深度剖析 PCIe v.s SATA 介面大不同!路越寬,資料流動越激情!有感提升電腦效能

在產品適用性不斷提升下,SSD固態硬碟幾乎已成為電腦的標準配備,原因不外乎是其所帶來的資料高速存取體驗,特別是對傳統的SATA介面機械硬碟來說,同樣的SATA介面,換用SSD固態硬碟後,就能為消費者提供機械硬碟遠比不上的存取效能。

雖然在SATA介面的宇宙中,SSD固態硬碟可以說是完勝機械硬碟,不過,SATA介面畢竟是為了機械硬碟所制訂的早期規格,所以,受制於其規格、架構,SSD固態硬碟根本無法發揮出應有的效能表現,反倒是近年來逐漸盛行的PCIe介面,才是最能徹底釋放SSD固態硬碟效能的規格。

PCIe、SATA傳輸規格比較表

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因此,隨著SSD固態硬碟在儲存市場上逐漸普及,加上PCIe SSD固態硬碟的價格也不再是那麼高不可攀的情形下,受制於傳統SATA介面的SATA SSD固態硬碟,在存取效能和價格的比較上更顯出其捉襟見肘的窘境,也讓許多需要更高存取效能的消費者紛紛轉而選購PCIe SSD固態硬碟。 

然而在選購上,儘管現今PCIe SSD固態硬碟多半是指外觀像口香糖般、長條狀的M.2規格產品,但是由於M.2規格所支援的介面、插槽類型相當多元,不像SATA SSD固態硬碟只需留意單一的SATA介面規格就能搞定,更別說還有軟、硬體平台的安裝相容性問題,因此,底下我們針對這些選購PCIe SSD固態硬碟要留意的相關資訊逐一說明,期望能降低消費者在選購上的疑惑! 

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PCIe和SATA傳輸介面差異

就以當前主流的PCIe 3.0和SATA 3.0介面規格來說,從前面的「PCIe、SATA傳輸規格比較表」中,可以看到PCIe 3.0僅一條通道(x1)在單向傳輸下,其8 Gbps頻寬已經超過SATA 3.0的6 Gbps頻寬,更別說其頻寬還可以透過通道的累加(x2、x4、x8、x16)、雙向傳輸的加持,來達到SATA 3.0完全看不到PCIe車尾燈的極速狀態。 

而除了傳輸頻寬上的優勢外,PCIe SSD固態硬碟另一個優勢,就是在與系統平台進行傳輸資料時,只需透過PCIe匯流排連結到晶片組或處理器裡內建的PCIe控制器,以點對點的方式直接進行資料傳輸;反觀SATA SSD固態硬碟與系統平台之間則是多了一個SATA控制器,造成在進行資料傳輸時,無可避免會因為該控制器是晶片組原生內建,或是第三方廠商提供而產生程度不一的資料傳輸延遲時間。

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應用多元的M.2規格

由於PCIe SSD固態硬碟是採用M.2規格為主流,而M.2規格前身又是Intel用來取代mSATA介面,並導入筆電平台以力推小型化系統發展的NGFF(Next Generation Form Factor)介面規範,所以,在Intel制訂介面規範的過程中,並未限制其所使用的訊號協定,僅定義了尺寸規格與工作電壓…等項目,因此,讓M.2規格得以相容於USB、SATA、PCIe,甚至音訊、網路…等多種介面控制器,雖然提高了廠商在設計3C產品的自由度,但也讓M.2規格變得複雜許多。 

首先,從設備端(主機板)上的M.2插槽來說,M.2插槽就分別有Socket 1、Socket 2、Socket 3…等三種插槽形式,而不同形式的插槽所對應的產品鍵位(金手指)並不一樣,自然可以安裝的產品也會有所不同,其中,由於Socket 1所對應的A Key鍵位,多半是無線網卡所採用的鍵位,不在SSD固態硬碟的範圍內,因此,底下將略過不提。 

