為什麼固態硬碟要採用PCI-E介面
計算機發展至今已60年有餘, 隨著人們對存儲速度要求的不斷提升, 存儲介質從最初的打孔卡到現在的SSD, 發生了翻天覆地的變化. 現如今越來越多的中高端SSD開始選擇PCI-E介面來進行SSD與主板的對接, 以提升讀寫速度.
作為一名普通用戶, 我們應該選擇高端的PCI-E SSD還是SATA SSD? 二者有何區別? 所以在本篇文章中筆者將詳細介紹PCI-E通道 SSD與PCI-E通道固態硬碟的優劣, 讓大家在裝機選擇SSD時做到心中有數, 按需購買.
為什麼要採用PCI-E通道?
那麼為什麼固態硬碟要捨棄SATA 3.0介面而要採用PCI-E介面呢? 我們先來了解一下兩種介面硬碟的工作原理:
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記憶體, 再將數據提取至CPU內部進行計算, 計算後寫入記憶體, 存儲至硬碟中; PCI-E就不一樣了, 數據直接通過匯流排與CPU直連, 接近最大的傳輸速度, 最大的數據量, 省去了記憶體調用硬碟的過程.
簡單的說, 我們可以把兩種通道理解成兩輛相同的汽車, PCI-E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 , 你說哪個速度快?
不同介面固態硬碟速度表
從上圖中我們可以看到, 目前主流的SATA 3.0通道的最大傳輸速度為6Gbps, 實際速度最大為560MB/s, SATA通道已經無法滿足固態硬碟日益增長的讀寫速度, 所以PCI-E固態硬碟應運而生.
但是有些讀者可能有疑問, 為什麼我的固態硬碟是M.2介面的, 但是速度並不快呢?
M.2最初叫做NGFF, 全名是Next Generation Form Factor. 這個介面很特殊, 同時支援SATA和PCI-E兩個通道, 很容易讓人誤解.
其實並不是所有的M.2固態硬碟讀寫速度都很快, 如果是採用SATA通道的M.2介面固態硬碟, 讀寫速度不會超過550MB/s. 還
要注意的是, 主板廠商的M.2介面有的選擇了CPU原生的PCI-E通道, 有的是通過PCH南橋擴展出來的, 這可能對固態硬碟的速度產生影響.
2PCI-E協議與速度優勢
AHCI與NVMe協議
說完介面, 我們再來聊兩種固態硬碟的協議. 就好像IDE總要走到頭, AHCI似乎也出現了瓶頸.
現在所用的SATA介面與AHCI標準其實是為高延時的機械硬碟而設計的, 目前主流固態硬碟依然繼續使用它們, 早期固態硬碟性能不高時可能還不覺得有什麼問題, 但是隨著固態硬碟的性能逐漸增強, 這些標準已經成為限制固態硬碟的一大瓶頸, 專為機械硬碟而設計的AHCI標準並不太適合低延時的固態硬碟.
圖片來自互聯網
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, 但是介面並不允許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閑置50ms後可以迅速切換到能耗狀態1, 在500ms閑置後又會進入能耗更低的狀態.
雖然切換能耗狀態會產生短暫延遲, 但閑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介面固態硬碟也擁有較大優勢.
速度對比
下面我們看一下兩種固態硬碟速度對比:
左圖為SATA固態硬碟, 右圖為PCI-E固態硬碟
兩者的AS SSD跑分速度差距明顯, 無論是連續讀寫, 還是4K測試, PCI-E固態硬碟都遠遠領先SATA固態硬碟, 綜合得分PCI-E固態硬碟高出SATA固態硬碟三倍有餘.
普通用戶裝機時應該如何選擇
說了這麼多, 有些讀者可能有些迷糊, 為了幫助大家理解, 筆者將各種介面以及速度對比繪製成表格, 這樣就可以一目瞭然.
不同介面固態硬碟協議
選購建議:
看到這你可能會發現PCI-E有很多好處, 但並不是每個人都適合購買. 因為PCI-E SSD快閃記憶體顆粒和主控的原因, PCI-E的SSD價格都非常昂貴.
比如512GB SATA協議的SSD價格在800元左右, 而同樣容量的PCI-E協議的SSD售價卻高達2000元.
並且PCI-E會佔用匯流排通道, 入門以及中端平台CPU通道數較少, 都不太適合添加PCI-E固態硬碟, 只有Z270, 或者X99這樣的旗艦級平台, 才能充分發揮PCI-E固態硬碟的性能.
