PCIe SSD（外设组件互连 Express 固态驱动器）

引言

PCIe SSD（外设组件互连Express固态硬盘）是一种扩展卡，用于促进计算机与其外部外设之间的高带宽通信。外设组件互连Express标准规定了这项串行扩展总线技术的使用。

PCIe插槽有五种不同的尺寸。理解数据在通道之间的复杂流动至关重要，这些通道用x2、x4、x8、x16和x32等标签表示。这里的“x”后面的数字表示用于双向数据交换的通道数。

PCIe 历史

外设组件互连Express（PCIe）标准的开发经历了几个阶段，其特点是取得了重大的进展和改进。

首先，Arapiro工作组（AWG），包括英特尔公司的人员，已经发展到包含其他行业的代表，并构成了PCIe标准的基础。最初称为HSI（高速互连），后来更名为3GIO（第三代I/O），该规范最终被选定为下一代接口技术：PCIe。

PCIe 1.0a：作为PCI-SIG联盟的第三代产品，于2003年问世，它成为一种成熟的协议，每个通道传输250 MB/s和2.5 GT/s。

PCIe 1.0a：它的名字是PCI Express，并于2003年由PCI-SIG推出。这是第一代，每个通道具有8x 250 MB/s的数据速率和2.5GT/s的传输速率。

PCIe 1.1：于2005年发布，集成版本专门用于改进早期PCIe 1.0b仅进行了细微改进的地方；然而，每个通道的数据速率和数据传输速率保持不变。

PCIe 2.0：第二代于2007年首次发布，其数据传输速率是PCIe 1.0的两倍或更多。同样，对于协议而言，PCIe 2.0输入卡规范能够运行高达500 MB/s的并行数据速率，并支持当前的PCIe 1.x和旧式PCI卡。

PCIe 3.0：在经过几次推迟后，于2010年11月由PCSI-SIG发布的PCIe标准旨在改进信号传输，从而提高数据完整性。PCIe 3.0的数据速率是其前代的两倍（每通道984.6 MB/s），传输速率为8 GT/s，超出了之前的性能。

PCIe 4.0：PCI-SIG于2011年11月正式发布了PCIe4.0，其每通道数据速率和传输速率是3.0的两倍。与PCIe 3.0不同，PCIe 4.0版本提供了1969 MB/s的改进数据速率和16 GT/s的传输速率。PCIe 4.0版本支持向前和向后兼容。

PCIe 5.0：PCI-SIG于2017年6月开放了上游规范，在16通道配置下达到32 GT/s，每方向速度从32 GB/s翻倍到63 GB/s。2019年5月29日，该规范得以固化，大规模生产初步定于2020年。

PCIe 6.0：PCI-SIG于2019年6月18日公布了开发PCIe 6.0的计划。PCIe 6.0预计将在16位配置中使用64 GT/S带宽。因此，双向带宽将达到128 GB/s。通过实施低比特四（4级PAM-4）和低延迟FEC（前向纠错）来减少错误，进一步提高了字符串的效率。虽然PCIe 6.0的数据传输速率预计在2021年发布，但它提供64 GT/s的数据传输，并且在x16配置下数据传输速率高达256 GB/s。

代际比较

PCIe SSD 如何以及为何被使用？

PCIe接口是设备用于连接计算机的其他组件（如图形处理单元（GPU）、附加卡、存储设备等）的接口。

在考虑服务器上的PCIe SSD与SATA驱动器相比时，我们需要牢记兼容性、速度和容量等因素。与仅限于单个通道工作的SATA接口不同，PCIe SSD使用多个通道进行数据传输，从而提高了顺序速度。

理所当然，为了满足其对新兴技术的需求，Nvidia雄心勃勃地涉足了SSD领域，并吹嘘其PCIe SSD能够提供极快的速度和极低的延迟。

在服务器级闪存部署架构中，PCIe固态硬盘（SSD）目前正被用作替代品，以取代原本依赖串行附加SCSI（SAS）和存储SSD的融合存储解决方案。PCI Express充当图形卡或任何其他附加卡的数据传输的底层传输层。通过将闪存直接安装在系统主板上并使用PCIe接口，PCIe SSD将闪存集成到系统中。PCIe的一个作用是为与主机连接的每个设备建立直接串行模式连接，从而防止总线共享。与传统的轮辐式拓扑结构相比，这种架构被称为点对点设计。它不仅加快了数据传输速度，还最大限度地减少了服务器和存储之间的延迟。

