674fa975eeb6d4387d28529533a14c2f 現在一說到固態硬碟,玩家最津津樂道的產品,理應當都已經轉向 PCIe 規格。畢竟在 PCIe 匯流排頻寬奧援下,最高傳輸速度少則 1000MB/s 起跳,多則超越 2000MB/s,足足是 SATA 6GB/s 機種的數倍。但除了這莫大的速度差異,PCIe 固態硬碟還具有那些優點呢?讓我們用淺顯易懂的方式來探討之。

PCIe 通道可彈性配置,SSD 飆速不受限

當前那少數支援 PCIe 匯流排介面的固態硬碟,儘管單價相對於 SATA 機種是高了一些,熱血玩家仍然具有高度興趣,而且一試成主顧的大有人在。其吸引力莫過於最高存取速度,畢竟當前主流的 SATA 傳輸介面,SATA-IO 指出真實有效頻寬在 570MB/s 上下之譜,這並無法餵飽現今以高速快閃記憶體構成的固態硬碟。

反觀 PCIe 匯流排介面基於通道可彈性組合運用這優勢,能夠提供近乎源源不絕的傳輸頻寬,給予各式高速裝置利用。像是 PCIe 2.0 x1 理論頻寬有 500MB/s,儘管小輸給 SATA 6Gb/s ,但是合併 4 條通道可得 2000MB/s。若是升級為漸成主力的 PCIe 3.0,配置 1 條通道即有 984.6MB/s,4 條合併則是可達到 3938.4MB/s 之譜。

也因此,即便是 PCIe 2.0 x2 這樣堪稱早期規格的 PCIe 固態硬碟,受惠於 1000MB/s 理論傳輸頻寬,最高速度能夠輕而易超過 700MB/s。當然了,這只是個簡單的範例,那速度說來並不算暴猛。畢竟頻寬利用率掌握在固態硬碟控制器,乃至於快閃記憶體搭配與韌體調校等部分,這概念和以往的 SATA 機種並無不同。

 

 
▲ SATA 固態硬碟受制於傳輸介面的可用頻寬因素,最高存取速度難以突破 570MB/s,PCIe 產品能夠輕易提供數倍速度,因而被列為發展重點。
(圖例由左上看起依序為 PCIe 3.0 x4、PCIe 2.0 x4、PCIe 2.0 x2、SATA 6Gb/s 機種

PCIe 不只快,還能簡化傳輸架構層級

PCIe 固態硬碟無論是支援 AHCI 或 NVMe,除了擁有 PCIe 大頻寬優勢外,還有哪些地方勝過 SATA 呢?就架構來說是延遲(Latency)。固態硬碟本身的控制器,主司對內快閃記憶體運作與維護管理,以及對外透過 PCIe 匯流排或 SATA 之類介面,與電腦系統溝通連結。基於架構差異使然,純 PCIe 製品的訊號傳輸途徑,或說所必須經過的節點,是較 SATA 設備來得精簡。

支援 PCIe 的固態硬碟無論是 PCIe 介面卡、M.2 等任一形式,與系統溝通連結必然是透過 PCIe 匯流排,連結至晶片組或處理器所內建的 PCIe 控制器,經過節點如同點對點般精簡。反觀 SATA 介面機種,與系統核心之間多了 SATA 磁碟控制器這隔閡,訊號傳輸與控制無可避免產生額外的延遲,亦有一般測試可見的性能差異影響(如主機板晶片組原生內建與第三方控制器之別)。


▲ PCIe 與 SATA 固態硬碟資料傳輸途徑示意圖,兩者最大差異在於,SATA 機種還得經過 SATA 磁碟控制器,會增加額外的延遲。

延遲短意味反應快,惟代價高出一截

以上是就系統架構理論而言,不過延遲這檔事一般較少被注意到,能夠呈現出差距的測試軟體也可能極為有限。恰好我們慣用的 ULINK 測試平台,其綜合性能評估腳本內包含延遲這一測項,因此得以透過它來窺探 PCIe 與 SATA 機種之間的差異。代表組產品如下圖所示,我們僅就手邊現有的樣品機進行試驗,讓大家初探延遲這檔事。

所得結果也許說不上相差天高地遠,但至少沒讓人意外或者是白忙一場,結果顯示 PCIe 固態硬碟延遲確實略好於 SATA 機種。其中 2 款 PCIe 產品,大抵上來說可視為讀與寫延遲都在 20us 以內,而 SATA 機種範圍在 20~30us 之間。其中,因控制器、快閃記憶體等條件差異,有 2 款產品寫入延遲比讀取來得高一些。


▲ HyperX Predator PCIe SSD 與 M6e 為 PCIe 產品,其餘 3 款全為 SATA 6Gb/s。

該延遲腳本測試程序,是針對讀取與寫入各送出 1953125 個指令,所得結果為指令執行時間平均值,以 us(微秒:百萬分之一秒)表示之。當然了,人類是否能夠感受到這分毫差異,是另外一個有趣的問題。不過就商業高負載 I/O 應用環境而言,延遲時間短的產品必然較有吸引力,至於玩家是否有需要錙銖必較,或許還得先滿足荷包深度這條件吧。

測試平台

  • 處理器:Intel Core i7-4770K
  • 主機板:Asus Z97-PRO(Wi-Fi ac)
  • 記憶體:Kingston HyperX Genesis PnP DDR3-1600 4GB x 2
  • 系統碟:Kingston HyperX SSD 240GB
  • 作業系統:Windows 8.1 Pro 64bit 中文版

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