固態硬盤接口詳解：SATA、mSATA、M.2、M.2(NVMe)、PCIE

固態驅動器（Solid State Drive），俗稱固態硬盤，固態硬盤是用固態電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，因為臺灣英語里把固體電容稱之為Solid而得名。SSD由控制單元和存儲單元（FLASH芯片、DRAM芯片）組成。固態硬盤在接口的規范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的完全相同，在產品外形和尺寸上也完全與普通硬盤一致。被廣泛應用于軍事、車載、工控、視頻監控、網絡監控、網絡終端、電力、醫療、航空、導航設備等諸多領域。

其芯片的工作溫度范圍很寬，商規產品（0~70℃）工規產品（-40~85℃）。雖然成本較高，但也正在逐漸普及到DIY市場。由于固態硬盤技術與傳統硬盤技術不同，所以產生了不少新興的存儲器廠商。廠商只需購買NAND存儲器，再配合適當的控制芯片，就可以制造固態硬盤了。新一代的固態硬盤普遍采用SATA-2接口、SATA-3接口、SAS接口、MSATA接口、PCI-E接口、NGFF接口、CFast接口、SFF-8639接口和M.2 NVME/SATA協議。

目前固態硬盤的主要接口有：

作為目前應用最多的硬盤接口，SATA 3.0接口最大的優勢就是成熟。普通2.5英寸SSD以及HDD硬盤都使用這種接口，理論傳輸帶寬6Gbps，雖然比起新接口的10Gbps甚至32Gbps帶寬差多了，但普通2.5英寸SSD也沒這么高的需求，500MB/s多的讀寫速度也夠用。

mSATA接口，全稱迷你版SATA接口（mini-SATA），是早期為了更適應于超級本這類超薄設備的使用環境，針對便攜設備開發的mSATA接口應運而生?？梢园阉醋鳂藴蔛ATA接口的mini版，而在物理接口上（也就是接口類型）是跟mini PCI-E接口是一樣的。

mSATA接口是SSD小型化的一個重要過程，不過mSATA依然沒有擺脫SATA接口的一些缺陷，比如依然是SATA通道，速度也還是6Gbps。諸多原因沒能讓mSATA接口火起來，反而被更具升級潛力的M.2 SSD所取代。

M.2接口是Intel推出的一種替代mSATA的新的接口規范，也就是我們以前經常提到的NGFF，即Next Generation Form Factor。

M.2接口的固態硬盤寬度22mm，單面厚度2.75mm，雙面閃存布局也不過3.85mm厚，但M.2具有豐富的可擴展性，最長可以做到110mm，可以提高SSD容量。M.2 SSD與mSATA類似,也是不帶金屬外殼的，常見的規格有主要有2242、2260、2280三種，寬度都為22mm，長度則各不相同。

不僅僅是長度，M.2的接口也有兩種不同的規格，分別是“socket2”和”socket3”。

看似都是M.2接口，但其支持的協議不同，對其速度的影響可以說是千差萬別，M.2接口目前支持兩種通道總線，一個是SATA總線，一個是PCI-E總線。當然，SATA通道由于理論帶寬的限制（6Gb/s）,極限傳輸速度也只能到600MB/s，但PCI-E通道就不一樣了，帶寬可以達到10Gb/s，所以看似都為M.2接口，但走的“道兒”不一樣，速度自然也就有了差別。

M.2接口走SATA通道的速率

M.2接口走PCIE通道的速率

NVM Express（NVMe），或稱非易失性內存主機控制器接口規范(Non-Volatile Memory express),是一個邏輯設備接口規范。他是與AHCI類似的、基于設備邏輯接口的總線傳輸協議規范（相當于通訊協議中的應用層），用于訪問通過PCI-Express（PCIe）總線附加的非易失性內存介質，雖然理論上不一定要求 PCIe 總線協議。

