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为什么需要PCI Express 4.0 SSD？解释希捷FireCuda 520的示例

今天，我们想谈谈我们的新产品之一-SSD驱动器的Seagate FireCuda520。但是，不要急于想着“好吧，这是对该品牌产品的另一种赞誉性评价”的进一步滚动-我们试图使材料实用且有趣。在削减之后，我们主要不关注设备本身，而是关注其中使用的PCIe 4.0接口。我们将告诉您对他有什么期望，他有多好以及对谁可能有用。



坦白地说：PCI Express 4.0标准并不是什么新鲜事物。最早在其支持下的设备最早于去年夏天在消费市场出现。感谢您对AMD所说的：是她创建了第一个能够使用PCI Express 4.0接收设备的平台，并亲自制造了这样的设备-这些是基于具有RDNA架构的GPU的图形卡。

吞吐量的提高总是引起人们很高的期望，但是事实证明，视频卡几乎不能从切换到更快的接口中受益。至少在游戏负载方面。如大量独立测试所示，使用新的快速接口或连接到经典PCI Express 3.0总线时，即使是最快的支持PCI Express 4.0的卡，主要是Radeon RX 5700 XT，也可以以相同的方式工作。

但是使用SSD则完全不同。在线性负载下，通过PCI Express 3.0（例如Seagate FireCuda 510）工作的高效NVMe SSD的性能显然取决于接口带宽。因此，带宽的增加仅必须积极地影响新一代磁盘子系统的功能。

几乎没有带宽的事实很好地说明了以下事实：在我们谈论支持PCI Express 4.0的第一批设备时，PCI特别兴趣小组（PCI-SIG）已经批准了PCI Express 5.0规范，这又迈出了一步在提高接口速度的方向上，现代处理器通过这些接口与外部设备进行通信。但是另一回事，今天是PCI Express 4.0提上日程。

PCI Express 4.0有什么好处？


PCIe（外围组件互连Express）规范标准化了扩展卡（例如图形卡，声音控制器，网络适配器，最后是NVMe SSD）如何与构成PC平台的基本组件进行通信。 PCIe规格越高，它提供的带宽就越高。此外，关于PCIe插槽，除了规范版本外，他们还讨论了行数，分别表示为x1，x2，x4，x8或x16。由于总线扩展，更多的线路还可以提供更高的吞吐量，并且代表了另一种广泛的方式来改善接口的速度特性。但是，如果我们谈论NVMe SSD，则很难在其中应用这种方法。可提供紧凑的M型尺寸。2个PC的SSD可以使用2条或最多4条线，而最多只能为PCIe插槽的全尺寸卡分配最多支持16条线。因此，新版PCIe标准的推出被认为是生产SSD的关键事件。

PCIe规范的所有版本都向后兼容。面向PCIe 4.0的驱动器也可以在仅支持PCIe 3.0的平台上工作，具有PCIe 4.0插槽的主板可以轻松安装符合PCIe 3.0标准的组件。但是，无论哪种情况，该系统都可以使用PCIe 3.0速度-双方都支持的较新版本的标准。

PCIe 4.0固有的主要创新是一条线路的带宽增加了一倍。对于变化的数值估计有不同的选择，但是如果我们谈论理论值和峰值，则PCIe 4.0规范假定在每个方向上的一条线上的最大传输速度为1.97 GB / s，而在PCIe 3.0中，最大速度受到以下限制0.98 GB /秒在某些来源中，您可能会发现两倍高的指示符，但这是由于它们指示双向的总数据传输率。



就像我们上面说的那样，实际上接口速度的这种提高对于图形卡不是很有用（或者几乎完全没有用）。同时，通过四个PCIe通道工作的NVMe驱动器有机会从四个通道（在理想情况下）在总线上泵送高达7.88 GB / s的速度（在理想情况下），这为它们提高性能提供了广阔的空间。

除了提高吞吐量之外，PCIe 4.0标准还提供了其他创新。例如，它包含减少功耗的新机会，以及用于设备虚拟化的更广泛的功能。但是，开发人员前进的主要方向仍然是速度的提高，并且几乎所有事情都是出于它的目的。例如，接口的新版本中的许多改进旨在改善信号的完整性及其传输的可靠性。换句话说，对于大多数消费者而言，PCIe 4.0意味着更高的吞吐量，仅此而已。

支持PCI Express 4.0的平台是什么？


不幸的是，尽管PCI Express 4.0规范本身已在2017年获得批准，但市场上仍然没有很多支持它的实际平台。这意味着，如果您要使用新一代高性能固态驱动器，则不仅要小心找到这样的驱动器，而且还必须选择能够充分发挥其潜力的平台。

