晶片、原廠顆粒等優勢，在產品的品質方面更有保證。

消費者們需要多多考慮一下產品的主控、快閃記憶體顆粒，以及支援的協定與介面方面。

當然，更新對應的配套設施也同樣重要，只有協定、介面相匹配，才能夠實現讀寫速度的最大發揮。