新時代的前夜 看清當前存儲市場

如今回首近些年的電腦配置，有點尷尬的是，多年以來，電腦中最短的那塊短板一直沒有變化，數(shù)據(jù)存儲始終無法跟上電腦其他配件的發(fā)展。當然，各個廠商也早就看到了這一點，為此而做出的努力并不少，只是結果……似乎并不能讓人滿意。好在近期的幾項技術和產(chǎn)品發(fā)展，終于可能改變這一現(xiàn)狀了，只是在真正的黎明到來前，混亂的市場還是需要我們來好好地捋一捋。

NVMe與PCIe升級 黎明就在前方

讓數(shù)據(jù)存儲跟上其他配件的腳步，技術早已不是問題，畢竟在半導體工業(yè)如此發(fā)達的今天，半導體存儲的速度已經(jīng)可以達到很高的水平。比如內(nèi)存顆粒就是一種特殊的半導體存儲設備，它一直在追隨著CPU、GPU的腳步，提供了滿足它們需求的高速數(shù)據(jù)存取服務。

所以，僅以半導體存儲來說，規(guī)范標準、接口速度、價格成本才是其跟上其他配件的速度腳步的關鍵。其中最重要的，較新的固態(tài)硬盤規(guī)范標準和接口速度，在當前的消費級電腦中基本是一一對應的。即基于PCIe總線的消費級SSD絕大多數(shù)使用M.2接口，而NVMe 1.x規(guī)范也與PCIe版本有明顯的對應，例如NVMe 1.3針對基于PCIe 3.0總線的產(chǎn)品，NVMe 1.4針對PCIe 4.0（圖1）。未來可能帶來巨大改變的，則是NVMe 2.0和PCIe 5.0.

●PCIe 5.0

英特爾平臺在總線配置上的急迫已經(jīng)不用贅述，11代酷睿引入PCIe 4.0，12代酷睿就提供了PCIe5 .0通道。這既有其支持標準已經(jīng)過于落后的原因，也有為基于PCIe5.0/6.0的CXL總線技術做準備的考慮，但從最基礎的原因看，快速升級的英特爾和最終決定在Zen4架構中引入PCIe 5.0的AMD一樣，當然還是對PCIe 5.0又一次翻倍的帶寬（圖2）感興趣。

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在當前的電腦中，PCIe通道的主要使用者其實只有兩個，顯卡與存儲。前者可以利用更大的帶寬與CPU、內(nèi)存通信，而且還在PCIe4.0的支持下實現(xiàn)了Smart AccessMemor y（智能尋址顯存技術）（圖3）等，看似非常美好。但近期關于RTX 40的一個新消息卻讓人看到了另一個現(xiàn)實，就是實際上顯卡的GPU與板載高速顯存已經(jīng)形成了很好的循環(huán)架構，GPU和顯卡架構沒有重大變化的情況下，對接口的速度要求并不高，畢竟旗艦級RT X 30才勉強用滿PCIe3.0×16插槽帶寬，架構類似的RTX 40升級至四倍帶寬的PCIe 5.0沒有什么必要。當然，AMD的RDNA系列架構更新一些，它的最新發(fā)展型RDNA3（圖4），也就是R X7000系列是否會積極地升級到這一標準還是個未知數(shù)，但至少在能否充分利用其帶寬上，筆者認為答案應該也是否定的。

相對于顯卡，存儲對PCIe 5.0通道的利用就直接得多，在允許的情況下，有多大的帶寬，就提供多高的存取速度。除此之外，PCIe 5.0還能帶來很多額外的好處，例如使用系統(tǒng)內(nèi)存做緩存的HBM（Host Memory Buffer，主機內(nèi)存緩沖）技術（圖5），在PCIe 5.0的高帶寬下，顯然會有更好的表現(xiàn)。

對玩家來說，英偉達的RTX IO和Windows11的DirectStorage可以大幅提升游戲畫面從SSD到屏幕的速度。而它們也需要更高的PCIe傳輸速度，才能讓游戲數(shù)據(jù)同時向CPU與GPU分發(fā)（圖6），達到快速解壓畫面材質(zhì)等數(shù)據(jù)，加快圖像處理速度的目的。