事实是，到目前为止，只有AMD支持新的PCIe 4.0接口，即使那只是零碎的。它是基于Zen 2架构的处理器来实现的，更具体地说，是在台式机Ryzen 3000系列和高性能Threadripper 3000系列上实现的，例如，在Ryzen 4000 mobile系列上不实现的，此外，如果任何Socket sTR4支持PCIe 4.0。对于第三代Threadripper主板，Ryzen 3000处理器将只能在基于X570逻辑集构建的主板中以全速模式与PCIe 4.0外设进行交互，该主板在设计信号线时考虑了对屏蔽和最小化电噪声的日益增长的要求。



好消息是，潜在的Ryzen 3000拥有者很快就能使用支持PCIe 4.0视频卡和驱动器的另一类价格更便宜的主板。它们将基于新的B550芯片组构建，该芯片组将在未来几个月内推出。

至于英特尔平台，它们根本不支持PCIe 4.0。此外，即将面世的Comet Lake-S台式机处理器也将无法获得，它们将带来新的处理器插槽LGA 1200和第四百个系列的新芯片组。如果我们谈论英特尔的大型台式机系统，那么仅在Rocket Lake处理器发布时才会出现对该接口的支持，但这将在明年年初左右发生。但是该接口可能会更早地进入移动系统：宣布针对Tiger Lake处理器的PCIe 4.0计划，其正式发布可能在今年夏天进行。此外，不能排除HEDT类的高性能台式机也将在今年切换到PCIe 4.0：这将成为可能，如果英特尔决定在此细分市场中提供Ice Lake-X，则类似于基于服务器的Ice Lake-SP。

结果，尽管PCIe 4.0将在中期广泛使用，但对于快速NVMe SSD支持者来说，选择平台的选择并不多。其中最明显的是基于Ryzen 3000处理器和基于X570的主板的Socket AM4系统。

那么PCI Express 4.0驱动器呢？


如果您在货架上看到各种支持PCIe 4.0的NVMe SSD，您可能会感到市场上充满了新一代高速解决方案的各种选择。但是，实际上，这种印象是令人误解的。尽管PCIe 4.0规范已经存在了几年，但硬件开发人员尚未设法为批量生产阶段带来足够数量的替代方案。

现在，SSD制造商可用于其产品的唯一控制器是Phison PS5016-E16。而且，实际上，不能将这种控制器称为新一代的成熟产品。它是基于另一个较早的芯片PS5012-E12的过渡解决方案，其中负责外部总线的功能块被简单地替换了。

对于最终用户，这意味着两件事。首先，市场上所有支持PCIe 4.0的NVMe驱动器彼此之间并没有太大区别，至少在性能方面。而且，如果您发现某些产品突然宣布更高的护照速度，这很可能是由于营销人员的狡猾，而不是任何真正的优势，因为最终，两种产品都使用相同的控制器。其次，当今的PCIe 4.0驱动器还不能吹嘘利用新总线的全部带宽-Phison PS5016-E16芯片承诺的最大速度为线性读取为5 GB / s，对于线性读取为4.4 GB / s。记录。



前面提到的一个重要结果是：将来，即使不切换到PCI Express规范的下一版本，NVMe SSD也可以实现另一个性能飞跃。仅需等待带有经过重新设计的，适应PCIe 4.0功能的内核的新型控制器的出现即可。这样的解决方案已经在开发中。至少三星会期望这种产品的出现，此外，独立的工程团队还将开发更高级的控制器：Phison（PS5018-E18），Silicon Motion（SM2267），Marvell（88SS1321）甚至不是太出名的Innogrit（IG5236）。

唯一的麻烦是，所有这些辉煌都可能很快出现。控制器的开发是一个漫长的过程，在准备固件或验证期间的最后阶段通常会出现严重的延迟。此外，冠状病毒大流行对整个行业产生了巨大影响，这延迟了新产品的发布。

换句话说，您可以等待更长的时间，并且，如果现在需要更高性能的磁盘子系统，则可以继续使用已有的磁盘-Phison PS5016-E16控制器上的驱动器。尽管他们没有选择四个PCIe 4.0通道的全部带宽，但是它们可以在小块操作中拥有相当不错的性能，据开发人员称，这些性能达到了750000 IOPS。这是通过基于双核32位ARM Cortex R5处理器的控制器设计以及一系列专有技巧（动态SLC缓​​存和CoXProcessor 2.0技术-典型操作链的硬件加速）来确保的。

