簡(jiǎn)單回顧關(guān)于PCIe的歷史和變革，了解PCIe4.0帶來(lái)的時(shí)代意義和價(jià)值

隨著三星980PRO PCIe4.0 SSD的正式推出，關(guān)于PCIe4.0技術(shù)和產(chǎn)品成為了存儲(chǔ)行業(yè)時(shí)下最為熱門(mén)的話題。

那么，PCIe4.0究竟代表著什么？從PCIe3.0到PCIe4.0，三星品牌存儲(chǔ)又在產(chǎn)品端進(jìn)行了哪些技術(shù)和體驗(yàn)的創(chuàng)新和迭代？

想要解答以上問(wèn)題，我們需要追根溯源，簡(jiǎn)單回顧關(guān)于PCIe的歷史和變革，了解PCIe4.0帶來(lái)的時(shí)代意義和價(jià)值。

關(guān)于PCIe總線的演變

所謂的PCIe，全稱(chēng)為PCI-Express。

它實(shí)質(zhì)上是一種高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)，類(lèi)似的總線標(biāo)準(zhǔn)還有諸如早期的MCA、PCI都屬于這類(lèi)協(xié)議。

只是隨著技術(shù)發(fā)展和需求的變化，擁有著高速串行、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙通道、高帶寬傳輸?shù)韧怀鎏攸c(diǎn)的PCIe協(xié)議，最終脫穎而出，成為了時(shí)下最為主流的計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)。

至于在接口形式上，PCIe主要有兩種，一種是尺寸較為小巧的M.2接口，另一種則是標(biāo)準(zhǔn)的PCIe插槽，二者全都集成在主板之上。

根據(jù)帶寬容量的不同，以及技術(shù)的迭代，以及應(yīng)用層級(jí)方面，PCIe總線又出現(xiàn)了分支和進(jìn)化。

先說(shuō)帶寬，基于PCIe串聯(lián)計(jì)算機(jī)的容量大小，同一級(jí)別的PCIe插槽之間存在著性能差異。

以主流的PCIe3.0為例，簡(jiǎn)單可以分為PCIe x1/PCIe x2/PCIe x4/PCIe x8/PCIe x16等不同帶寬，這些“x1/x2”等數(shù)字的背后，對(duì)應(yīng)著接口性能差異。

以PCIe3.0 x1和PCle3.0 x16為例，PCIe3.0 x1的標(biāo)準(zhǔn)性能約為1GB/s，而同樣是PCIe 3.0協(xié)議，X16的標(biāo)準(zhǔn)性能則高達(dá)16GB/s。

再說(shuō)說(shuō)技術(shù)迭代，PCIe作為總線協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，歷經(jīng)多年的發(fā)展和變革，從起初的PCIe 1.0，逐步在性能上大跨步發(fā)展，直到今天的PCIe4.0的誕生。

技術(shù)的迭代帶來(lái)了恐怖的性能，根據(jù)官方提供數(shù)據(jù)，對(duì)比于初代的PCIe1.0帶寬（X1為250MB/s），最新的PCIe4.0的帶寬（以X1為例）達(dá)到了2GB/s，提升了近8倍。

最后在應(yīng)用層面，由于PCIe高速串聯(lián)計(jì)算機(jī)，提供更高性能優(yōu)勢(shì)，許多硬件產(chǎn)品都能，更都想通過(guò)PCIe總線的方式，進(jìn)行串聯(lián)，以發(fā)揮硬件的最高性能。其中，顯卡和固態(tài)硬盤(pán)是其中的代表產(chǎn)品。

PCIe4.0 SSD存在的必然性

剛才說(shuō)到固態(tài)硬盤(pán)和PCIe之間的聯(lián)系，是源于PCIe總線串聯(lián)計(jì)算機(jī)的巨大性能優(yōu)勢(shì)。

其實(shí)在固態(tài)硬盤(pán)發(fā)展的早期，SATA接口才是行業(yè)的主流，一方面源于制程工藝，沒(méi)辦法開(kāi)發(fā)出性能和功耗能夠完美契合的主控和顆粒產(chǎn)品；

另一方面，則是SATA接口的絕對(duì)性能能夠滿足人們?nèi)粘５拇鎯?chǔ)需求。

隨著存儲(chǔ)需求的變化和制程工藝的突破，固態(tài)硬盤(pán)性能一日千里般的躍進(jìn)和發(fā)展，傳統(tǒng)的SATA接口在協(xié)議上弊端逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，最大理論性能600MB/S，已然無(wú)法適配不斷狂奔的存儲(chǔ)需求和技術(shù)演進(jìn)。