至於Socket 2、Socket 3這兩種插槽形式,雖然都能安裝M.2 SSD固態硬碟,但是其所對應的產品鍵位、支援的介面、傳輸速率卻有很大的差異。 

Socket 2、Socket 3兩種形式M.2插槽規格表

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對應B Key鍵位的Socket 2插槽形式,分別支援SATA和PCIe兩種介面的M.2 SSD固態硬碟,但要注意的是,其PCIe介面最高僅支援x2通道,在雙向傳輸下最高頻寬只有4 Gbps;而對應M Key鍵位的Socket 3插槽形式,則是只有支援PCIe介面的M.2 SSD固態硬碟,但是,其PCIe介面最高可以支援x4通道,在雙向傳輸下最高頻寬能夠達到8 Gbps。 

為了讓消費者能夠在設備端上的Socket 2或Socket 3插槽形式正確安裝、使用其所對應SATA或PCIe介面SSD固態硬碟,這兩種插槽形式都分別設計有不同位置的防呆缺口,來避免消費者發生混用的情形。 

不過,有些廠商為了讓旗下所推出的M.2 SSD固態硬碟,能夠同時兼容Socket 2和Socket 3插槽形式,所以,會把金手指部分設計成B+M Key的形式。

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但是,能夠安裝,不代表就能夠正常使用,因為,有些主機板上的M.2插槽只支援PCIe介面,就算該M.2插槽可以安裝B+M Key的M.2 SSD固態硬碟,主機板也偵測不到該M.2 SSD固態硬碟,除非主機板廠商在設計時,讓該M.2插槽可以共用SATA和PCIe介面,這樣主機板才能偵測到已安裝的M.2 SSD固態硬碟。 

所以,如果主機板上有一個以上M.2插槽的話,在安裝M.2 SSD固態硬碟之前,最好先翻閱主機板使用手冊,確認想要使用的M.2插槽是支援哪一種傳輸介面,來避免發生因安裝錯誤而偵測不到M.2 SSD固態硬碟的情形。 

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解放SSD固態硬碟效能的NVMe傳輸協議

在原本是針對過往低速、高延遲的機械硬碟所制訂的SATA介面、AHCI傳輸協議…等規格,卻造成SSD固態硬碟無法徹底發揮高速、低延遲的性能優勢,進而成為其效能瓶頸的情形下,Intel早在2007年IDF開發者論壇中,就針對了SSD固態硬碟提出「NVMHCI(Non-Volatile Memory Host Controller Interface)非揮發性記憶體控制介面」規範,同年並邀集了DELL、Micron、Marvell、Samsung、EMC、IDT、NetAPP…等公司成立NVMHCI工作小組,並於2008年4月完成NVMHCI 1.0規範。 

而在確定採用PCIe做為標準化的連接介面後,2009年下半年另成立的NVMe(Non-Volatile Memory Express)工作小組,更在取得90多家公司的支援後,在2011年3月正式發佈NVMe 1.0技術規範。 

由於Intel在9 / 100系列之後的晶片組已經開始支援NVMe傳輸協議,加上自Windows 8.1 / Windows Server 2012 R2之後的作業系統也已經內建NVMe驅動程式,因此,在相同的電腦平台上,使用支援NVMe傳輸協議的SSD固態硬碟,會比使用一般的SSD固態硬碟擁有下列兩大效能優勢: 

優勢一:低延遲

和AHCI傳輸協議相比,採用PCIe做為標準化連接介面的NVMe傳輸協議,由於是透過原生的PCIe控制器直接連接CPU,而不是透過南橋晶片再轉接到CPU(如果是使用南橋晶片所提供的PCIe介面,那又另當別論);再加上NVMe傳輸協議在執行存取命令時,不像AHCI傳輸協議在執行存取命令都需讀取4次暫存器,一共耗費8000次CPU週期(2.5微秒),因此,可以大幅降低這兩項因素所造成的延遲現象。

深度剖析 PCIe v.s SATA 介面大不同!路越寬,資料流動越激情!有感提升電腦效能優勢二:高IOPs效能

如果從理論上來說,IOPs = 佇列深度 / IO延遲,所以,在SSD固態硬碟主控制器所內建的「佇列深度(Queue Depth)」參數,和IOPs的效能高低有一定的關係,不過,在實際應用中,隨著佇列深度增加,IO延遲也會提高,所以,IOPs效能並非是和佇列深度成正比。 

