从PCIE 3.0到PCIE 4.0 三星SSD固态硬盘980PRO的性能蜕变

2020-09-29 11:30 来源:中关村在线

随着三星980PRO PCIe4.0 SSD的正式推出,关于PCIe4.0技术和产品成为了存储行业时下最为热门的话题。那么,PCIe4.0究竟代表着什么?从PCIe3.0到PCIe4.0,三星品牌存储又在产品端进行了哪些技术和体验的创新和迭代?

从PCIE 3.0到PCIE 4.0 三星SSD固态硬盘980PRO的性能蜕变

三星980PRO PCIe4.0 SSD发售

想要解答以上问题,我们需要追根溯源,简单回顾关于PCIe的历史和变革,了解PCIe4.0带来的时代意义和价值。

01 关于PCIe总线的演变

所谓的PCIe,全称为PCI-Express,它实质上是一种高速串行计算机扩展总线标准,类似的总线标准还有诸如早期的MCA、PCI都属于这类协议,只是随着技术发展和需求的变化,拥有着高速串行、点对点双通道、高带宽传输等突出特点的PCIe协议,最终脱颖而出,成为了时下最为主流的计算机总线标准。

至于在接口形式上,PCIe主要有两种,一种是尺寸较为小巧的M.2接口,另一种则是标准的PCIe插槽,二者全都集成在主板之上。

根据带宽容量的不同,以及技术的迭代,以及应用层级方面,PCIe总线又出现了分支和进化。

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PCIe插槽存在性能差异

先说带宽,基于PCIe串联计算机的容量大小,同一级别的PCIe插槽之间存在着性能差异。以主流的PCIe3.0为例,简单可以分为PCIe x1/PCIe x2/PCIe x4/PCIe x8/PCIe x16等不同带宽,这些“x1/x2”等数字的背后,对应着接口性能差异,以PCIe3.0 x1和PCle3.0 x16为例,PCIe3.0 x1的标准性能约为1GB/s,而同样是PCIe 3.0协议,X16的标准性能则高达16GB/s。

再说说技术迭代,PCIe作为总线协议和标准,历经多年的发展和变革,从起初的PCIe 1.0,逐步在性能上大跨步发展,直到今天的PCIe4.0的诞生。

技术的迭代带来了恐怖的性能,根据官方提供数据,对比于初代的PCIe1.0带宽(X1为250MB/s),最新的PCIe4.0的带宽(以X1为例)达到了2GB/s,提升了近8倍。

最后在应用层面,由于PCIe高速串联计算机,提供更高性能优势,许多硬件产品都能,更都想通过PCIe总线的方式,进行串联,以发挥硬件的最高性能。其中,显卡和固态硬盘是其中的代表产品。

02 PCIe4.0 SSD存在的必然性

刚才说到固态硬盘和PCIe之间的联系,是源于PCIe总线串联计算机的巨大性能优势。其实在固态硬盘发展的早期,SATA接口才是行业的主流,一方面源于制程工艺,没办法开发出性能和功耗能够完美契合的主控和颗粒产品;另一方面,则是SATA接口的绝对性能能够满足人们日常的存储需求。

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SATA接口存在协议弊端

随着存储需求的变化和制程工艺的突破,固态硬盘性能一日千里般的跃进和发展,传统的SATA接口在协议上弊端逐渐显现出来,最大理论性能600MB/S,已然无法适配不断狂奔的存储需求和技术演进,于是以三星品牌存储为代表的存储行业,开始引入PCIe 3.0接口,并推出了全新的NVMe传输协议,打破了接口协议的束缚,让固态硬盘产品的性能达到了3.5GB/s的标准。

然而技术的进步和存储需求的彻底爆炸,PCIe3.0协议下、3.5GB/s的绝对性能也渐显颓势,业界期待着带宽更大,性能更强的PCIe协议的到来,所以在需求和技术的双重裹挟下,PCIe4.0以及随之而来的高性能PCIe4.0固态硬盘开始崭露头角。

03 三星品牌存储在PCIe4.0时代的创新

作为行业领先的存储厂商,三星品牌存储也在积极参与和拥抱PCIe4.0时代,并在产品和体验上进行了多维度的创新,其中代表性产品便是不久前发布的三星980PRO PCIe4.0固态硬盘。

这是三星品牌存储推出的首款全面支持PCIe4.0协议的高性能固态硬盘,熟悉三星存储产品的朋友们都清楚,三星旗下存储产品大致可以分为PRO/EVO/QVO三个序列,并根据定位和价格差异,依次递减;换句话说,能够被冠以PRO序列的产品,可以说是三星品牌存储旗舰中的旗舰了,这也从侧面反映了三星品牌存储对于PCIe4.0技术的重视程度。

