NVMe与SATA：存储技术的较量

NVMe与SATA：存储技术的较量

在存储技术领域，NVMe（Non-Volatile Memory Express）和SATA（Serial ATA）是两种主流的接口标准。NVMe采用PCIe总线进行通信，而SATA则使用传统的串行ATA总线。这两种技术在性能、效率和应用场景上存在显著差异。本文将深入探讨NVMe和SATA的区别，帮助读者更好地理解它们的特点和适用场景。

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

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50-120MB/秒的写入速度，而固态硬盘能达到550MB/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100,000IOPS，其性能受到SATA总线的限制。

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。