新时代的前夜看清当前存储市场

2022-05-30

电脑爱好者 2022年10期

如今回首近些年的电脑配置，有点尴尬的是，多年以来，电脑中最短的那块短板一直没有变化，数据存储始终无法跟上电脑其他配件的发展。当然，各个厂商也早就看到了这一点，为此而做出的努力并不少，只是结果……似乎并不能让人满意。好在近期的几项技术和产品发展，终于可能改变这一现状了，只是在真正的黎明到来前，混乱的市场还是需要我们来好好地捋一捋。

NVMe与PCIe升级黎明就在前方

让数据存储跟上其他配件的脚步，技术早已不是问题，毕竟在半导体工业如此发达的今天，半导体存储的速度已经可以达到很高的水平。比如内存颗粒就是一种特殊的半导体存储设备，它一直在追随着CPU、GPU的脚步，提供了满足它们需求的高速数据存取服务。

所以，仅以半导体存储来说，规范标准、接口速度、价格成本才是其跟上其他配件的速度脚步的关键。其中最重要的，较新的固态硬盘规范标准和接口速度，在当前的消费级电脑中基本是一一对应的。即基于PCIe总线的消费级SSD绝大多数使用M.2接口，而NVMe 1.x规范也与PCIe版本有明显的对应，例如NVMe 1.3针对基于PCIe 3.0总线的产品，NVMe 1.4针对PCIe 4.0（图1）。未来可能带来巨大改变的，则是NVMe 2.0和PCIe 5.0.

●PCIe 5.0

英特尔平台在总线配置上的急迫已经不用赘述，11代酷睿引入PCIe 4.0，12代酷睿就提供了PCIe5 .0通道。这既有其支持标准已经过于落后的原因，也有为基于PCIe5.0/6.0的CXL总线技术做准备的考虑，但从最基础的原因看，快速升级的英特尔和最终决定在Zen4架构中引入PCIe 5.0的AMD一样，当然还是对PCIe 5.0又一次翻倍的带宽（图2）感兴趣。

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在当前的电脑中，PCIe通道的主要使用者其实只有两个，显卡与存储。前者可以利用更大的带宽与CPU、内存通信，而且还在PCIe4.0的支持下实现了Smart AccessMemor y（智能寻址显存技术）（图3）等，看似非常美好。但近期关于RTX 40的一个新消息却让人看到了另一个现实，就是实际上显卡的GPU与板载高速显存已经形成了很好的循环架构，GPU和显卡架构没有重大变化的情况下，对接口的速度要求并不高，毕竟旗舰级RT X 30才勉强用满PCIe3.0×16插槽带宽，架构类似的RTX 40升级至四倍带宽的PCIe 5.0没有什么必要。当然，AMD的RDNA系列架构更新一些，它的最新发展型RDNA3（图4），也就是R X7000系列是否會积极地升级到这一标准还是个未知数，但至少在能否充分利用其带宽上，笔者认为答案应该也是否定的。

相对于显卡，存储对PCIe 5.0通道的利用就直接得多，在允许的情况下，有多大的带宽，就提供多高的存取速度。除此之外，PCIe 5.0还能带来很多额外的好处，例如使用系统内存做缓存的HBM（Host Memory Buffer，主机内存缓冲）技术（图5），在PCIe 5.0的高带宽下，显然会有更好的表现。

对玩家来说，英伟达的RTX IO和Windows11的DirectStorage可以大幅提升游戏画面从SSD到屏幕的速度。而它们也需要更高的PCIe传输速度，才能让游戏数据同时向CPU与GPU分发（图6），达到快速解压画面材质等数据，加快图像处理速度的目的。

不过这里也有两个问题，首先是PCIe 5.0平台的普及速度。由于当前支持PCIe 5.0的消费级平台仅有12代酷睿及相关主板，还要去除为了降低成本而降低配置的部分入门级主板。尽管12代酷睿表现良好，市场占有率快速上升，但仍不足以吸引厂商推出PCIe 5.0 SSD。

第二个问题就是PCIe 5.0 SSD的开发程度了，事实大概会出乎很多人的意料。PCIe 5.0SSD其实早就出现在商用市场（图7）上。即使是消费级产品，在年初的CES展前和展中也推出了不少相关的主控，其中有一些并非概念产品，而是进入了实际测试阶段，按照正常的周期，它们早就应该上市，或者至少有相关消息了。至今没有上市消息的原因则不外乎是两个，一是前面提到的PCIe 5.0普及度问题，二是PCIe 3.0/4.0SSD仍有巨大的利益，厂商不愿意用新品来影响其市场。