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三星980PRO PCIe4.0 SSD

除了产品定位的高标准高规格之外,就三星980PRO产品本身而言,三星也为之进行了诸多技术的创新和突破,笔者简单将它分拆为三个维度的创新,即主控创新、闪存创新以及性能创新。

主控创新

PCIe4.0协议的到来,对于固态硬盘产品而言,尤其是主管固态硬盘内部数据处理,编译以及运转的主控芯片而言,是前所未有的挑战。

协议带宽的巨大提升,相对应的需要硬盘主控能够同时并行和处理更多的数据指令,以满足高吞吐,实现高效的数据传输。

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主控芯片Elpis

为了应对PCIe4.0巨幅的性能提升,三星品牌存储在三星980PRO上首次搭载了基于ARM架构的、重新设计和编译的新一代主控芯片Elpis,Elpis源于希腊语,中文读音“厄尔庇斯”,中文直译则是“(希望)女神”。Elpis主控采用三星自研的全新8nm制程工艺,全面支持PCIE4.0协议,同时能够满足下一代开发、计算等需求,更为关键的是,它能够支持128队列并行工作,支持128个I/O队列同步进行数据处理。

相较于PCIe3.0时代,三星主流Phoenix主控支持的32队列,提升了接近400%;用一组更为直观的数字来验证三星新主控的强啊之处,根据设计制程,在单个队列下,能够处理超过64000命令集,这也就意味着三星Elpis主控内部的128个队列,可以同步处理最高超过800万个命令。

这样的性能倍增,能够满足PCIe4.0协议下对于主控性能的苛刻需求,进而保证了三星980PRO的性能表现。

同时,Elpis主控芯片,还能够完美兼容PCIE3.0,并且在性能上有着上佳的表现,甚至超过称霸PCIE3.0世代的970EVO Plus和970PRO。

根据官方提供的数据,在PCIE3.0带宽下,三星980PRO的最大连续读取性能达到3500MB/S,基本和970EVO Plus持平;在最大连续写入性能方面,达到了3450MB/S,甚至超过了三星970EVO Plus的官方测试水平。

闪存创新

高带宽带来高性能的同时,对于存储数据的颗粒体质,同样有了更高的需求。大规模和高速率的读写,意味着用于存储数据的闪存颗粒需要在体质和性能上有着可靠和稳定表现。

三星品牌存储同样为了进一步释放PCIe4.0固态硬盘的全部性能,也首次在三星980PRO上应用了第六代三星V-NAND闪存颗粒。

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第六代V-NAND闪存颗粒

这一代闪存颗粒突出特点在于,充分利用三星独创的“通道孔蚀刻”技术,通过建立一个由100多个层组成的导电晶片堆栈,然后从上到下垂直穿孔,形成均匀的三维电荷阱闪存(CTF)单元,从而实现了,在9x层单堆栈结构基础上增加了大约40%的存储单元。

同时,在性能表现方面,三星在内部结构上进行了电路优化,进一步提升了闪存颗粒的速度表现,根据官方数据,对比第五代V-NAND技术,其写入操作的时间少于450微秒(μs),读取操作的时间少于45μs。

性能创新

全新主控和全新颗粒的应用,让三星980PRO能够完美发挥PCIe4.0协议带来的巨大性能优势,根据笔者实际测试,三星980PRO PCIe4.0 SSD最大顺序读取速度超过了惊人的7000MB/S,最大顺序写入速度同样超过了惊人的5000MB/S。

要知道PCIe4.0 X4的理论性能为8GB/s,而三星980PRO超过7000MB/S,几乎接近理论性能最大值。

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绝对性能

当然了,除了绝对性能,三星980PRO还在智能缓存方面进行了拓展,让普通用户在日常使用中体验到三星980PRO的极致表现。

所谓智能缓存技术,三星为之冠名为智能TurboWrite技术,这一技术能够可自动识别用户的工作负载,并指定合适的SLC缓冲区;也就是说,在这项技术加持下,三星980PRO内部生成了由固定默认空间+智能区域形成动态缓存区。

根据容量和型号不同,动态缓存区容量大小也存在差异。就1TB型号980PRO PCIE4.0 SSD的而言,三星为此配备了6GB的默认缓存区,以及高达108GB的动态智能缓存区。

也就是说,用户在0-114GB这个写入区间内,可以完美体验到三星980PRO的绝对性能表现;而实际上,对于大部分的普通用户而言,单次的写入量远远达不到100GB的量级,所以这样的技术对于用户而言,十分有意义的。

04 写在最后

行业领头羊的态度往往主导和决定了产业发展态势,作为存储行业的先行者,三星980PRO PCIe4.0 SSD的入局,可以说是一个标志,它意味着PCIe4.0时代的崛起、新生,至于后续的发展,还需要所有存储厂商形成合力,共同推进。

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