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SSD硬盘接口: SATA、mSATA 、PCIe、M.2和U.2

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发表于 2020-1-9 09:51:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
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      SSD固态硬盘,彻底打破了温彻斯特结构的机械硬盘多年来在电脑硬件领域的统治。SSD数倍于HDD机械硬盘的传输性能,让普通用户和发烧玩家的体验均成倍提升。
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      在这场存储革命中,为了实现更快的速度、更多的使用环境、更好的体验,SSD的接口也在不断进化革新,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,那么,下面笔者就重点介绍下这四种常见的接口。

part two

     SATA接口
     作为目前应用最多的硬盘接口,SATA 3.0接口最大的优势就是成熟。普通2.5英寸SSD以及HDD硬盘都使用这种接口,理论传输带宽6Gbps,虽然比起新接口的10Gbps及32Gbps带宽有一定的差距,但普通2.5英寸SSD可以满足大多数用户的日常应用需求,500MB/s左右的读写速度也够用。而对于100MB/s左右读写速度HDD机械硬盘上,6Gbps带宽还远远谈不上瓶颈,只能埋怨HDD硬盘发展太慢,存储速度一直没有质变。

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虽然SATA 3.0接口规格已经推出有一段时间,但“廉颇岁老,尚善饭否”。大多数用户对SSD性能的要求谈不上极端苛刻,而且还要考虑选购时的性价比因素,因此SATA 3.0接口在很长一段时间内都将是主流大众的选择。

part three

      PCIe接口
      在传统SATA硬盘中,当我们进行数据操作时,数据会先从硬盘读取到内存,再将数据提取至CPU内部进行计算,计算后再反馈给内存,最后写入至硬盘中;而PCIe接口就不一样了,数据直接通过总线与CPU直连,省去了内存调用硬盘的过程,传输效率与速度都成倍提升。简单的说,我们可以把两种通道理解成两辆相同的汽车,PCIe通道的汽车就像是在高速上行驶,而SATA通道的汽车就像是在崎岖山路上行驶。很显然,PCIe SSD的传输速度会远大于SATA SSD。
HyperX Predator PCIe SSD是众多PCIe接口SSD中的佼佼者,它采用PCI-E 2.0x4接口,半高式设计,主控为Marvell 88SS9293,读取速度和写入速度分别达到了1400MB/s和1000MB/s,是HyperX高端固态硬盘产品中速度最快的产品,读写速度也远超SATA接口的SSD产品。

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虽然PCIe SSD有诸多好处,但也不是每个人都适合。PCIe SSD由于闪存颗粒和主控品质极高,总体成本也相对较高,相比传统SATA接口固态硬盘的售价要贵一些。另外,由于PCIe会占用总线通道,入门以及中端平台CPU通道数较少,也不太适合使用PCIe SSD。

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只有配合Z170、X99这样顶级平台,才可以完全发挥PCIe SSD的性能。总的来说,如果你是在组装专业工作室用机,或是骨灰发烧级玩家,亦或是一个不差钱的土豪,那么HyperX Predator PCIe SSD是决对正确的选择!

part four

      M.2接口
      M.2接口,是Intel推出的一种替代mSATA新的接口规范。其实,对于桌面台式机用户来讲,SATA接口已经足以满足大部分用户的需求了,不过考虑到超极本用户的存储需求,Intel才急切的推出了这种新的接口标准。虽然,我们在华硕、技嘉、微星等发布的新的9系列主板上都看到了这种新的M.2接口,现已普及。

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与mSATA相比,M.2主要有两个方面的优势。第一是速度方面的优势。M.2接口有两种类型:Socket 2(B key——ngff)和Socket 3(M key——nvme),其中Socket2支持SATA、PCI-E X2接口,而如果采用PCI-E ×2接口标准,最大的读取速度可以达到700MB/s,写入也能达到550MB/s。而其中的Socket 3可支持PCI-E ×4接口,理论带宽可达4GB/s。
第二个是体积方面的优势。虽然,mSATA的固态硬盘体积已经足够小了,但相比M.2接口的固态硬盘,mSATA仍然没有任何优势可言。M.2标准的SSD同mSATA一样可以进行单面NAND闪存颗粒的布置,也可以进行双面布置,其中单面布置的总厚度仅有2.75mm,而双面布置的厚度也仅为3.85mm。
而mSATA在体积上的劣势就明显的多,51mm *30mm的尺寸让mSATA在面积上不占优势,而4.85mm的单面布置厚度跟M.2比起来也显得厚了太多。另外,即使在大小相同的情况下,M.2也可以提供更高的存储容量
M.2接口,最初叫做NGFF(Next Generation Form Factor),宽度22mm,单面厚度2.75mm,双面闪存布局也不过3.85mm厚。M.2接口产品有丰富的可扩展性,最长可以做到110mm,可以提高SSD容量。此外,M.2接口可以同时支持SATA及PCI-E通道,后者更容易提高带宽,如果是采用SATA通道的M.2接口固态硬盘,则读写速度在550MB/s左右。