从这两个方面看，笔者预计PCIe 5.0 SSD的上市时间很可能会在暑促期间，与Zen4平台的发布同步，以获得最大的宣传效果，同时也可以借助暑促和Zen4平台的发售增加销量。

至于实际产品，如果从当前已经公布的主控能力看，我们很可能会看到上市即巅峰的14GB/s级别满速SSD（图8），这一速度已经极为接近PCIe 3.0×16插槽，只是略低于DDR4 2400这一不久前的主流内存速度（图9）。能想象吗？曾经需要使用内存虚拟硬盘软件才能获得的速度，很可能会在TB级别容量的SSD上获得。当然这些旗舰级产品的价格肯定会相当高昂，那么我们也可以关注与之配合的8GB/s～10GB/s级别中端型号，预计价格定位应该与当前的PCIe 4.0旗舰级型号相当甚至还低一些，性价比当然更好。

除此之外，PCIe 5.0的入门级S SD也可以通过其高带宽获得更高速的HBM缓存助益，也许在这一类型S SD中会彻底取消板载缓存设计，代之以HBM+SLC虚拟两级缓存，分别用于存放FTL表（Flash Translation Layer，闪存转换层）和临时数据。前者用于从系统的逻辑地址转换为SSD上的物理地址，便于主控快速定位存取数据，需要高速读写，并不适合放置在SLC虚拟缓存中。更有甚者，如果HBM模式得到充分开发，还可以与NVMe新版本中的相应功能和混合架构CPU配合，让CPU（特别是其中的效能核）承担SSD主控的部分功能，读取系统内存中HBM的数据，并将系统需求地址转换为S SD地址再向SSD申请，进一步加快存取速度的同时还能简化主控，降低SSD成本。

PCIe 5.0对另一方面的存储需求也大有裨益，那就是移动存储。其实从供电、传输速度等方面的能力以及配置数量等方面看，雷电接口的使用方式已经和US B有了一定区别，其最主要的连接设备显然是外部高速存储（图10）。但如今要想获得最强的外部传输速率，满速的雷电4已经需要使用2条PCIe 4.0通道，再提速就需要4条PCIe 4.0通道支持一个雷电接口，显然太“浪费”了。如果未来平台PCIe 5.0通道的数量可以提升，那么在显卡和SSD之外，就可以使用PCIe 5.0来支持雷电接口，只需单通道就能提供满速雷电4，下一代雷电接口才有可能提升速率。

NVMe 2.0

作為一次规范标准的大版本更新，NVMe 2.0的变化非常大，在针对SSD的管理上，至少有三个值得注意的新功能。

分区命名空间（ZNS）技术可以根据数据的使用频率，将其集中放置于存储设备的某些区域（图11），并且通过一种类似命名的区域管理方式划分区域（应该是通过F T L表的能力来实现），从而减少对存储数据的重写和重新排列。这不仅能提升读写效率，应该还能减少额外的写入消耗，提升SSD使用寿命。

持续性群组管理则是一种新的存储管理机制，可以允许灵活和动态的SSD配置，可实现动态容量管理和混合模式NAND操作，也许未来不仅会有模拟SLC缓存，还会出现真正的TLC+QLC颗粒甚至再加上SLC颗粒，分别应对不同需求的混装SSD。

关键值（KV）命令集将允许应用程序直接与驱动器控制器通信，无需再使用内存地址块。这可以降低CPU的计算负荷，但需要SSD支持相关命令集，也就是所谓的KV-SSD。

需要注意的是，与前文提到的NVMe标准与PCIe版本几乎一一对应不同，NVMe 2.0的重大更新可能不会在第一代PCIe 5.0 SSD上全部体现，也许有相当多的PCIe 5.0SSD实际仍采用NVMe 1.4标准。好在这种组合的应用性能应该是没有问题的，因为面向数据中心和企业用户的第一代，甚至很多第二代商用级PCIe 5.0 SSD（图12）其实就采用了这种组合。

另外，NVMe 2.0的一个重大改进就是模块化技术规范，商用产品当然要使用严格的企业级标准，这可能也是很多商用级PCIe 5.0 SSD不使用NVMe 2.0的原因。而消费级产品则可以放弃一些过高的要求，只使用部分NVMe 2.0技术规范，此时是否还能标称为NVMe 2.0标准产品也尚未可知。

