数据存储(4)：SATA/M.2/PCI-E/AHCI/NVME这些的区别是什么？
Author：zhoulujun Date：
之前在写微星电脑升级固态盘（《MSI电竞笔记本硬盘扩容固态盘选择与内存条选择》）里面提过，固态盘有m.2接口与sata接口。但是不止看接口，还要看协议。今天好好来科普这个。
新一代的固态硬盘普遍采用SATA-2接口、SATA-3接口、SAS接口、MSATA接口、PCI-E接口、NGFF接口、CFast接口、SFF-8639接口和M.2 NVME接口等。
这么多，看着懵B……
1. 物理接口
M.2 , U.2 , AIC, NGFF 这些属于物理接口。
像 M.2 可以是 SATA SSD 也可以是 NVMe（PCIe） SSD。金手指上有一个 SATA/PCIe 的选择信号，来区分两者。很多笔记本的M.2 接口也是同时支持两种类型的盘的。
M.2 , 主要用在 笔记本上，优点是体积小，缺点是散热不好。
U.2,主要用在 数据中心或者一些企业级用户，对热插拔需求高的地方。优点热插拔，散热也不错。一般主要是pcie ssd(也有sas ssd)，受限于接口，最多只能是 pcie 4lane
AIC，企业，行业用户用的比较多。通常会支持pcie 4lane/8lane，带宽上限更高
2. 高速信号协议
SAS，SATA，PCIe 这三个是同一个层面上的，模拟串行高速接口。
SAS 对扩容比较友好，也支持双控双活。接上SAS RAID 卡，一般在阵列上用的比较多。
SATA 对热插拔很友好，早先台式机装机市场的 SSD基本上都是SATA的，现在的 机械硬盘也是SATA接口居多。但速率上最高只能到 6Gb/s，上限 550MB/s左右，现在已经慢慢被pcie取代。
PCIe 支持速率更高，也离CPU最近。很多设备 如 网卡，显卡 也都走pcie接口，当然也有SSD。现在比较主流的是PCIe 3.0,8Gb/s 看起来好像也没比 SATA 高多少，但是 PCIe 支持多个LANE，每个LANE都是 8Gb/s，这样性能就倍数增加了。目前，SSD主流的是 PCIe 3.0x4 lane，性能可以做到 3500MB/s 左右。
3. 传输层协议
SCSI，ATA，NVMe 都属于这一层。主要是定义命令集，数字逻辑层。
SCSI 命令集 历史悠久，应用也很广泛。U盘，SAS 盘，还有手机上 UFS 之类很多设备都走的这个命令集。
ATA 则只是跑在SATA 协议上
NVMe 协议是有特意为 NAND 进行优化。相比于上面两者，效率更高。主要是跑在 PCIe 上的。当然，也有NVMe-MI，NVMe-of之类的。是个很好的传输层协议。
上面的这个看的还是很懵，这篇文章先从SATA-2、SATA-3、M.2接口接口开始，从固态盘Socket 2跟Socket 3到NVME和AHCI协议，一些杂乱的笔记
SATA接口
SATA：是Serial ATA的缩写，即串行ATA
SATA接口，从洞那里分为两部分，少的那边是走数据的，多的那边是供电的。
作为目前应用最多的硬盘接口，SATA 3.0接口最大的优势就是成熟。普通2.5英寸SSD以及HDD硬盘都使用这种接口，理论传输带宽6Gbps（实际读写最高500MB/s左右），虽然比起新接口的10Gbps甚至32Gbps带宽差多了，对于机械音频最高，最高速度也很难突破200。之前的老的2.5英寸SSD也没这么高的需求，500MB/s多的读写速度也够用。到那时新的固态盘，这个就不够用了。
SATA发展简洁
速度越来越快
| Generation | Speed | Special Features |
|---|---|---|
| SATA 1.0 | 1.5Gbs(150 MB/s) | |
| SATA 2.0 | 3Gbs(300 MB/s) | Native Command Queueing(NCQ) support |
| SATA 3.0 | 6Gbs(600 MB/s) | NSQ management feature,Improved power management, Support for new connectors,TRIM Command |