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其实前面介绍的HyperX Predator PCIe SSD产品本身拥有双重接口,从PCIe转接卡中取下,即可转换为M.2接口的SSD,并且读取速度和写入速度同样可以达到1400MB/s和1000MB/s。

part five

      AHCI相关知识:
      AHCI,是在Intel的指导下,由多家公司联合研发的接口标准,它允许存储驱动程序启用高级串行ATA功能。我们在使用SATA SSD的时候,一定要在主板设置中开启AHCI模式。
NVMe协议不同于AHCI,利用PCI-E通道的低延时以及并行性,可将性能大幅提升。如三星960EVO最高速度达到3000MB/5.
NVMe协议的诞生就是为了从传输协议出发,进一步提升SSD的实际读写性能,提高产品传输效率。
NVMe的一大优势就是低延迟。这主要是因为流线型的存储堆栈,NVMe无需读取寄存器就可以发出命令。AHCI的每个命令都需要读取4个不可缓存寄存器,从而导致大约2.5μs的额外延迟。低延时和良好的并行性的优势就是可以让SSD的随机性能得到大幅度提升,在任何队列深度下都能发挥出极佳的速度。
NVMe对固态硬盘的IOPS性能提升也比较大。因为在制定AHCI规范时,并行性的想法没有完全加入到规范内,利用NCQ功能可以对传输能力进行优化,但是接口并不允许SSD真正最大限度地发挥其应有的并行性。
此外,对于移动设备用户来言,使用NVMe存储设备可以对电池续行起到很大帮助。NVMe加入了自动功耗状态切换和动态能耗管理功能,设备从能耗状态0闲置50ms后可以迅速切换到能耗状态1,在500ms闲置后又会进入能耗更低的状态2。虽然切换能耗状态会产生短暂延迟,但闲置时这两种状态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接口固态硬盘也拥有较大优势。

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上面两款都是M.2接口,如何分辨出哪个是PCI-E SSD哪个是SATA SSD?在弄清楚这个问题之前,我们先来解答几个常见问题。
1、同是M.2接口,为什么会有PCI-E和SATA之分?
这是因为两者所走的通道不同,M.2有两种接口定义:Socket 2和Socket 3。Socket 2支持SATA、PCI-EX2通道的SSD,Socket 3专为高性能存储设计,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,有的仅持PCI-E通道,其规格说明里关于M.2的描述有标明。而有的则兼容SATA和PCI-E两种通道。所以如果您想购买 M.2 SSD,先要清楚了解自己的主板上的M.2接口是支持哪种通道的。
3、什么决定M.2 SSD所走的通道?
主控决定了接入M.2接口的SSD是走PCI-E通道还是SATA通道。例如HyperX Predator SSD的主控是Marvell 88SS9293主控,这是一款PCI-E控制器,而金士顿G2系列 M.2 2280 SSD采用的是SATA控制器。
4、性能差别有多大呢?
走的通道不一样,速度自然有差别。SATA3.0通道的理论带宽是6Gb/s.理论极限传输速度600MB/s,所以跟市面所有的SATA接口SSD一样,金士顿G2系列 M.2 2280 SSD的最高读取速度不超过600MB/s,而主板M.2接口走PCI-E通道传输通道带宽为10Gb/s。HyperX Predator SSD的连续读写达到1400MB/s和1000MB/s,完全超过了SATA3.0的极限传输速度。

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part six

      mSATA 接口
      早期,为了更适应于超极本这类超薄设备的使用环境,针对便携设备开发的mSATA(mini SATA)接口应运而生。你可以把它看作标准SATA接口的mini版,物理接口跟mini PCIe接口一样。
mSATA接口是SSD小型化的一个重要过程,不过mSATA依然没有摆脱SATA接口依然是SATA通道,速度是6Gbps。诸多原因没能让mSATA 接口火起来,反而被更具升级潜力的M.2 SSD所取代。

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在计算机发展的这60年中,从最初的打孔卡记录到今天的高性能SSD,存储介质发生了翻天覆地的变化。近几年SSD更是发展迅速,从接口形态的进化可窥探一二。目前拥有SATA、mSATA、M.2、PCIe等接口,在各种平台设备都有所运用。

      part three

      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迟低功耗,支持NVMe标准协议,并且走的是PCI-E 3.0 x4通道,理论传输速度高达32Gbps,SATA只有6Gbps,比SATA快了足足5倍。

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U.2也一样乘着NVMe技术的东风,从服务器、企业级硬盘开始走入消费类硬盘,但过程异常缓慢。虽然U.2比M.2更具备散热和容量的优势,也不会像PCI-E SSD一样占用主板插槽,但是普及率并不高。

U.2接口其实已经出现了很多年,但一直都只有HGST Ultrastar SN100、OCZ Z-Drive 6000等几款企业级产品。消费级市场更是Intel一家独大,最为常见的U.2 SSD就是Intel 750系列。但国产存储品牌不开始不断推出U.2 SSD,这对于U.2 SSD的普及算是个利好的消息。
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