雜說快閃記憶體四：快閃記憶體硬碟介面大比拼

取代IDE並行介面之後，SATA串列介面就一直在不緊不慢地提速，1.5Gbps、3Gbps、6Gbps……面對機械硬碟，這一切都綽綽有餘，但是這幾年固態硬碟突飛猛進，SATA介面完全吃不消了。新的介面不斷被提出來，mSATA，SATA Express，M.2，U.2等等。我們一起來看看他們都是什麼，各有什麼優缺點。

SATA

隨著PC匯流排串列化趨勢，硬碟匯流排從IDE進步到SATA I後，歷經SATA II和SATA III，速度穩步提高：

看起來形式一片大好。與此同時引入了NAND Flash的SSD硬碟以其高速穩定的特性，慢慢得到了越來越廣泛的使用。巨大的需求催動著SSD廠商不斷提高硬碟速度，終於在SATA III的時候SATA的帶寬已經成為制約數據傳輸的瓶頸。例如NAND ONFI （Open NAND Flash Interface Working Group） 3.0 的單通道介面速度達到400MB/s，而高端主控可以做到8通道，400 × 8 = 3.2GB/s（僅僅是理論帶寬），大大超過SATA III的6Gbps的理論帶寬。業界開始企圖借鑒SAS 12Gbps，然而由於種種原因，在這條路徑遇到了巨大的阻力，加上即使成功也會立刻面臨帶寬不足的窘境，不得不另做他圖。SATA IO組織將目光關注到了成熟的PCIe上。 同時SATA巨大的介面也與PC小型化背道而馳：

業界開始在不同的維度尋找替代方案。

SATA Express

SATA Express可以簡寫為SATAe，在2013年隨著SATA 3.2規範被公布。它是一個將SATA、PCI-E信號綜合在一個介面內的規範，因此它完全兼容現有SATA設備、數據線，唯一的不同就是它可以連接PCIe固態硬碟。SATAe可以使用兩個PCIe的Lane，如果你看過我們前面的文章（深入PCI與PCIe之一：硬體篇 - 知乎專欄），你就知道它在Gen3的情況下理論帶寬是2GB/s。這在現在看起來似乎有些令人失望，畢竟三星 950 Pro等性能怪獸早超過了2GB/s，但是在2013年這還是個不錯的選擇。在2014年隨著Intel Z97/H97晶元組的上市，SATAe設備開始進入了普通用戶的視野。在Z97晶元組中，SATAe控制器佔據PCH的兩個PCIe Gen2的lane，帶寬有1GB/s，作為起步產品，大大緩解了當時SATA III對SSD硬碟速度的限制，並為以後留下了足夠的發展空間。

為了保證與SATA的兼容，SATAe同時支持老的SATA AHCI和新的NVMe標準，如下圖：

同時為了兼容老的SATA介面，SATAe介面經過特殊設計，可以同時支持老的SATA硬碟，我們一起來看幾個SATAe介面圖片：

（介面設計）

（背板介面）

（主板介面）

（電纜）

介面看起來很奇怪不是嗎？介面實際上它是兩個SATA數據介面+一個PCIe ×2lane組成，同時還不支持供電！

這是妥協的結果，這樣老的SATA硬碟可以繼續發揮餘熱，新的SATAe硬碟在不支持NVMe時還可以選擇走老的AHCI主控（host）。PC世界的古老經驗告訴我們，想要一步到位進行激烈的變革往往會被市場所淘汰，傳統和已有的投資都驅動客戶選擇保守的方案。SATAe介面這種漸進的策略現在看起來似乎是個好主意了，然而如果讀者你說你從來沒有看到過這種硬碟，我一點也不驚訝。SATAe介面推廣極其緩慢，這和它的孿生兄弟M.2關係密切。

M.2

M.2，正式名字是NGFF（Next Generation Form Factor）。它設計的初衷是替代mSATA/MiniPCIe（已淘汰，這裡略過）。它們有時候看起來很像，我們把它們放到一起比較一下：

注意金手指大小和寬度。M.2實際上是一種SATAe的一種特殊形式，它也同時支持AHCI和NVMe兩種協議棧，並和SATAe一起在Z97/H97晶元組上市時得到支持。開始的NGFF（想一想，這裡為什麼不寫M.2?）和SATAe一樣，只佔據PCIe Gen2的兩個lane，帶寬是1GB/s，在後代晶元組中擴展為佔據PCIe Gen3的4個lane，帶寬是4GB/s。Intel開始對其的定位是面向筆記本電腦和嵌入式設備等空間狹小的設備，然而市場卻給出了不同的答案，M.2同時在筆記本和台式機市場上受到熱捧。台式機上不是SATAe一統江湖，而是很多採用SATA+M.2的奇怪搭配。

市場總是正確的，是時候放棄SATAe了，當然也不能退回去選擇SATA，於是它的繼任者U.2來了。

U.2

U.2，也叫做SFF-8639，它和M.2一樣脫離了SATAe的2個lane的限制，一開始就是4個lane，也是4GB/s。它和M.2很大的不同就是脫離了M.2小身板的限制，可以做出容量更大的SSD硬碟：

於此同時U.2的設備端介面融合了SATA及SAS介面的特點，中間用針腳填滿了SATA介面留下的空缺，並預留了L型防呆設計，所以可以兼容SATA、SAS及SATA E規範，保證了向後兼容性。現在唯一缺憾是市面上支持它的主板很少，如果讀者想要體會它的速度，可以用U.2轉M.2轉接板。

結語

1. 經常有朋友問我如何提高電腦的性能，其實在很多時候硬碟對整體的啟動和響應速度影響巨大，我的建議總是啟動盤立刻淘汰機械硬碟（僅僅做為數據倉庫），至少換成SATA介面的SSD，在資金還有餘量的情況下還應該選擇支持NVMe的M.2或者U.2介面硬碟。

2. M.2的SSD魚龍混雜，介面的兼容性導致AHCI主控和NVMe主控都有市場空間，主板上雖有M.2的介面但不一定支持NVMe。讀者在選購時要仔細甄別，同時檢查SSD和主板對NVMe的支持程度。

3. Intel和不少供應商推出大容量PCIe板卡形式的SSD，如750系列，使用NVMe主控，容量將近1.5TB，不過價格也是相當「喜人」。

4. 如前文所述（雜說快閃記憶體一：關公戰秦瓊之 UFS VS NVMe），三星950 pro和Intel的傲騰讀取速度已經接近M.2的理論帶寬4GB/s情況下，硬碟介面向何處去呢？實際上PCIe Gen4將在今年年底前公布，屆時4個lane的帶寬可以達到8GB/s！而在青黃不接的時候，有廠家將SSD存儲作成PCIe ×16 lane的板卡，可以大大緩解帶寬緊張的問題。

5. 下文將對比AHCI和NVMe協議棧，同時介紹開源UEFI中相應的驅動。

6. 快閃記憶體系列其他文章：

雜談快閃記憶體三：FTL - 知乎專欄

雜談快閃記憶體二：NOR和NAND Flash - 知乎專欄

雜說快閃記憶體一：關公戰秦瓊之 UFS VS NVMe

雜說快閃記憶體番外：SSD硬碟如何進行日常維護和Trim

雜說快閃記憶體番外：手機為什麼越用越卡和快閃記憶體寫放大

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