| SATA 3.1 | 6Gbs(600 MB/s) | mSATA support |
mSATA接口
mSATA接口，全称迷你版SATA接口（mini-SATA）。是早期为了更适应于超级本这类超薄设备的使用环境，针对便携设备开发的mSATA接口应运而生。可以把它看作标准SATA接口的mini版，而在物理接口上（也就是接口类型）是跟mini PCI-E接口是一样的。
这玩意很快就死了，因为：mSATA接口是SSD小型化的一个重要过程，不过mSATA依然没有摆脱SATA接口的一些缺陷，比如依然是SATA通道，速度也还是6Gbps。
SAS：Serial Attached SCSI 串行连接SCSI
从外观上看，区别不大，唯一的不同是SATA接口中间有个洞，SAS接口中间那片也没有针脚，但不是一个洞，两边是连通起来的。请放大上图仔细看。
SATA的针脚都是29针的，SAS的针脚就有不同的款型，也有29针的可兼容SATA，如上图。也有36针的mini SAS, 如下图，在企业存储中，mini SAS应用比较广泛
也许你会奇怪36明明比29大，为啥还叫mini SAS呢，因为29针的是平铺，36的是4层，每层只有9针，所以整体体积就小了很多，如上图。除了29和36，SAS还有其他的针脚规格，就不展开。
盘的大小上，SATA一般是3.5寸，SAS一般是2.5寸
SAS也是一种数据传输协议，同样也是SATA对比，SATA 3.0传输速率是6Gb/s, SAS目前应用最广泛的是SAS-3速度是SATA的两倍 12Gb/s简单总结，提到SAS盘的时候可以反应过来，是SAS接口，普通家用是和SATA一样的29针规格的接口，企业存储中多为36针脚的小巧型mini SAS接口，比SATA盘小，2.5寸，速度比SATA快很多。
M.2接口
M.2接口是Intel推出的一种替代mSATA的新的接口规范，也就是我们以前经常提到的NGFF，即Next Generation Form Factor。
早先我们使用的电脑硬盘都是3.5英寸或者2.5英寸IDE或者SATA机械硬盘，这个相信大家都有印象。2.5英寸的设计源自于服务器，由于碟片尺寸更小，2.5英寸机械硬盘更容易实现高转速，如15000rpm，它在容量方面虽然不及3.5英寸机械硬盘，但通过部署多张2.5英寸盘，可以实现更高的IOPS性能。
SSD最早的样式也是源自2.5英寸硬盘，采用SATA接口，可以和SATA机械硬盘无缝衔接，没有兼容问题，但性能更好。这个阶段大概在十年前，特别是当年ThinkPad X300问世的时候，其64GB SLC 2.5英寸SSD可谓是惊艳全场。
PCIe SSD最早可能要追溯到国内的一个小团队，Memblaze，其研究PCIe SSD的时间恐怕比Intel还要早一些，也正是通过其首个PCIe SSD样品，IOPS大约30、40万，第一次让整个SSD行业看到了PCIe的巨大潜力。
早先的PCIe SSD都是AIC（类似显卡）的样式，走私有协议，需要安装独立的驱动程序才能使用。NVMe协议大概是2011年推出的，由Intel发布了首个NVMe产品，但是，真正跟进该协议，并推出全球第二款NVMe SSD的团队，还是Memblaze，甚至比三星、西数、东芝（现在的铠侠）都要早。
链接：https://www.zhihu.com/question/48972075/answer/2488169003
M.2接口的固态硬盘宽度22mm，单面厚度2.75mm，双面闪存布局也不过3.85mm厚，但M.2具有丰富的可扩展性，最长可以做到110mm，可以提高SSD容量。M.2 SSD与mSATA类似,也是不带金属外壳的，常见的规格有主要有2242、2260、2280三种，宽度都为22mm，长度则各不相同。
不仅仅是长度，M.2的接口也有两种不同的规格，分别是“socket2”和”socket3”
一种是金手指有两个缺口的Socket 2跟金手指只有一个缺口的Socket 3，这两种可以走不同的通道，我们后面会说到
看似都是M.2接口，但其支持的协议不同，对其速度的影响可以说是千差万别，M.2接口目前支持两种通道总线