PCIe技术

除了其他四种NVMe外形规格选项外，PCIe技术也备受瞩目。基于PCIe的SSD在性能上优于SATA/SAS/Fibre Channel SSD。

PCI-SIG（PCI特殊兴趣小组）负责PCI-Express类产品的模块，并提供要应用的接口规范。下一代PCIe 7.0预计将在2025年作为PCI-SIG成员的目标发布的一部分推出，在PCIe x16配置下，传输速率为每秒128千兆传输，高达512千兆比特每秒。

随着PCIe 7.0的推出，USB变得更加强大：脉冲幅度调制仍然是首选方法，具有4个信号级别，并且完全向后兼容。预计的版本包括对通道参数的改进以及电源效率的提高。

因此，在PCIe 4.0标准中，GPU和SSD占据了绝大多数用户的设备。对于PCIe 4.0驱动的设备和服务器来说，其速度略高于8通道PCIe卡可达到的4GBps。例如，目前有一种新趋势，即PCIe 5.0 SSD（固态硬盘）将由商家生产。

需要多少速度？

确定所需速度时，我们的主要关注点将主要取决于具体的系统需求和所使用的应用程序的需求。NVMe技术是专门为通过PCIe接口在闪存中工作的而量身定制的，已成为SSD的主要解决方案。NVMe的一个关键特性是它优化了命令集，以利用PCIe SSD的并行性，设计了一套能够捕捉高速操作特性的命令，从而产生更快的性能。NVMe SSD通常通过M.2或U.2连接到PCIe控制器。

PCI Express接口已实施在PCI-SIG通用标准中，该标准引入了M.2 SSD，具有PCIe连接性，适用于板载扩展卡。M.2（下一代外形规格），取代了Mini-SATA外形规格，使用非易失性内存Express（NVMe）接口来最小化SSD存储操作完成所需的时间。

2022年，PCIe 6.0问世，由于增加了四个通道，NVMe SSD M.2 PCIe的理论吞吐量被设定为每秒64 GB。这个性能指标已经接近极限，但似乎略高于大多数组织目前的要求，因为每个人都在满负荷工作。

然而，行业预测表明，在可预见的未来，数据将持续爆炸式增长。这与对高速存储和应用程序的需求相结合，推动了PCIe技术的不断发展。

利用PCIe闪存的企业级应用程序通常涉及以微秒为单位的读/写访问。数据中心部署PCIe闪存以满足工作负载严苛的输入/输出需求，这些工作负载要求低延迟和卓越的性能，包括数据分析、图形渲染、内存数据库应用程序、机器学习、在线事务处理和数据仓库。

PCIe SSD和SATA SSD之间的区别

如前所述，PCIe连接的SSD超越了SATA或SAS连接的SSD的限制。数据传输速度取决于分配给每个SSD的PCIe通道数。根据PCIe 3.0规范，一个拥有16个通道的PCIe SSD可以达到大约32千兆字节每秒（Gbps）的传输速率。相比之下，配备SATA III控制器的SSD提供的最大传输速率约为600兆字节每秒（MBps）。

虽然SATA v3.2引入了SATA Express连接器，可以同时支持SATA和PCIe协议，但PCIe SSD在速度方面通常优于SATA SSD。尽管SATA SSD拥有强大的硬件功能，但它们在速度上不及PCIe SSD。

对于需要最大性能进行频繁文件传输的场景，PCIe是最高效的选择。然而，如果预算有限，SATA是一个更具成本效益的解决方案。PCIe SSD的每千兆字节成本通常高于SATA SSD。