以SATA介面SSD固態硬碟來說,在佇列深度上都可以達到32,而這也是AHCI傳輸協議的極限,但在企業應用的高階PCIe SSD固態硬碟上,為了要發揮理論上最高的IOPs效能,其佇列深度多半是128,甚至是256,而採用NVMe傳輸協議的SSD固態硬碟,其佇列深度則是一舉拉高到64000外,佇列數目也從AHCI傳輸協議的1個,大幅增加到64000個。 

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雖然採用NVMe傳輸協議的PCIe介面SSD固態硬碟可以帶來更高的效能,不過,相對的想要安裝、使用的軟、硬體平台也得具備一定的規格水準,而基本上,只要是Intel 9 / 100系列之後的晶片組、Windows 8.1 / Windows Server 2012 R2之後的作業系統,由於都已內建支援NVMe傳輸協議的BIOS模組或驅動程式,所以,在安裝使用上並不會有太大的問題。 

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但是,如果想要把支援NVMe傳輸協議的SSD固態硬碟作為開機碟使用的話,那麼,依Intel說明文件指出,主機板BIOS最少需要支援UEFI 2.3.1以上的版本,並把作業系統安裝到GPT分割區才能正常開機;另外,如果想要安裝使用支援PCIe 3.0 x4的PCIe介面SSD固態硬碟的話,那麼,還得留意處理器的等級也不能太差,這樣才有足夠的通道數供PCIe介面使用,新組裝的電腦比較無須擔憂這些問題,但如果是舊電腦的話,可能就需要確認一下平台的支援性了。 

PCIe SSD與SATA SSD的效能比較  

也許從前面的內容中,你知道SSD固態硬碟所採用的介面規格中,PCIe介面的傳輸速度比SATA介面來得快,但又好奇它們彼此的傳輸速度真的差那麼多嗎? 

因此,我們以手上相同容量(512 GB)、相同M.2規格,但不同傳輸介面的Intel 660P PCIe SSD固態硬碟和PLEXTOR S2G SATA SSD固態硬碟,分別在同一組系統平台上以作為系統開機碟的方式,使用Anvil's Storage Utilities、ATTO Disk Benchmark、CrystalDiskMark、PCMark 8來進行存取測試,讓你可以確信並具體知道PCIe介面的傳輸速度比SATA介面快了多少! (延伸閱讀:SSD 價格持續探底,選 SATA 6Gb/s 不如選更快的 NVMe,Intel SSD 660p 1TB M.2 版本實測)

測試平台環境  

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效能先決的聰明選擇  

對一般的電腦用戶來說,如果電腦只是拿來上網、看Youtube影片、打文書作業的話,或許SATA介面SSD固態硬碟的效能就能夠滿足使用需求了,但是對電競玩家、影音創客這些中、重度電腦族群而言,追求極致效能卻是一條無止盡的路。 

因為不管是在電競體驗中遊戲場景更換的流暢度,或是影音創作過程中影片處理、照片編修…等,電腦本身的規格性能固然是相當重要,但更多時候的操作瓶頸總是發生在資料存取的部分,而從前面的實際測試中,我們也可以看到跟SATA介面相比,採用PCIe介面的Intel SSD 660p 512GB 固態硬碟的存取效能遠比前者高出許多。 

除了優異的效能外,選購3C產品的另一個重點不外乎是「價格」。 

同樣再以Intel SSD 660p 512GB 固態硬碟為例,撰稿當下在原價屋網站的售價為NT$ 2,788,落在相同容量的2.5” SATA介面SSD固態硬碟的NT$ 2,388 ~ 2,888價格區間帶裡,雖然與最便宜的其它產品價差有NT$ 400,但是,Intel所提供的「5年保固」,卻是比其他產品的3年保固還多2年,兩相比較下,其實頗為划算!因此,在效能狠甩且價格直逼SATA介面SSD固態硬碟的趨勢下,對電競玩家、影音創客們來說,PCIe介面SSD固態硬碟絕對是相當有提升感的聰明選擇!(同場加映:小心低價陷阱!SATA vs PCIe SSD 你該怎麼選?一次告訴你藏在細節裡的魔鬼!)

(延伸閱讀:儲存新趨勢!QLC快閃記憶體參上,SSD儲存戰力再進化的關鍵!)

產品資訊

Intel SSD 660p 1T

(02)2545-1640

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