桌上一台计算机纯平显示器显示  KC2500 和 KC600

NVMe 与 SATA:区别是什么?

谈到出众的存储技术,NVMe 可谓独领风骚。看一眼,就会发现 NVMe 与 SATA 之间存在惊人的性能差别。NVMe 与 SATA 各自采用的通信驱动程序和接口完全不同,其中 SATA 采用的 AHCI 驱动程序是为采用旋转技术的机械硬盘设计的,而 NVMe 驱动程序专为采用闪存技术的固态硬盘设计。此外,NVMe 能够利用 PCIe 插槽,在存储接口与系统 CPU 之间进行通信,从而实现更高利用率。如果把这种对比关系看作运动赛事,就如同在比较 F1 比赛与超级房车赛。

乍看之下,两者速度都快,但对这两类固态硬盘做一番比较,就能发现差距所在。当您评估自己的需求、欲求和要求时,有必要了解这两者的差别。

SATA 固态硬盘

笔记本电脑中的 2.5 英寸 SATA 固态硬盘

串行 ATA (SATA) 技术在 2000 年推出,对当时的并行 ATA 技术进行了改进。PATA 在电缆尺寸、成本、性能和功能存在局限性。这两项技术足够机械硬盘 (HDD) 使用,机械硬盘的表现远远落后于今天的固态硬盘 (SSD)。后来出现基于 SATA 的固态硬盘,证明了 ATA 总线已达到性能极限。机械硬盘只能实现 50-120 MB/秒的写入速度,而固态硬盘能达到 550 MB/秒的 SATA 总线极限值。尽管存在总线限制,使用基于 SATA 的固态硬盘替代旧机械硬盘技术,整体系统性能通常会提升 10 至 15 倍。

AHCI

高级主机控制器接口 (AHCI) 是在 2004 年前后推出的一种通信模式,用于改善由 SATA 连接的存储设备的性能和利用率。它专为机械硬盘设计,并引入一个存储请求队列,深度最高达到 32 条命令。这意味着机械硬盘可以实现更高的吞吐率和性能,但这种实现会成为未来固态硬盘控制器技术的瓶颈。例如,机械硬盘或许能够实现每秒 200 次输入/输出操作 (IOPS),而基于 SATA 的固态硬盘高达 100,000 IOPS,其性能受到 SATA 总线的限制。

NVMe 固态硬盘

安装在 PC 中的金士顿 NVMe 固态硬盘

Non-Volatile Memory Express (NVMe) 技术在 2011 年推出,消除了 SATA 接口和通信协议的各种瓶颈。NVMe 技术利用 PCIe 总线,而不是 SATA 总线,可为存储设备释放巨大的带宽潜能。PCIe 4.0(最新版本)提供多达 32 个通道,理论上数据传输速度高达 64,000MB/秒,而 SATA III 规范最高为 600MB/秒。NVMe 规范还支持 65535 个命令队列,每个队列包含多达 65536 条命令。不要忘记,基于 SATA 的固态硬盘仅有一个队列,每个队列的深度仅为 32条命令。凭借更高的效率、性能以及在众多系统上的互操作性,NVMe 技术为存储设备创造了巨大潜力。人们普遍认为,这项技术将成为新的行业标准。

固态硬盘外形尺寸

机械硬盘通常宽 2.5 或 3.5 英寸,多数基于 SATA 的固态硬盘宽 2.5 英寸、厚 7 毫米,而 NVMe 固态硬盘支持多种新的外形尺寸,可以安装到各种不同的设备上。

  • M.2 - 采用 M.2 外形尺寸的物理硬盘更小巧,这将确保这类存储设备在未来得到普及。22 是指宽度,30/42/80/110 是指长度,单位均为毫米。目前,M.2 2280 支持 SATA,也是面向 NVMe 的最常见的 NVMe 固态硬盘外形尺寸。随着技术的改进和产品尺寸的缩小,这可能会有所改变。
  • U.2 - 这类存储设备价格更贵、性能更高、耐用性更久,通常应用于数据中心/企业存储环境。
  • PCIe 插卡 - 这类高性能 NVMe 固态硬盘适用于未配备 M.2 外形尺寸兼容插槽的系统。

固态硬盘性能概览

NVMe 是专为固态硬盘而设计的存储协议。随着 SATA HBA 中间层的消失,NVMe 支持固态硬盘通过 PCIe 总线直接与 CPU 通信,为实现突破性的性能提升创造了条件。客观上看,SATA III 总线的性能极限是 6Gb/秒,这意味着一块 SATA 固态硬盘在剔除开销后最高提供 550MB/秒的吞吐率。单个 PCIe 3.0 通道可以提供 1GB/秒(双向)的吞吐率,因此,PCIe 3x4 固态硬盘可以提供高达 4GB/秒读取/写入吞吐率。PCIe Gen 4X4 固态硬盘则高达 8GB/秒(双向)。在这种情况下,限制性能的因素从协议变成 NAND 介质,而这种介质近年来取得了巨大发展,让制造商能够将最高的密度和性能塞进最小的外形尺寸。

NVMe 也大幅降低了协议延迟,得益于经过缩短和优化的数据路径实现比 SATA/SAS 小的延迟。NVMe 设备中的队列管理也得到 CPU 更高效的处理,得益于 I/O 处理门铃信号发送机制大幅降低了 CPU 开销。此外,得益于过去十年的大规模开发工作,NVMe 设备也得到多数主要操作系统的支持。

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