不過這里也有兩個問題，首先是PCIe 5.0平臺的普及速度。由于當前支持PCIe 5.0的消費級平臺僅有12代酷睿及相關主板，還要去除為了降低成本而降低配置的部分入門級主板。盡管12代酷睿表現(xiàn)良好，市場占有率快速上升，但仍不足以吸引廠商推出PCIe 5.0 SSD。

第二個問題就是PCIe 5.0 SSD的開發(fā)程度了，事實大概會出乎很多人的意料。PCIe 5.0SSD其實早就出現(xiàn)在商用市場（圖7）上。即使是消費級產(chǎn)品，在年初的CES展前和展中也推出了不少相關的主控，其中有一些并非概念產(chǎn)品，而是進入了實際測試階段，按照正常的周期，它們早就應該上市，或者至少有相關消息了。至今沒有上市消息的原因則不外乎是兩個，一是前面提到的PCIe 5.0普及度問題，二是PCIe 3.0/4.0SSD仍有巨大的利益，廠商不愿意用新品來影響其市場。

從這兩個方面看，筆者預計PCIe 5.0 SSD的上市時間很可能會在暑促期間，與Zen4平臺的發(fā)布同步，以獲得最大的宣傳效果，同時也可以借助暑促和Zen4平臺的發(fā)售增加銷量。

至于實際產(chǎn)品，如果從當前已經(jīng)公布的主控能力看，我們很可能會看到上市即巔峰的14GB/s級別滿速SSD（圖8），這一速度已經(jīng)極為接近PCIe 3.0×16插槽，只是略低于DDR4 2400這一不久前的主流內(nèi)存速度（圖9）。能想象嗎？曾經(jīng)需要使用內(nèi)存虛擬硬盤軟件才能獲得的速度，很可能會在TB級別容量的SSD上獲得。當然這些旗艦級產(chǎn)品的價格肯定會相當高昂，那么我們也可以關注與之配合的8GB/s～10GB/s級別中端型號，預計價格定位應該與當前的PCIe 4.0旗艦級型號相當甚至還低一些，性價比當然更好。

除此之外，PCIe 5.0的入門級S SD也可以通過其高帶寬獲得更高速的HBM緩存助益，也許在這一類型S SD中會徹底取消板載緩存設計，代之以HBM+SLC虛擬兩級緩存，分別用于存放FTL表（Flash Translation Layer，閃存轉換層）和臨時數(shù)據(jù)。前者用于從系統(tǒng)的邏輯地址轉換為SSD上的物理地址，便于主控快速定位存取數(shù)據(jù)，需要高速讀寫，并不適合放置在SLC虛擬緩存中。更有甚者，如果HBM模式得到充分開發(fā)，還可以與NVMe新版本中的相應功能和混合架構CPU配合，讓CPU（特別是其中的效能核）承擔SSD主控的部分功能，讀取系統(tǒng)內(nèi)存中HBM的數(shù)據(jù)，并將系統(tǒng)需求地址轉換為S SD地址再向SSD申請，進一步加快存取速度的同時還能簡化主控，降低SSD成本。

PCIe 5.0對另一方面的存儲需求也大有裨益，那就是移動存儲。其實從供電、傳輸速度等方面的能力以及配置數(shù)量等方面看，雷電接口的使用方式已經(jīng)和US B有了一定區(qū)別，其最主要的連接設備顯然是外部高速存儲（圖10）。但如今要想獲得最強的外部傳輸速率，滿速的雷電4已經(jīng)需要使用2條PCIe 4.0通道，再提速就需要4條PCIe 4.0通道支持一個雷電接口，顯然太“浪費”了。如果未來平臺PCIe 5.0通道的數(shù)量可以提升，那么在顯卡和SSD之外，就可以使用PCIe 5.0來支持雷電接口，只需單通道就能提供滿速雷電4，下一代雷電接口才有可能提升速率。