PCIe SSD的缺点

尽管PCIe SSD以其提供的性能而闻名，但也有一些使用它们的合理原因。由于PCIe总线是通用的数据传输通道，能够传输包括图形、音频、视频和处理数据在内的广泛电信号，这可能会因其交互而使系统变得复杂，PCIe SSD通常比普通SSD更贵。每千兆字节的成本几乎高出一便士。

另一个缺点是存储过程没有采用标准协议，这可能需要PCIe SSD相关硬件的制造商创建并确保这些软件驱动程序与不同操作系统兼容。

此外，与SATA相比，PCIe SSD在电池寿命方面的一个缺点是它们不如SATA高效。尽管如此，对于网页浏览或电子邮件通信等活动，CPU或RAM的强制因素更为重要，而PCIe SSD和SATA SSD在这方面存在很大差异。

PCIe SSD 成本与市场

导致NVMe技术日益成为常态的主要原因之一是闪存价格的下跌，这反过来又改善了企业级PCIe SSD系统的可负担性。

PCIe SSD的价格会根据品牌和可用容量而变化。以下是各大供应商提供的部分PCIe存储选项的快照，同时满足企业和消费者的需求：以下是各大供应商提供的部分PCIe存储选项的快照，同时满足企业和消费者的需求

• 然而，台湾芯片制造商Adata最近公开了其全新的XPG系统，采用PCIe 5.0，内存容量高达8 TB的NAND闪存。
• HPE容量为1.92 TB - 15.36 TB的企业级PCIe 4.0 NVMe SSD可以配置用于HPE型号的服务器和存储产品。
• 英特尔公司（Intel Corp.）的P3700系列，属于其固态硬盘数据中心系列，通过提供类似于多个SATA SSD的性能提升，具有集成能力。
• 对于企业，金士顿科技（KINGSTON TECHNOLOGY）推出了混合工作负载NVMe SSD，如KC3000 PCIe 4.0 M.2和DC1500M U.2四通道PCIe 3.0。
• Kioxia，东芝（Toshiba）的子公司，提供CD7系列4.0 PCIe NAND闪存SSD和XD v2.0 EDSFF PCIe 4.0驱动器，专为大型数据中心配置。
• 美光科技（Micron Technologies）是一家SSD制造商，营销Crucial P5 Plus和Crucial P3 Plus系列NVMe标准产品，分别面向高性能计算和数据密集型应用。
• 三星（Samsung）首次推出了Gen5 PCIe驱动器，型号为PM1743。它们的数据传输速度可达13,000 MBps。三星有两种类型的NVMe SSD：Pro PCIe 4.0 NVMe SSD的容量范围从500 GB到2000 GB，起价为49.99美元。
• 希捷（Seagate）宣布向竞争对手推出丰富Nytro 5050 NVMe SSD系列产品线，起价为12.8 TB和15.4 TB。
• SK海力士（SK Hynix）新款PCIe 4.0 Micronic SSDS，采用不同设计的ASIC机箱，是SK海力士公司PE9000产品系列中的产品之一。
• 西部数据（western digital）推出了WD_Black SN850X NVMe SSD，有1 TB、2 TB和4 TB三种不同的存储容量，起价为59.99美元。

除此之外，三星和西部数据在NVMe分区命名空间（zoned namespaces）的驱动技术开发方面是合作伙伴，通过将数据顺序写入SSD的分区命名空间，使NVMe SSD具有更好的速度、容量和耐用性。

结论

PCIe SSD（外设组件互连Express固态硬盘）与其它存储选项相比，提供了强大的功能。通过配置通道、额外的EMI保护层和高数据传输速率，PCIe SSD提供了显著更好的性能，使其成为需要快速存储和高效数据传输的应用程序的理想选择。随着PCIe技术的不断发展，以及PCIe 7.0等即将推出的标准承诺更高的速度和效率提升，对PCIe SSD的需求预计将不断增长。尽管与SATA SSD相比成本较高，但PCIe SSD因其技术性能优势以及在企业和消费品市场中与支持性IT基础设施的兼容性而受到青睐。随着跨各种应用的高速数据存储需求不断增长，PCIe SSD与NVMe和基于PCIe的存储解决方案相结合，前景光明。