于是以三星品牌存儲(chǔ)為代表的存儲(chǔ)行業(yè)，開(kāi)始引入PCIe 3.0接口，并推出了全新的NVMe傳輸協(xié)議，打破了接口協(xié)議的束縛，讓固態(tài)硬盤(pán)產(chǎn)品的性能達(dá)到了3.5GB/s的標(biāo)準(zhǔn)。

然而技術(shù)的進(jìn)步和存儲(chǔ)需求的徹底爆炸，PCIe3.0協(xié)議下、3.5GB/s的絕對(duì)性能也漸顯頹勢(shì)，業(yè)界期待著帶寬更大，性能更強(qiáng)的PCIe協(xié)議的到來(lái)。

所以在需求和技術(shù)的雙重裹挾下，PCIe4.0以及隨之而來(lái)的高性能PCIe4.0固態(tài)硬盤(pán)開(kāi)始嶄露頭角。

三星品牌存儲(chǔ)在PCIe4.0時(shí)代的創(chuàng)新

作為行業(yè)領(lǐng)先的存儲(chǔ)廠商，三星品牌存儲(chǔ)也在積極參與和擁抱PCIe4.0時(shí)代，并在產(chǎn)品和體驗(yàn)上進(jìn)行了多維度的創(chuàng)新，其中代表性產(chǎn)品便是不久前發(fā)布的三星980PRO PCIe4.0固態(tài)硬盤(pán)。

這是三星品牌存儲(chǔ)推出的首款全面支持PCIe4.0協(xié)議的高性能固態(tài)硬盤(pán)，熟悉三星存儲(chǔ)產(chǎn)品的朋友們都清楚，三星旗下存儲(chǔ)產(chǎn)品大致可以分為PRO/EVO/QVO三個(gè)序列，并根據(jù)定位和價(jià)格差異，依次遞減；

換句話說(shuō)，能夠被冠以PRO序列的產(chǎn)品，可以說(shuō)是三星品牌存儲(chǔ)旗艦中的旗艦了，這也從側(cè)面反映了三星品牌存儲(chǔ)對(duì)于PCIe4.0技術(shù)的重視程度。

除了產(chǎn)品定位的高標(biāo)準(zhǔn)高規(guī)格之外，就三星980PRO產(chǎn)品本身而言，三星也為之進(jìn)行了諸多技術(shù)的創(chuàng)新和突破，筆者簡(jiǎn)單將它分拆為三個(gè)維度的創(chuàng)新，即主控創(chuàng)新、閃存創(chuàng)新以及性能創(chuàng)新。

主控創(chuàng)新

PCIe4.0協(xié)議的到來(lái)，對(duì)于固態(tài)硬盤(pán)產(chǎn)品而言，尤其是主管固態(tài)硬盤(pán)內(nèi)部數(shù)據(jù)處理，編譯以及運(yùn)轉(zhuǎn)的主控芯片而言，是前所未有的挑戰(zhàn)。

協(xié)議帶寬的巨大提升，相對(duì)應(yīng)的需要硬盤(pán)主控能夠同時(shí)并行和處理更多的數(shù)據(jù)指令，以滿足高吞吐，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。

為了應(yīng)對(duì)PCIe4.0巨幅的性能提升，三星品牌存儲(chǔ)在三星980PRO上首次搭載了基于ARM架構(gòu)的、重新設(shè)計(jì)和編譯的新一代主控芯片Elpis，Elpis源于希臘語(yǔ)，中文讀音“厄爾庇斯”，中文直譯則是“（希望）女神”。

Elpis主控采用三星自研的全新8nm制程工藝，全面支持PCIE4.0協(xié)議，同時(shí)能夠滿足下一代開(kāi)發(fā)、計(jì)算等需求，更為關(guān)鍵的是，它能夠支持128隊(duì)列并行工作，支持128個(gè)I/O隊(duì)列同步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

相較于PCIe3.0時(shí)代，三星主流Phoenix主控支持的32隊(duì)列，提升了接近400%；

用一組更為直觀的數(shù)字來(lái)驗(yàn)證三星新主控的強(qiáng)啊之處，根據(jù)設(shè)計(jì)制程，在單個(gè)隊(duì)列下，能夠處理超過(guò)64000命令集，這也就意味著三星Elpis主控內(nèi)部的128個(gè)隊(duì)列，可以同步處理最高超過(guò)800萬(wàn)個(gè)命令。

這樣的性能倍增，能夠滿足PCIe4.0協(xié)議下對(duì)于主控性能的苛刻需求，進(jìn)而保證了三星980PRO的性能表現(xiàn)。

同時(shí)，Elpis主控芯片，還能夠完美兼容PCIE3.0，并且在性能上有著上佳的表現(xiàn)，甚至超過(guò)稱(chēng)霸PCIE3.0世代的970EVO Plus和970PRO。