NVMe 2.0

作為一次規(guī)范標準的大版本更新，NVMe 2.0的變化非常大，在針對SSD的管理上，至少有三個值得注意的新功能。

分區(qū)命名空間（ZNS）技術可以根據(jù)數(shù)據(jù)的使用頻率，將其集中放置于存儲設備的某些區(qū)域（圖11），并且通過一種類似命名的區(qū)域管理方式劃分區(qū)域（應該是通過F T L表的能力來實現(xiàn)），從而減少對存儲數(shù)據(jù)的重寫和重新排列。這不僅能提升讀寫效率，應該還能減少額外的寫入消耗，提升SSD使用壽命。

持續(xù)性群組管理則是一種新的存儲管理機制，可以允許靈活和動態(tài)的SSD配置，可實現(xiàn)動態(tài)容量管理和混合模式NAND操作，也許未來不僅會有模擬SLC緩存，還會出現(xiàn)真正的TLC+QLC顆粒甚至再加上SLC顆粒，分別應對不同需求的混裝SSD。

關鍵值（KV）命令集將允許應用程序直接與驅(qū)動器控制器通信，無需再使用內(nèi)存地址塊。這可以降低CPU的計算負荷，但需要SSD支持相關命令集，也就是所謂的KV-SSD。

需要注意的是，與前文提到的NVMe標準與PCIe版本幾乎一一對應不同，NVMe 2.0的重大更新可能不會在第一代PCIe 5.0 SSD上全部體現(xiàn)，也許有相當多的PCIe 5.0SSD實際仍采用NVMe 1.4標準。好在這種組合的應用性能應該是沒有問題的，因為面向數(shù)據(jù)中心和企業(yè)用戶的第一代，甚至很多第二代商用級PCIe 5.0 SSD（圖12）其實就采用了這種組合。

另外，NVMe 2.0的一個重大改進就是模塊化技術規(guī)范，商用產(chǎn)品當然要使用嚴格的企業(yè)級標準，這可能也是很多商用級PCIe 5.0 SSD不使用NVMe 2.0的原因。而消費級產(chǎn)品則可以放棄一些過高的要求，只使用部分NVMe 2.0技術規(guī)范，此時是否還能標稱為NVMe 2.0標準產(chǎn)品也尚未可知。

除了對SSD的支持外，NVMe 2.0還提供了一個非常引人矚目的新功能——支持“旋轉存儲介質(zhì)”，說白了就是使用旋轉磁碟的傳統(tǒng)機械硬盤。也許有些人對NVMe的這一功能感到非常奇怪，難道機械硬盤能達到600MB/s以上的傳輸率嗎？也許我們真的快要迎來這樣的產(chǎn)品了。

無法割舍的容量 機械硬盤

當主流SSD向TB級別進發(fā)時，同價位下，機械硬盤保持著4倍的容量優(yōu)勢（圖13），讓很多資金有限，數(shù)據(jù)量又很龐大的用戶難以割舍。而在高端市場上，機械硬盤更是已經(jīng)可以穩(wěn)定大量地提供16TB以上容量產(chǎn)品，但大部分S SD產(chǎn)品系列的最高容量卻停留在4T B。所以至少在可見的未來，機械硬盤仍將與SSD一起，擔負起數(shù)據(jù)存儲的大任。

至于前面提到的能讓SATA接口的速率捉襟見肘的技術，其實已經(jīng)公布了一段時間，只是因為各種原因而延誤了最終產(chǎn)品的面世，在近期我們也終于見到了它們的真容和實際表現(xiàn)。

●速度翻倍 多讀寫臂技術

傳統(tǒng)的硬盤中雖然有多個讀寫懸臂和磁頭，配合多個磁碟的上下表面數(shù)據(jù)層，但它們都固定在同一個動作機構上，不能做相對運動（圖14）。也就是說，當讀寫第一張磁碟的上表面某處數(shù)據(jù)時，第一張磁碟的下表面磁頭，以及其他所有磁碟的磁頭，可能都位于不需要的數(shù)據(jù)區(qū)域，沒有進行任何讀寫，讀寫其他存儲面的數(shù)據(jù)時也是如此。

