M.2 SSD是怎么為計算機加速的？

發布時間：2023-07-03 01:54:33 作者：網友整理

隨著計算機變得越來越小，存儲驅動器等硬件組件也必須變得越來越小。固態驅動器的引入允許超薄型設計，如Ultrabook，但這與行業標準SATA接口相沖突。

mSATA接口旨在創建可與SATA接口交互的薄型卡。當SATA 3.0標準限制SSD的性能時，出現了一個新問題。必須開發一種新形式的緊湊型卡接口來糾正這些問題。

最初稱為NGFF（下一代外形尺寸），新接口已標準化為SATA 3.2版規范下的M.2驅動器接口。

更快的速度

雖然大小是開發接口的一個因素，但驅動器的速度同樣至關重要。SATA 3.0規范將驅動器接口上SSD的實際帶寬限制在600 MB/s左右，這是許多驅動器已經達到的。SATA 3.2規范為M.2接口引入了一種新的混合方法，與SATA Express一樣。

本質上，新的M.2卡可以使用現有的SATA 3.0規范，并限制為600 MB/s。或者，它可以使用PCI Express，根據當前的PCI Express 3.0標準，PCI Express提供1 GB/s的帶寬。1 GB/s的速度適用于單個PCI Express通道，但也可以使用多個通道。根據M.2 SSD規范，最多可以使用四個通道。使用兩條車道理論上可以提供2.0 GB/s，而四條車道最多可以提供4.0 GB/s。

隨著PCI Express 4.0的最終發布，這些速度實際上將翻倍。2017年發布的PCI Express 5.0將帶寬增加到32 GT/s，16通道配置中的帶寬為63 GB/s。PCI Express 6.0（2019）的帶寬又增加了一倍，達到64 GT/s，每個方向允許126 GB/s。

并非所有系統都能達到這些速度。M.2驅動器和接口必須在相同模式下設置。M.2接口使用傳統SATA模式或較新的PCI Express模式。驅動器選擇要使用的驅動器。

例如，采用SATA傳統模式設計的M.2驅動器限制為600 MB/s。雖然M.2驅動器與PCI Express最多兼容四個通道（x4），但計算機僅使用兩個通道（x2）。這導致最大速度為2.0 GB/s。要獲得盡可能快的速度，請檢查驅動器和計算機或主板支持什么。

尺寸越來越小

M.2驅動器設計的目標之一是減小存儲設備的總體尺寸。這是通過以下幾種方式之一實現的。首先，卡的形狀比之前的形狀更窄。M.2卡寬22毫米，而mSATA卡寬30毫米。與50 mm的mSATA相比，30 mm長的卡的長度也更短。不同之處在于，M.2卡支持更長的長度，最長可達110毫米。這意味著這些驅動器可以更大，從而為芯片提供更多空間，從而提高容量。

除了卡的長度和寬度外，還可以選擇單面或雙面M.2板。單面電路板外形薄，適用于超薄筆記本電腦。雙面板允許在M.2板上安裝兩倍數量的芯片，允許更大的存儲容量。這對于空間不那么重要的小型桌面應用程序非常有用。

問題是，除了卡的長度之外，您還需要知道計算機上的M.2連接器是什么類型的。大多數筆記本電腦只使用單面連接器，這意味著筆記本電腦不能使用雙面M.2卡。

命令模式

十多年來，SATA使存儲成為即插即用操作。這是由于簡單的接口和AHCI（高級主機控制器接口）命令結構。

AHCI是計算機如何與存儲設備進行指令通信。它內置于所有現代操作系統中，在添加新驅動器時不需要安裝額外的驅動程序。

AHCI是在硬盤驅動器處理指令的能力有限的時代開發的，因為硬盤驅動器頭和盤片的物理性質。一個包含32條命令的命令隊列就足夠了。問題是，今天的固態驅動器做得更多，但仍然受到AHCI驅動程序的限制。

開發NVMe（非易失性內存Express）命令結構和驅動程序是為了消除這一瓶頸并提高性能。它不使用單個命令隊列，而是提供多達65536個命令隊列，每個隊列最多有65536個命令。這允許對存儲讀寫請求進行更多的并行處理，從而提高了AHCI命令結構的性能。

雖然這很好，但也有一點問題。AHCI內置于所有現代操作系統中，但NVMe不是。驅動程序必須安裝在現有操作系統之上，才能最大限度地利用驅動器。對于許多較舊的操作系統來說，這是一個問題。

M.2驅動器規格允許兩種模式中的任何一種。這使得采用新的界面更容易與現有的計算機和技術。隨著對NVMe命令結構的支持的改進，相同的驅動器可以與此新命令模式一起使用。但是，在兩種模式之間切換需要重新格式化驅動器。

減少功耗

移動計算機的運行時間是有限的，這取決于其電池的大小及其組件消耗的電量。固態驅動器降低了存儲組件的能耗，但仍有改進的余地。

由于M.2 SSD接口是SATA 3.2規范的一部分，因此它包括接口之外的其他功能。這包括一個名為DevSleep的新功能。由于越來越多的系統設計為在關閉或關閉時進入睡眠模式，而不是完全斷電，因此電池會不斷消耗電量，以保持某些數據處于活動狀態，以便在設備喚醒時快速恢復。DevSleep通過創建新的低功耗狀態來減少設備使用的功耗。這將延長進入睡眠模式的計算機的運行時間。

啟動問題

M.2接口是計算機存儲和性能方面的進步。計算機必須使用PCI Express總線才能獲得最佳性能。否則，其運行方式與任何現有SATA 3.0驅動器相同。這看起來沒什么大不了的，但對于許多第一批使用該功能的主板來說，這是一個問題。

SSD驅動器用作根驅動器或引導驅動器時提供最佳體驗。問題在于，現有的windows軟件存在一個問題，即許多驅動器是從PCI Express總線而不是從SATA引導的。這意味著使用PCI Express的M.2驅動器將不是安裝操作系統或程序的主驅動器。結果是一個快速的數據驅動器，而不是引導驅動器。

并非所有計算機和操作系統都存在此問題。例如，蘋果已經開發了macOS（或OSX）來將PCI Express總線用于根分區。這是因為在M.2規格最終確定之前，蘋果在2013年MacBook Air中將其SSD驅動器切換為PCI Express。Microsoft已更新Windows 10以支持新的PCI Express和NVMe驅動器。如果支持硬件并安裝了外部驅動程序，則舊版本的Windows也可以工作。