不是所有M.2都是NVMe：SSD硬盘知识

不是所有M.2都是NVMe：SSD硬盘知识 (转载)

2022-01-30 17:08
by 刘管家
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几乎所有玩家都知道固态硬盘（SSD）的速度是快过机械硬盘（HDD）的，并且会让电脑运行速度有很大的提升，但SSD的种类繁多，接口、协议、颗粒等等参数的差异会让不同的SSD性能有几倍的差距，本篇文章将给大家讲解SSD选购中的一些门道，让你选到一块真高速，性能强的SSD。

M.2作为一个相对更新的硬盘接口类型，往往容易被商家恶意描述成高性能高速度的代名词，当你看到别人的M.2 SSD读写速度是你的几倍的时候，你会深刻的感受到这个世界上不好的一面。

目前市面上的SSD根据用途不同主要采用SATA、mSATA、PCIE或M.2接口，M.2作为一个接口类型，并不能代表SSD的性能好坏，影响SSD性能的一大重要原因是SSD所使用的总线标准。M.2接口规范下拥有两种类型，分别是Socket 2（B Key插槽）和Socket 3（M Key插槽）。其中Socket 2支持SATA和PCI-E x 2接口，Socket 3则支持更高规格的PCI-E x 4接口。

现在市场上SSD使用的总线标准主要分为SATA、和PCI-E。SATA 3.0的理论带宽为6Gbps，实际使用中速度不会超过600MB/s，这也是所有采用SATA或者mSATA接口的SSD的性能上限。

PCI-E总线拥有着远大于SATA的带宽

不同于SATA通道的硬盘-内存-CPU，PCI-E通道不需要通过内存而是采用了硬盘-CPU的直接通道，这样一来速度自然提升不少。而采用PCI-E和M.2接口的SSD可以使用PCI-E总线，其中最为顶级的PCI-E 3.0 x 4的总线带宽为32Gbps，实际传输速度可以轻松突破1000MB/s，更有旗舰产品甚至可以达到2000MB/s以上。

PCI-E通道+NVMe协议会带来极高的性能

NVMe是一个玩家们在高端SSD上会看到的一个词汇，NVMe是使用PCI-E通道的SSD的一种规范（是AHCI协议的进阶版本），更高定位的产品除了会使用四通道的PCI-E 3.0 x 4总线，还会支持NVMe协议以提供更快的读写速度，这也是一块高端SSD必备的。

SLC、MLC还是TLC？

相信一些稍微了解过固态硬盘的玩家对SLC、MLC和TLC都有所耳闻，对于TLC的印象应该是性能差寿命短的代名词。SSD存储数据依靠的是NAND Flash闪存芯片，原理上非常类似于我们使用的U盘，这其中按照NAND Flash的存储原理不同分为SLC（Single-Level Cell），MLC（Multi-Level Cell）以及TLC（Trinary-Level Cell）。

原理上来说，SLC每1个存储器储存单元只存放1bit数据，只存在0和1两种充电值。MLC每1个存储器储存单元存放2bit数据，拥有00,01,10,11四个充电值，访问数据时就需要比SLC更多的时间，但好处在于其拥有更高的数据密度，可以降低生产成本。TLC每1个存储器储存单元存放3bit数据，共有8个充电值，在使用过程中，为了满足这8种不同的电压状态，需要主控芯片施加不同的电压状态，这就需要更长时间来完成，而这样带来的结果就是更慢的访问速度。但是TLC的优势在于数据密度最高，成本最为低廉，也非常容易在有竞争力的价格段上做出大容量的SSD。

TLC不论在寿命还是性能上都和MLC差距明显

玩家们谈TLC色变，其中读写速度慢并不是主要原因，更让人担心的是TLC SSD的寿命。理论1000次的擦写寿命相较于3000+次的MLC和近乎无限寿命的SLC显得是那么的捉襟见肘。

更先进的工艺制程反而会让原件更为脆弱

前面原理部分简单说明了TLC SSD使用时的工作状态，半导体工艺越来越先进导致绝缘体硅氧化物的厚度越来越薄，在SSD每次写入擦除的时候都要进行加电压的过程，这个过程本身就有物理损耗，加之TLC需要同时处理8种不同的电压，物理定律决定了电子可能会在二氧化硅绝缘层产生滞留，这让每一次擦写时间都会变得比上一次更长，随着使用时间变长，每一次想达到原定的电压都会需要更长的时间和更高的电压值，主控芯片还会在侦测到原设计电压值异常时尝试不同电压，这样一来更进一步的减慢了速度，并且带来了更进一步的损耗。

为什么TLC正在统治SSD市场？

不论你是否愿意承认，尽管玩家们对于TLC的口碑并不好，但SSD市场正在不可不免的被TLC SSD统治。寿命短、性能差这样显而易见缺点的产品难道只是因为成本低就被各大厂商大量的下放到市场中吗？

事实上，TLC SSD现如今占据大部分市场份额的原因是厂商们找到了解决TLC读写速度慢和寿命短的方法。

通过多层堆栈结构容纳下更多元器件

首先的寿命问题的解决是得益于3D NAND结构，原本的2D NAND通过更先进的半导体工艺追求更小的存储单元来换取更大的存储容量，这对TLC来说更是加重了寿命短的问题。而3D NAND结构思路一转，不再在一个平面上追求更小的单元，而是通过堆叠封装的方式来放下更多的单元，而因此省出的空间就可以使用相对更旧的工艺。使用旧工艺的好处就是P/E擦写次数大幅提升，而且电荷干扰的情况也因为使用旧工艺而大幅减少。

近年厂商对于主控芯片上的改进也让TLC的寿命相较之前有个进一步提升，在信号处理、算法等等方面都在进步。以至于如今的TLC SSD在质保上也可以和MLC看齐。

将部分TLC以SLC模式使用

TLC在解决速度问题的方式上属于一种“治标不治本”的状态。原理上决定了TLC的读写速度是不可能快过MLC甚至是SLC的，但我们读写数据并不都是每次都是非常大的数据量厂商们通过让TLC的一部分变身为缓存区，让它模拟成SLC的工作模式，也就是SLC Cache（即3bit当1bit用）。这样一来，就带来了少量数据读写的时候让TLC也拥有了非常快的速度。

缓存区写满后会恢复TLC本来的速度

说它是“治标不治本”是因为这样的方式并不能让TLC全程保持高速，当缓存区存满，读写速度就会“原形毕露”。

玩家们在选购SSD需要注意尽量购买主流正规厂商的颗粒，原厂颗粒最佳，白片可以考虑，黑片直接不要考虑，切忌贪图小便宜，数据是非常宝贵的。

主控芯片

主控芯片在SSD中是可以很大程度上影响到其最终的性能表现和使用寿命。此外，主控芯片还直接决定了M.2接口的SSD是走SATA通道还是PCI-E通道。

主控芯片在市场上主流的品牌中三星家的主控芯片往往是自产自销，只用在自家的SSD当中，在剩余的如Marvell、SandForce、慧荣、群联、智微以及东芝等等几大主流主控厂商的主控芯片在各个价位段的产品中都有分布，不同价位的产品的主控芯片性能几乎也是相对应的。主控主要控制着数据的读写，以及FTL层的算法(比如磨损平衡WL，垃圾回收GC等等)，这些和很大程度上决定了SSD的性能。

兼容性

对于SATA和mSATA接口来说，由于都使用的是SATA通道，玩家只需要观察自己设备的接口形状就可以很容易的判断该选购哪款。