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多讀寫臂技術（Multi Actuator）就是為了擺脫這個限制而開發(fā)的，它安裝了兩組（未來可擴充為更多組）可獨立運作的懸臂，可以提供兩個并行的數(shù)據(jù)流（圖15），兩組磁頭可以同時讀取、寫入，或者一讀一寫，可極大地提升機械硬盤的吞吐能力，這與RAID 0的實際效果很相似，不過只需要單個硬盤就能實現(xiàn)。

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希捷近期推出的Exos銀河系列Mach.2 14TB（Exos2 X1 4）硬盤是首款采用這一技術的產(chǎn)品（圖1 6），在7200RPM的轉速下，其最高讀寫速度達到了524MB/s，是目前世界上速度最快的機械硬盤，已經(jīng)達到高端SATASSD的水平。其接口為商用硬盤的SAS 12Gb/s，暫時還不會成為瓶頸，但當這一技術如果加入消費級產(chǎn)品中，SATA3（6Gb/s）的接口速率就很勉強了，應該是最適合NVMe2.0規(guī)范的機械硬盤產(chǎn)品。

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當然，這一技術也要付出一定的代價，除了成本之外，功耗是肯定會增加的，比如Exos銀河系列Mach.2 14TB的空閑時功耗為7.2W，重負載時功耗13.5W，比20TB容量的Exos X20功耗更高。這一功耗甚至大幅超越了需要額外增加激光、微波源的新一代輔助記錄技術。

●容量大增 輔助記錄技術

近期的機械硬盤中，還出現(xiàn)了希捷（熱輔助磁記錄）和東芝FC-MAMR（微波輔助磁記錄）等提升數(shù)據(jù)存儲密度的技術，并通過這些技術推出了18TB～20TB容量產(chǎn)品（圖17）。從當前的發(fā)展趨勢看，在20TB以上的機械硬盤中，它們很可能成為必備技術。

這些技術的原理都類似，是在磁頭前方增加激光或微波模塊，通過激光加熱（圖18）或微波照射的方式，讓磁頭即將處理的位置產(chǎn)生磁場變化，降低超順磁效應，可以縮小數(shù)據(jù)位，增加數(shù)據(jù)密度，據(jù)稱可達到每平方英寸500GB的存儲容量。存儲密度的增加不僅可以使用同樣的磁碟數(shù)獲得更大容量，還可以在同樣的轉速下獲得更高的讀寫速度。

⒅左側為標準的PMR磁頭，右側為采用激光進行輔助加熱的HAMR磁頭

火速鏈接

本刊2022年第7期《超級數(shù)據(jù)中心 希捷酷狼Pro 20TB硬盤》一文詳細介紹了希捷使用HAMR技術的產(chǎn)品，感興趣的朋友可以參考。

摸得到的變化 新品與價格

如果說前面提到的技術與產(chǎn)品還距離我們比較遙遠，那么近期一些市場變化應該可以更好地預示著新時代，正準備裝機升級的朋友更可以直接買來體驗新時代的到來。例如3000MB/s級別的新M. 2 SSD價格進一步降低，在容量價格比、性能價格比上全面超過了SATA SSD和較早的2000MB/s級別M.2 SSD（圖19）。這些產(chǎn)品采用更高堆疊層數(shù)TLC或QLC，而且隨著技術的進步，其中的QLC顆粒的寫入壽命也已經(jīng)達到了500次左右，已經(jīng)完全夠用，還能配合HBM等技術獲得較好的持續(xù)寫入速度與IOPS。

追求高性能的用戶則可注意最新的5GB/s～7GB/s級別PCIe4.0 SSD，這些產(chǎn)品紛紛進駐高速PCIe 3.0 SSD讓出的價格位，成為中端乃至主流平臺的好選擇。