SATA总线：当然，SATA通道由于理论带宽的限制（6Gb/s）,极限传输速度也只能到600MB/s，
PCI-E总线：带宽可以达到10Gb/s，所以看似都为M.2接口
但走的“道儿”不一样，速度自然也就有了差别。
M.2（Socket 2）的固态可以走SATA3或者PCI-E 3.0×2通道(就是两条PCI-E)，而M.2（Socket 3）的固态则可以走PCI-E 3.0×4通道。
PCI-E接口已经发展到 了第4代，PCI-E接口支持1,2,4,8,16个总线宽度。消费级SSD使用的大多数是PCI-E3.0 x4，也就是说消费级SSD最大传输速率理论上可以达到4GB/s，这个比SATA的SSD快了差不多7倍。
| PCI-E Architecture | Interconnect Bandwidth | Bandwidth Lane Direction | Total Bandwidth for x16 link |
|---|---|---|---|
| PCIE 1.1 | 2 Gbs | 250 MB/s | 4 GB/s |
| PCIE 2.0 | 4 Gbs | 500 MB/s | 8 GB/s |
| PCIE 3.0 | 8 Gbs | 1 GB/s | 16 GB/s |
| PCIE 4.0 | 16 Gbs | 2 GB/s | 32 GB/s |
M.2 固态硬盘的两种类型：SATA 和 NVMe https://www.kingston.com/cn/blog/pc-performance/two-types-m2-vs-ssd
NVME和AHCI
其实NVMe跟AHCI都是一种规范——都是逻辑设备接口标准!
AHIC是针对SATA这种接口的数据协议
NVME规范是走PCI-E这种接口的数据协议。
如果是之前老旧笔记本把HDD机械硬盘换成SDD固态盘硬盘，想要让SSD发挥出真正实力的话要去BIOS里面把SATA控制器模式切换成AHCI，对SATA设备来说使用AHCI模式的确是正确的选择，切换成AHCI可获得更好的性能（但是现在最新存储接口M.2和SATA-E接口走的都是PCI-E通道，对与PCI-E来说AHCI可不是一个好的选择，想发挥最佳性能其实需要新的标准——NVMe）。
随着高端SSD的战场已经抛弃SATA向PCI-E转移，老旧的AHCI标准已经不合时宜， 未来是属于NVMe的，那么NVMe到底是啥呢？
NVMe
NVMe全称Non-Volatile Memory Express，非易失性存储器标准，是使用PCI-E通道的SSD一种规范，NVMe的设计之初就有充分利用到PCI-E SSD的低延时以及并行性，还有当代处理器、平台与应用的并行性。SSD的并行性可以充分被主机的硬件与软件充分利用，相比与现在的AHCI标准，NVMe标准可以带来多方面的性能提升。
NVMe的由来
所用的SATA接口与AHCI标准其实是为高延时的机械硬盘而设计的，目前主流SSD依然继续使用它们，早期SSD性能不高时可能还不觉得有什么问题，但是随着SSD的性能逐渐增强，这些标准已经成为限制SSD的一大瓶颈，专为机械硬盘而设计的AHCI标准并不太适合低延时的SSD。
当然，业界早就意识到这一问题，2009年下半年，关于NVMe的技术工作正式启动，NVMe规范由包含90多家公司在内的工作小组所定制，Intel是主要领头人，小组成员包括美光、戴尔、三星、Marvell、NetAPP、EMC、IDT等公司，目的就是为SSD建立新的存储规范标准，让它在老旧的SATA与AHCI中解放出来。
2011年，NVMe标准正式出炉，该标准是根据闪存存储的特点量身定制的，新的标准解除了旧标准施放在SSD上的各种限制。2012年标准升级到NVMe 1.1，2014所推出NVMe 1.2标准。
只有SSD运行在NVMe上
因为NVMe驱动器要比SATA快得多，所以将NVMe与HDD放在一起使用来提高性能似乎是个好主意。但是请记住，NVMe代表非易失性存储接口规范，它是专门为NAND 闪存等非易失性存储设计的(尽管它也可以用于较新的非易失性内存，比如3D XPoint)。
