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闪存硬盘接口大比拼

取代IDE并行接口之后,SATA串行接口就一直在不紧不慢地提速,1.5Gbps、3Gbps、6Gbps……面对机械硬盘,这一切都绰绰有余,但是这几年固态硬盘突飞猛进,SATA接口完全吃不消了。新的接口不断被提出来,mSATA,SATA Express,M.2,U.2等等。我们一起来看看他们都是什么,各有什么优缺点。

SATA

随着PC总线串行化趋势,硬盘总线从IDE进步到SATA I后,历经SATA II和SATA III,速度稳步提高:

看起来形式一片大好。与此同时引入了NAND Flash的SSD硬盘以其高速稳定的特性,慢慢得到了越来越广泛的使用。巨大的需求催动着SSD厂商不断提高硬盘速度,终于在SATA III的时候SATA的带宽已经成为制约数据传输的瓶颈。例如NAND ONFI (Open NAND Flash Interface Working Group) 3.0 的单通道接口速度达到400MB/s,而高端主控可以做到8通道,400 × 8 = 3.2GB/s(仅仅是理论带宽),大大超过SATA III的6Gbps的理论带宽。业界开始企图借鉴SAS 12Gbps,然而由于种种原因,在这条路径遇到了巨大的阻力,加上即使成功也会立刻面临带宽不足的窘境,不得不另做他图。SATA IO组织将目光关注到了成熟的PCIe上。 同时SATA巨大的接口也与PC小型化背道而驰:

业界开始在不同的维度寻找替代方案。

SATA Express

SATA Express可以简写为SATAe,在2013年随着SATA 3.2规范被公布。它是一个将SATA、PCI-E信号综合在一个接口内的规范,因此它完全兼容现有SATA设备、数据线,唯一的不同就是它可以连接PCIe固态硬盘。SATAe可以使用两个PCIe的Lane。这在现在看起来似乎有些令人失望,毕竟三星 950 Pro等性能怪兽早超过了2GB/s,但是在2013年这还是个不错的选择。在2014年随着Intel Z97/H97芯片组的上市,SATAe设备开始进入了普通用户的视野。在Z97芯片组中,SATAe控制器占据PCH的两个PCIe Gen2的lane,带宽有1GB/s,作为起步产品,大大缓解了当时SATA III对SSD硬盘速度的限制,并为以后留下了足够的发展空间。

为了保证与SATA的兼容,SATAe同时支持老的SATA AHCI和新的NVMe标准,如下图:

同时为了兼容老的SATA接口,SATAe接口经过特殊设计,可以同时支持老的SATA硬盘,我们一起来看几个SATAe接口图片:

接口看起来很奇怪不是吗?接口实际上它是两个SATA数据接口+一个PCIe ×2lane组成,同时还不支持供电!

这是妥协的结果,这样老的SATA硬盘可以继续发挥余热,新的SATAe硬盘在不支持NVMe时还可以选择走老的AHCI主控(host)。PC世界的古老经验告诉我们,想要一步到位进行激烈的变革往往会被市场所淘汰,传统和已有的投资都驱动客户选择保守的方案。SATAe接口这种渐进的策略现在看起来似乎是个好主意了,然而如果读者你说你从来没有看到过这种硬盘,我一点也不惊讶。SATAe接口推广极其缓慢,这和它的孪生兄弟M.2关系密切。

M.2

M.2,正式名字是NGFF(Next Generation Form Factor)。它设计的初衷是替代mSATA/MiniPCIe(已淘汰,这里略过)。它们有时候看起来很像,我们把它们放到一起比较一下:

注意金手指大小和宽度。M.2实际上是一种SATAe的一种特殊形式,它也同时支持AHCI和NVMe两种协议栈,并和SATAe一起在Z97/H97芯片组上市时得到支持。开始的NGFF(想一想,这里为什么不写M.2?)和SATAe一样,只占据PCIe Gen2的两个lane,带宽是1GB/s,在后代芯片组中扩展为占据PCIe Gen3的4个lane,带宽是4GB/s。Intel开始对其的定位是面向笔记本电脑和嵌入式设备等空间狭小的设备,然而市场却给出了不同的答案,M.2同时在笔记本和台式机市场上受到热捧。台式机上不是SATAe一统江湖,而是很多采用SATA+M.2的奇怪搭配。

市场总是正确的,是时候放弃SATAe了,当然也不能退回去选择SATA,于是它的继任者U.2来了。

U.2

U.2,也叫做SFF-8639,它和M.2一样脱离了SATAe的2个lane的限制,一开始就是4个lane,也是4GB/s。它和M.2很大的不同就是脱离了M.2小身板的限制,可以做出容量更大的SSD硬盘:

于此同时U.2的设备端接口融合了SATA及SAS接口的特点,中间用针脚填满了SATA接口留下的空缺,并预留了L型防呆设计,所以可以兼容SATA、SAS及SATA E规范,保证了向后兼容性。现在唯一缺憾是市面上支持它的主板很少,如果读者想要体会它的速度,可以用U.2转M.2转接板。

结语

1. 经常有朋友问我如何提高电脑的性能,其实在很多时候硬盘对整体的启动和响应速度影响巨大,我的建议总是启动盘立刻淘汰机械硬盘(仅仅做为数据仓库),至少换成SATA接口的SSD,在资金还有余量的情况下还应该选择支持NVMe的M.2或者U.2接口硬盘。

2. M.2的SSD鱼龙混杂,接口的兼容性导致AHCI主控和NVMe主控都有市场空间,主板上虽有M.2的接口但不一定支持NVMe。读者在选购时要仔细甄别,同时检查SSD和主板对NVMe的支持程度。

3. Intel和不少供应商推出大容量PCIe板卡形式的SSD,如750系列,使用NVMe主控,容量将近1.5TB,不过价格也是相当“喜人”。

4. 三星950 pro和Intel的傲腾读取速度已经接近M.2的理论带宽4GB/s情况下,硬盘接口向何处去呢?实际上PCIe Gen4将在今年年底前公布,届时4个lane的带宽可以达到8GB/s!而在青黄不接的时候,有厂家将SSD存储作成PCIe ×16 lane的板卡,可以大大缓解带宽紧张的问题。

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