为什么选择希捷FireCuda 520？


上面已经说过，所有现有的支持PCIe 4.0的消费类NVMe驱动器都建立在相同的基础上-Phison PS5016-E16控制器。但是，这并不意味着在商店中购买用于PCIe 4.0总线的第一个SSD是一个好主意。在这里，我们建议您注意Seagate FireCuda 520，但不要完全注意，因为您正在Seagate公司博客上阅读此文章。



细节在于魔鬼，如果您开始了解，希捷FireCuda 520可能比同一个Phison PS5016-E16芯片上的许多替代产品更具吸引力。造成这种情况的原因有很多，但都归结为一件事-FireCuda 520中安装的闪存。

正式地，所有带有Phison PS5016-E16控制器的驱动器都使用相同的闪存：由Kioxia生产的96层BiCS4（TLC 3D NAND）（以前为东芝存储器）。但是，实际上，此内存可能会有所不同。根据特定制造商为自己选择的优先级，存储可以涉及完全不同的质量等级。例如，在三线公司的产品中，通常存在“媒体”目的的闪存，通常来说，该闪存用于闪存驱动器和存储卡，而不用于SSD。

对于希捷硬盘，这完全是不可能的。该公司没有在公开市场上购买闪存，而是与Kioxia签订了长期直接合同，该合同是在东芝放弃生产内存时签订的。如此一来，我们便获得了NAND​​芯片的第一手资料，并且可以使用最优质的硅。

这不可避免地反映在可靠性参数中。希捷FireCuda 520系列的代表具有五年保修，并且所安装的资源使您可以覆盖驱动器的全部容量1800次，即平均每天一次。这些都是非常高的耐用性指标，例如，希捷提供的这些指标比流行的三星970 EVO Plus高出三倍。

然后是时候展示Seagate FireCuda 520从外部的外观了。这是传统外形尺寸为2280的M.2板，两侧均带有微电路。



由于几乎100％的支持PCIe 4.0的主板都有自己的M.2插槽冷却系统，因此其他制造商没有在其驱动器上堆放特殊的冷却设施。

否则，该驱动器类似于基于Phison PS5016-E16控制器的其他产品，但有明显区别-控制器芯片上标有Seagate。这是由于FireCuda 520的控制器并非在公开市场上购买，而是按特殊订单制造。但是，对于最终用户而言，这并不意味着什么，但真正重要的是使用修改后的固件，该固件包含某些优化功能，这些功能可以将Seagate驱动器与其他具有相同硬件填充物的SSD区分开来。



显然，固件几乎无法以某种方式显着改变控制器的速度特性，尽管如此，它还是可以实现的。例如，FireCuda 520拥有动态SLC缓​​存的实现，而较早发布的Phison控制器上的驱动器则使用了容量相当有限的静态SLC缓​​存。一种新方法使您可以在FireCuda 520上高速记录大量信息。

它的工作原理非常简单：任何进入驱动器的数据都以非常快的一位SLC模式写入TLC闪存。以这种方式使用的单元将在以后（当用户不再访问驱动器时）或在必要时在记录过程中耗尽了空单元池时转换为TLC状态。换句话说，FireCuda 520上三分之一的可用空间可以以最大速度连续填充，这将降低生产率。但是，值得等待一下，因为剩余的可用空间的三分之一可以再次用于高速模式。

例如，此处看起来像是在FireCuda 520上一个干净的线性记录图，容量为2 TB。



对于前667 GB，以4.1 GB / s的速度执行记录，然后速度急剧下降至0.53 GB / s，但是您应该了解，在驱动器的正常使用期间，您不会遇到这种行为-为此，您需要长时间连续记录大量信息。

除固件外，FireCuda 520捆绑软件也很有趣。专有实用程序SeaTools SSD比第三方程序更方便地监视SSD的状态。此外，它还允许您更新固件，测试性能并执行一些其他操作，例如高级诊断或安全擦除。





还值得一提的是，FireCuda 520所有者可以从Seagate网站下载DiscWizard程序，以便在传输所有数据和操作系统的情况下从过去的磁盘驱动器平稳迁移。

真的快吗？


仍然要备份有关PCI Express 4.0接口和驱动器优势的所有说法，并提供一些实际结果。有了这个，就没有特别的困难，因为FireCuda 520确实具有明显更高的性能，而上一代驱动器则没有。尽管针对Phison PS5016-E16控制器有充分的理由声称其仍未利用全部PCIe 4.0带宽，但Seagate FireCuda 520速度指示器明显高于PCIe 3.0驱动器。

在下表中，将希捷FireCuda 520的特性与希捷先前为PCIe 3.0 x4接口设计的旗舰旗舰NVMe SSD模型FireCuda 510的特性进行了比较。例如，比较仅限于容量最大为2 TB的最大容量和高速SSD选项，但是如果将其他容量的修改相互比较，则图片将大致相同。