除了对SSD的支持外，NVMe 2.0还提供了一个非常引人瞩目的新功能——支持“旋转存储介质”，说白了就是使用旋转磁碟的传统机械硬盘。也许有些人对NVMe的这一功能感到非常奇怪，难道机械硬盘能达到600MB/s以上的传输率吗？也许我们真的快要迎来这样的产品了。

无法割舍的容量机械硬盘

当主流SSD向TB级别进发时，同价位下，机械硬盘保持着4倍的容量优势（图13），让很多资金有限，数据量又很庞大的用户难以割舍。而在高端市场上，机械硬盘更是已经可以稳定大量地提供16TB以上容量产品，但大部分S SD产品系列的最高容量却停留在4T B。所以至少在可见的未来，机械硬盘仍将与SSD一起，担负起数据存储的大任。

至于前面提到的能让SATA接口的速率捉襟见肘的技术，其实已经公布了一段时间，只是因为各种原因而延误了最终产品的面世，在近期我们也终于见到了它们的真容和实际表现。

●速度翻倍多读写臂技术

传统的硬盘中虽然有多个读写悬臂和磁头，配合多个磁碟的上下表面数据层，但它们都固定在同一个动作机构上，不能做相对运动（图14）。也就是说，当读写第一张磁碟的上表面某处数据时，第一张磁碟的下表面磁头，以及其他所有磁碟的磁头，可能都位于不需要的数据区域，没有进行任何读写，读写其他存储面的数据时也是如此。

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多读写臂技术（Multi Actuator）就是为了摆脱这个限制而开发的，它安装了两组（未来可扩充为更多组）可独立运作的悬臂，可以提供两个并行的数据流（图15），两组磁头可以同时读取、写入，或者一读一写，可极大地提升机械硬盘的吞吐能力，这与RAID 0的实际效果很相似，不过只需要单个硬盘就能实现。

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希捷近期推出的Exos銀河系列Mach.2 14TB（Exos2 X1 4）硬盘是首款采用这一技术的产品（图1 6），在7200RPM的转速下，其最高读写速度达到了524MB/s，是目前世界上速度最快的机械硬盘，已经达到高端SATASSD的水平。其接口为商用硬盘的SAS 12Gb/s，暂时还不会成为瓶颈，但当这一技术如果加入消费级产品中，SATA3（6Gb/s）的接口速率就很勉强了，应该是最适合NVMe2.0规范的机械硬盘产品。

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当然，这一技术也要付出一定的代价，除了成本之外，功耗是肯定会增加的，比如Exos银河系列Mach.2 14TB的空闲时功耗为7.2W，重负载时功耗13.5W，比20TB容量的Exos X20功耗更高。这一功耗甚至大幅超越了需要额外增加激光、微波源的新一代辅助记录技术。

●容量大增辅助记录技术

近期的机械硬盘中，还出现了希捷（热辅助磁记录）和东芝FC-MAMR（微波辅助磁记录）等提升数据存储密度的技术，并通过这些技术推出了18TB～20TB容量产品（图17）。从当前的发展趋势看，在20TB以上的机械硬盘中，它们很可能成为必备技术。

这些技术的原理都类似，是在磁头前方增加激光或微波模块，通过激光加热（图18）或微波照射的方式，让磁头即将处理的位置产生磁场变化，降低超顺磁效应，可以缩小数据位，增加数据密度，据称可达到每平方英寸500GB的存储容量。存储密度的增加不仅可以使用同样的磁碟数获得更大容量，还可以在同样的转速下获得更高的读写速度。

⒅左侧为标准的PMR磁头，右侧为采用激光进行辅助加热的HAMR磁头

火速链接

本刊2022年第7期《超级数据中心希捷酷狼Pro 20TB硬盘》一文详细介绍了希捷使用HAMR技术的产品，感兴趣的朋友可以参考。

摸得到的变化新品与价格

如果说前面提到的技术与产品还距离我们比较遥远，那么近期一些市场变化应该可以更好地预示着新时代，正准备装机升级的朋友更可以直接买来体验新时代的到来。例如3000MB/s级别的新M. 2 SSD价格进一步降低，在容量价格比、性能价格比上全面超过了SATA SSD和较早的2000MB/s级别M.2 SSD（图19）。这些产品采用更高堆叠层数TLC或QLC，而且随着技术的进步，其中的QLC颗粒的写入寿命也已经达到了500次左右，已经完全够用，还能配合HBM等技术获得较好的持续写入速度与IOPS。