根據(jù)官方提供的數(shù)據(jù)，在PCIE3.0帶寬下，三星980PRO的最大連續(xù)讀取性能達(dá)到3500MB/S，基本和970EVO Plus持平；

在最大連續(xù)寫(xiě)入性能方面，達(dá)到了3450MB/S，甚至超過(guò)了三星970EVO Plus的官方測(cè)試水平。

閃存創(chuàng)新

高帶寬帶來(lái)高性能的同時(shí)，對(duì)于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的顆粒體質(zhì)，同樣有了更高的需求。大規(guī)模和高速率的讀寫(xiě)，意味著用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的閃存顆粒需要在體質(zhì)和性能上有著可靠和穩(wěn)定表現(xiàn)。

三星品牌存儲(chǔ)同樣為了進(jìn)一步釋放PCIe4.0固態(tài)硬盤(pán)的全部性能，也首次在三星980PRO上應(yīng)用了第六代三星V-NAND閃存顆粒。

這一代閃存顆粒突出特點(diǎn)在于，充分利用三星獨(dú)創(chuàng)的“通道孔蝕刻”技術(shù)。

通過(guò)建立一個(gè)由100多個(gè)層組成的導(dǎo)電晶片堆棧，然后從上到下垂直穿孔，形成均勻的三維電荷阱閃存（CTF）單元，從而實(shí)現(xiàn)了在9x層單堆棧結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了大約40%的存儲(chǔ)單元。

同時(shí)，在性能表現(xiàn)方面，三星在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了電路優(yōu)化，進(jìn)一步提升了閃存顆粒的速度表現(xiàn)。

根據(jù)官方數(shù)據(jù)，對(duì)比第五代V-NAND技術(shù)，其寫(xiě)入操作的時(shí)間少于450微秒（μs），讀取操作的時(shí)間少于45μs。

性能創(chuàng)新

全新主控和全新顆粒的應(yīng)用，讓三星980PRO能夠完美發(fā)揮PCIe4.0協(xié)議帶來(lái)的巨大性能優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)筆者實(shí)際測(cè)試，三星980PRO PCIe4.0 SSD最大順序讀取速度超過(guò)了驚人的7000MB/S，最大順序?qū)懭胨俣韧瑯映^(guò)了驚人的5000MB/S。

要知道PCIe4.0 X4的理論性能為8GB/s，而三星980PRO超過(guò)7000MB/S，幾乎接近理論性能最大值。

當(dāng)然了，除了絕對(duì)性能，三星980PRO還在智能緩存方面進(jìn)行了拓展，讓普通用戶在日常使用中體驗(yàn)到三星980PRO的極致表現(xiàn)。

所謂智能緩存技術(shù)，三星為之冠名為智能TurboWrite技術(shù)，這一技術(shù)能夠可自動(dòng)識(shí)別用戶的工作負(fù)載，并指定合適的SLC緩沖區(qū)；

也就是說(shuō)，在這項(xiàng)技術(shù)加持下，三星980PRO內(nèi)部生成了由固定默認(rèn)空間+智能區(qū)域形成動(dòng)態(tài)緩存區(qū)。

根據(jù)容量和型號(hào)不同，動(dòng)態(tài)緩存區(qū)容量大小也存在差異。就1TB型號(hào)980PRO PCIE4.0 SSD的而言，三星為此配備了6GB的默認(rèn)緩存區(qū)，以及高達(dá)108GB的動(dòng)態(tài)智能緩存區(qū)。

也就是說(shuō)，用戶在0-114GB這個(gè)寫(xiě)入?yún)^(qū)間內(nèi)，可以完美體驗(yàn)到三星980PRO的絕對(duì)性能表現(xiàn)；

而實(shí)際上，對(duì)于大部分的普通用戶而言，單次的寫(xiě)入量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到100GB的量級(jí)，所以這樣的技術(shù)對(duì)于用戶而言，十分有意義的。

寫(xiě)在最后

行業(yè)領(lǐng)頭羊的態(tài)度往往主導(dǎo)和決定了產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)，作為存儲(chǔ)行業(yè)的先行者，三星980PRO PCIe4.0 SSD的入局，可以說(shuō)是一個(gè)標(biāo)志。

它意味著PCIe4.0時(shí)代的崛起、新生，至于后續(xù)的發(fā)展，還需要所有存儲(chǔ)廠商形成合力，共同推進(jìn)。
責(zé)編AJX