但是，护照特征是一回事，而现实生活则是另一回事。因此，我们仅采用了这两个驱动器-FireCuda 520 2 TB和FireCuda 510 2 TB-并在测试中进行了比较。

FireCuda 520 2 TB

FireCuda 510 2 TB

CrystalDiskMark结果需要一些注释。事实证明，新的PCIe 4.0 SSD的线性速度明显快于其前代产品：优点几乎达到了其大小的一倍半，并且可以在深度和最小请求队列中找到。即使在小块操作中，FireCuda 520仍能超越NVMe SSD希捷的先前版本，尽管此处没有如此令人印象深刻的突破：这全都归因于控制器逻辑仍然很旧。因此，FireCuda 520将主要在连续负载下发光。至于使用任意小块的操作，PCI Express 4.0接口当然不能执行类似于闪存驱动器中的Optane的操作。

但是事实是，高速线性操作是非常强大的王牌FireCuda 520，这是无法否认的。在ATTO磁盘基准测试的结果中可以更详细地看到这一点：一旦交换数据块获得128 KB或更大的容量，即使在理论上也无法跟上FireCuda 520（即使Optane也无法做到），因为数据交换速度超出了由PCIe 3.0 x4接口的带宽设置。

FireCuda 520 2 TB

FireCuda 510 2 TB

在综合测试中，所有结果都令人信服，但在现实生活中会怎样？ PCMark 10可以回答这个问题-它的脚本可以在用户的​​日常工作中重现驱动器上的典型负载。

在这种情况下，FireCuda 520比其前代产品快30％。而且，这种优点不仅表现为磁盘操作速度的提高，而且表现为磁盘子系统的反应时间显着减少。当使用SSD作为唯一通用驱动器时，可以看到此模式（请参阅完整系统驱动器基准）。并且在SSD专门充当安装了OS和软件的系统驱动器的情况下（请参阅快速系统驱动器基准）。即使将SSD放在“文件清洗器”下（请参见数据驱动器基准），但坦白地说，这种情况很少见。





FireCuda 520的速度优势很容易通过常规文件复制进行跟踪。下图显示了复制包含不同文件的工作目录时DiskBench测试的结果，该文件在驱动器中的总容量约为20 GB。当然，这里没有观察到合成测试中的这种增加，但是毫无疑问，向PCIe 4.0的过渡使其性能提高了25-30％。



要进行更改，您还可以查看PCIe 4.0驱动器允许您下载游戏应用程序的速度。例如，以下是Final Fantasy XIV StormBlood中关卡的加载时间（选择该游戏是由于内置了便捷的监视工具）。在这里，FireCuda 520在FireCuda 510的背景下提供的增益大约是一秒钟，虽然不是很明显，但是仍然很明显。



但是在工作站固有的负载下，正如他们所说，PCI Express 4.0必须具备。实际上，针对专业内容创建的计算机配备了非常强大的多核处理器和快速内存。在这种情况下，磁盘子系统中很容易出现系统瓶颈。例如，许多视频专业人士过去更喜欢SSD上的RAID阵列，但现在他们可以通过选择FireCuda 520来满足他们的需求，FireCuda 520仅能以超过4 GB / s的速度接收数据。

SPECworkstation 3测试的结果可以轻松支持所有这些考虑，该测试非常清楚地显示了具有现代接口的驱动器的重要性：FireCuda 520应付繁重的专业磁盘负载情况比FireCuda 510快22％。



但是，应特别注意常规操作的性能。 （在归档和复制以及软件开发过程中使用文件的通常速度）和产品开发（显示CAD / CAM系统中的工作速度以及解决计算流体动力学问题时的速度）。在这里，FireCuda 520固有的潜力特别令人信服。

摘要


上面的示例足以令人怀疑PCIe 4.0驱动器在解决资源密集型任务时是否真的可以提供更高的性能和更好的响应能力。因此，在AMD Ryzen 3000或Threadripper 3000多核处理器上构建高性能系统时，不应忽略使用最新的NVMe SSD。希捷FireCuda 520可能是正确的选择：目前商店中绝对没有更快的速度。



当然，PCIe 4.0驱动器的价格将比FireCuda 510高出一点，但其原因已广为人知。最重要的是，FireCuda 520的价格相当可观，因为该SSD的成本几乎与三线制造商的替代PCIe 4.0驱动器相同。

: Ryzen 9 3900X, ASRock X570 Creator 16 DDR4-3200 SDRAM (16-16-16-32). Windows 10 Professional 1909 NVMe- Standard NVM Express Controller 10.0.18362.1.

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