平面螢幕電腦顯示器放置在桌上,顯示 a KC2500 和 KC600

NVMe 與 SATA 的對照:有什麼差別?

如果講到卓越的儲存裝置技術,NVMe 可以說是獨樹一幟。即使只有驚鴻一瞥,NVMe 和 SATA 在效能上的差異也令人印象深刻。NVMe 和 SATA 之間的通訊驅動程式和介面完全不同,因為 SATA 使用的是專為採用轉動型技術的硬碟 (HDD) 設計的 AHCI 驅動程式,而 NVMe 驅動程式是專門為採用快閃技術的 SSD 所設計。此外,NVMe 能夠利用 PCIe 插槽在儲存裝置介面和系統 CPU 之間進行通訊,進而發揮更大的作用。如果將兩者的比較以體育賽事來形容,那就像是將一級方程式賽車與超級房車賽進行比較。

乍看之下,雖然它們的速度都很快,但是比較這兩種類型的固態硬碟將可突顯它們的區別。在評估自己的需求時,值得瞭解一下它們的差異。

SATA SSD

筆記型電腦中的 A 2.5 吋 SATA SSD

序列 ATA (SATA) 技術在 2000 年推出,這項技術的推出改善了受限於電線尺寸、成本、效能與功能等因素的現有並列 ATA 技術。這兩種技術對於硬碟 (HDD) 而言已經足夠,但是遠遠無法應付今日的固態硬碟 (SSD)。SATA 型 SSD 固態硬碟的出現表示 ATA 匯流排已經到達效能的極限。HDD 僅能達成達成 50-120 MB/s 的寫入效能,而 SSD 固態硬碟在 550 MB/s 的速度使 SATA 匯流排飽和。
儘管存在有匯流排的限制,但使用 SATA 型 SSD 固態硬碟來取代傳統 HDD 技術時,整體系統效能會有 10 到 15 倍的提升。

AHCI

進階主機控制器介面 (Advanced Host Controller Interface,AHCI) 是一種大約在 2004 年設計出來的通訊模式,旨在改善 SATA 連接的儲存裝置的效能和利用率。此介面是為 HDD 所設計,並引入了單一儲存要求佇列,最多可儲存 32 個命令。這表示 HDD 可以達成更高的產量和效能,但日後將成為 SSD 控制器技術的瓶頸。舉例來說,HDD 能夠達成高達 200 次的每秒輸入/輸出 (IOPS),而 SATA 型 SSD 固態硬碟可以達到高達 100,000 次 IOPS,並且可以透過 SATA 匯流排以人為方式限制效能。

NVMe SSD

PC 上安裝有 Kingston NVMe SSD 固態硬碟

非揮發性記憶體通訊協定 (NVMe) 技術在 2011 年推出,推出後順利解決了 SATA 介面以及通訊協定所遇到的各種瓶頸。NVMe 技術運用 PCIe 匯流排而非 SATA 匯流排,以開啟儲存設備可能需要的龐大頻寬。PCIe 4.0 (目前版本) 提供高達 32 通道,在理論上可以傳輸高達 64,000MB/s 的資料,相比之下,SATA III 因為規格限制只能傳輸 600MB/s。NVMe 規格也可允許 65535 個命令佇列數,表示每個佇列最多可以有 65536 個命令。請回想一下,SATA 型 SSD 固態硬碟受到單一佇列的限制,每個佇列最多只能儲存32 個命令。NVMe 技術透過提升一系列廣泛系統的效率、效能和相互操作性,為儲存設備創造了巨大的潛力。人們普遍認為該技術將成為新的產業標準。

SSD 尺寸規格

儘管 HDD 通常的寬度是 2.5 或 3.5 吋,同時大部分的 SATA 型 SSD 固態硬碟是 2.5 吋寬和 7mm 厚,但是 NVMe 硬碟採用一些新型的尺寸規格,因此能適用各種設備。

  • • M.2 — M.2 尺寸規格在實體硬碟尺寸的減少,可確保這些儲存設備在未來普及。22 指的是寬度,而 30/42/80/110 指的是長度 (單位是毫米)。目前而言,M.2 2280 可支援 SATA,同時也是 NVMe 最常見的 NVMe SSD 尺寸規格。隨著技術的改良與縮小,這些數據有可能會變動。
  • U.2 — 這些儲存設備通常成本較為昂貴,效能更高且更耐用,通常用在資料中心/企業儲存環境。
  • 添加式 PCIe 卡 — 這些高效能的 NVMe SSD 固態硬碟會設法進入尚未採用插槽的系統,以容納 M.2 尺寸規格。

SSD 固態硬碟效能一覽

在設計 NVMe 儲存裝置協定時,特別將 SSD 納入考量。在排除中間的 SATA HBA 層級之後,NVMe 可允許 SSD 固態硬碟透過 PCIe 匯流排直接與 CPU 進行通訊,為提升突破性效能開啟一扇門。以整體來看,SATA III 匯流排的效能限制是 6Gb/s,這意味 SATA SSD 固態硬碟在間接費用後最多可以提供 550Mb/s 的處理量。單一 PCIe 3.0 通道可以提供 1GB/s (雙向) 的處理量,因此 PCIe 3x4 SSD 固態硬碟最多可以達成 4GB/s 讀取/寫入的處理量。PCIe Gen 4X4 SSD 固態硬碟最多可以達到 8GB/s (雙向)。此處的效能限制已經從協定轉移到近年來已經獲得巨大發展的 NAND 媒體,故製造商能將最高密度和效能壓縮成最小的尺寸規格。

由於縮短以及優化的資料路徑能夠比 SATA/SAS 減少更多延遲,因此協定延遲也可藉由 NVMe 大幅減少。由於 I/O 處理門鈴訊號時可以大幅減少 CPU 成本,因此 CPU 在 NVMe 裝置的佇列管理的處理方面也可以更有效率。此外,由於在過去十年中已進行大量的開發工作,因此 NVMe 裝置也受到多數主要作業系統的支援。

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