此規范目的在于充分利用PCI-E通道的低延時以及并行性，還有當代處理器、平臺與應用的并行性，在可控制的存儲成本下，極大的提升固態硬盤的讀寫性能，降低由于AHCI接口帶來的高延時，徹底解放SATA時代固態硬盤的極致性能。

NVMe具體優勢包括：

（1）延時更低

說到NVMe標準對比AHCI標準的優勢，其中之一就是低延時。因為AHCI標準本身就是為高延遲的機械硬盤而設，雖然SSD發展至今，主流產品已經開始不能滿足性能的高速發展，特別是在延遲方面。而面向SSD產品的NVMe標準，降低存儲時出現的高延遲，就是其要解決的問題之一。

NVMe SSD可有效降低延遲

(圖片來自網絡)

在軟件層方面，NVMe標準的延時只有AHCI的一半不到，NVMe精簡了調用方式，執行命令時不需要讀取寄存器;而AHCI每條命令則需要讀取4次寄存器，一共會消耗8000次CPU循環，從而造成大概2.5微秒的延遲。

（2）IOPS大增

NVMe的另一個重點則是提高SSD的IOPS(每秒讀寫次數)性能。目前市面上性能不錯的SATA接口SSD，最多只會測試到隊列深度為32的IOPS能力，其實終究原因這是AHCI的上限，其實許多閃存主控可以提供更好的隊列深度。而NVMe則可以把最大隊列深度從32提升到64000，SSD的IOPS能力也會得到大幅提升。

隊列深度的大幅提升

(圖片來自網絡)

低延時和良好的并行性的優勢就是可以讓SSD的隨機性能得到大幅度提升，這是950PRO系列SSD的現場跑分，它的隨機性能表現絕對是一流的，在任何隊列深度下都能發揮出極佳的速度。

（3）功耗更低

更先進的能耗管理

(圖片來自網絡)

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后可以迅速切換到能耗狀態1，在500ms閑置后又會進入能耗更低的狀態2。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接口SSD擁有較大優勢，這一點對增加筆記本電腦等移動設備的續航尤其有幫助。

（4）驅動適用性廣

主流操作系統逐漸開始支持NVMe

(圖片來自網絡)

NVMe標準的出現解決了不同PCIe SSD之間的驅動適用性問題，NVMe SSD可以很方便的匹配不同的平臺、系統，無需廠家提供相應的驅動就可以正常工作，目前Windows、Linux、Solaris、Unix、VMware、UEFI等都加入了對NVMe SSD的支持。

在傳統SATA硬盤中，當我們進行數據操作時，數據會先從硬盤讀取到內存，再將數據提取至CPU內部進行計算，計算后寫入內存，存儲至硬盤中；而PCI-E就不一樣了，數據直接通過總線與CPU直連，省去了內存調用硬盤的過程，傳輸效率與速度都成倍提升。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。很顯然，PCI-E SSD傳輸速度遠遠大于SATA SSD。

目前PCI-E接口通道有PCI-E 2.0 x2及PCI-E 3.0 x4兩種，最大速度達到32Gbps，可以滿足未來一段時間的使用，而且早期PCI-E硬盤不能做啟動盤的問題早解決，現在旗艦級SSD大多會選擇PCI-E接口。

雖然PCI-E SSD有諸多好處，但也不是每個人都適合。PCI-E SSD由于閃存顆粒和主控品質問題，總體成本較高，相比傳統SATA固態硬盤價格貴一些。另外，由于PCI-E會占用總線通道，入門以及中端平臺CPU通道數較少，都不太適合添加PCI-E SSD，只有Z170，或者是X79、X99這樣頂級平臺，才可以完全發揮PCI-E SSD的性能?？偟膩碚f，如果你是一個不差錢的土豪，那么就 PCI-E SSD吧！

好了，帶客官看過這么多固態硬盤的接口，相信這篇文章也一定能讓你學到不少的知識。對于固態硬盤又多了更多的了解，希望可以幫助到大家。

本文為CSDN博主「shuai0845」的原創文章

 

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