当系统从HDD读取数据时，它一次只能读取一块数据。因为它必须进行旋转以定位到第一个数据块的正确物理位置，然后再次旋转，移动到第二个数据块的正确位置，以此类推。另一方面，闪存和其他非易失性存储技术没有移动部件。这意味着系统可以同时从许多不同的位置读取数据。这就是为什么SSD可以利用NVMe提供的并行性，而HDD不能。
PCIe和NVMe有关系，但它们不是同一个东西
Me最令人困惑的部分是它与PCIe的关系。一些厂商使用NVMe作为标签来指代他们的SSD，另外一些厂商则使用PCIe标签，还有一些厂商似乎可以互换使用这些术语。
虽然PCIe和NVMe密切相关，但两个术语指的是略有不同的技术。可以将PCIe看作是系统的物理部分。当您将一个NVMe SSD插入服务器时，您需要通过一个PCIe插槽连接它。
相比之下，NVMe是一种协议，是一组允许SSD使用PCIe总线的软硬件标准。可以这么说，NVMe是允许存储设备与服务器连接的语言，而PCIe是实际的物理连接。
NVME的优势总结
NVMe的优势一：低延时
说到NVMe标准对比AHCI标准的优势，其中之一就是低延时，看上图比较直观，NVMe标准是面向PCI-E SSD的，使用原生PCI-E通道与CPU直连可以免去SATA与SAS接口的外置控制器（PCH）与CPU通信所带来的延时。
在软件层方面，NVMe标准的延时只有AHCI的一半不到，NVMe精简了调用方式，执行命令时不需要读取寄存器；而AHCI每条命令则需要读取4次寄存器，一共会消耗8000次CPU循环，从而造成大概2.5微秒的延迟。
更低的延时可让SSD的4KB QD1传输能力暴涨！
NVMe的优势二：IOPS大增
另外NVMe也大大的提升了SSD的IOPS性能，在制定AHCI规范时并行性的想法并没有完全融合到规范内，利用NCQ功能可以对传输能力进行优化，但是接口并不允许SSD真正最大限度地发挥其应有的并行性。
现在SSD测试通常最多只会测试到队列深度为32的IOPS能力，其实终究原因这是AHCI的上限，其实许多闪存主控可以提供更好的队列深度。而NVMe则可以把最大队列深度从32提升到64000，SSD的IOPS能力也会得到大幅提升。
NVMe的优势三：功耗更低
NVMe加入了自动功耗状态切换和动态能耗管理功能，设备从Power State 0闲置50ms后可以切换到Power State 1，继续闲置的话，在500ms后又会进入功耗更低的Power State 2，切换时会有短暂延迟。SSD在闲置时可以非常快速的控制在极低的水平，在功耗管理上NVMe标准的SSD会比现在主流的AHCI SSD拥有较大优势，这一点对移动设备来说尤其重要，可以显著增加笔记本和平板电脑的续航能力。
NVMe的优势四：驱动适用性广
驱动程序的兼容性也是所有PCI-E SSD的一个共有问题，每个产品都有对应不同系统的专用驱动，这方面有些厂商做的非常出色，而另一些则 不怎么样，然而许多PCI-E SSD需要加载驱动才能够正常引导。
NVMe标准的出现解决了这个问题，NVMe SSD可以很方便的匹配不同的平台、系统，无需厂家提供相应的驱动就可以正常工作，目前Windows、Linux、Solaris、Unix、VMware、UEFI等都加入了对NVMe SSD的支持。当然Intel的产品拥有自己的驱动程序，不安装Intel驱动的话SSD能正常工作，但是性能不能完全发挥，之前测试Intel 750时就有这个问题，其他厂商的不知道怎么样。
参考文章：
SATA、mSATA、M.2、M.2（NVMe）、PCIE固态硬盘接口详解 https://zhuanlan.zhihu.com/p/490076119
固态硬盘的PCIE，SATA，M2，NVMe，AHCI https://www.cnblogs.com/yi-mu-xi/p/10469458.html
SATA与PCI-E速度对比 https://www.cnblogs.com/chaoguo1234/p/14828624.html
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