Все эти термины связаны с дисковой подсистемой компьютера, а именно с твердотельными жесткими дисками SSD.
На канале уже были статьи про жесткие диски:
SSD Solid State Drive
SSD (Solid-State Drive) или твердотельный накопитель. Запоминающая основа это микросхемы памяти, движущихся частей нет. На снимке ниже два SSD диска форм фактора 2,5 дюйма интерфейс естественно SATA.
Далее на снимке ниже два SSD NVMe установлены в разъем М.2 материнской платы Machinist X99-K9
Итак, SSD это микросхемы памяти и контроллер, движущихся частей нет.
PCI Express (PCIe, PCI-e, 3GIO)
PCI Express, Peripheral Component Interconnect Express или сокращенно, PCIe, PCI-e, также известная как 3GIO (3rd Generation I/O) это последовательная шина передачи данных, спецификация появилась в 2002 году, а первые устройства и разъемы в 2004 году. На сегодняшний момент это основной интерфейс соединение периферийных устройств с материнской платой компьютера. Формируется соединение по типу точка-точка, топология всей сети типа звезда. Развитием стандарта PCI Express занимается организация PCI Special Interest Group (PCI-SIG), сайт: pcisig.com
Про PCI-e и скорость
Разъемы PCI Express бывают от 1 до 16 линий
В плане SSD нас интересует разъем PCIe Х4 т. е. он имеет четыре лини ввода/вывода. Вот он на снимке ниже.
Сам PCI Express X4 на картинке выше, часто на платах представлен в виде гребенки PCI Express X16 (внизу на снимке), но у которой подпаяны только четыре линии.
M.2 (NGFF)
M.2 (ранее известный как NGFF - Next Generation Form Factor)
В составе M.2 реализован PCI Express 4x (4 линии) и один порт SATA 3.0 со скоростью до 6 Гбит/с, поэтому в форм-факторе M.2 могут быть реализованы как устройства PCI Express, так и накопители SATA. На PCI Express возможно реализация USB 3.0 (обратная совместимость с USB 2.0), Wi-Fi, Bluetooth, NFC и др.
Итак, M.2 это физический разъем куда вставляется устройство, это форм фактор, выглядит он вот так.
В разъеме M.2 используется стандартный PCI Express без каких-либо дополнительных слоёв абстракции или другими словами, по сути это разъем PCI Express X4, но в другом форм-факторе, в виде разъема M2, или по другому - выводы разъема PCI Express X4 выведены в виде компактного разъёма M2. В иллюстрацию выше сказанного, вот плата переходника на котором нет никакой логики, просто дорожки идущие от гребенки PCI Express X4 к разъему M.2.
Итак, M.2 это форм фактор аналогичный PCI Express X4 и только PCI Express X4 (может быть меньше, но максимально только X4 - это важно)!
Версии протокола PCI Express
Развитие вычислительной техники не стоит на месте, постоянно появляются нововведения, вот так и с PCI Express появляются версии протокола которые удваивают скорости.
Скорости для PCI-E X4 разных версий (gen):
- Версия протокола 1.1 (2002г.) - 1 ГБайт/с;
- Версия протокола 2.0 (2007г.) - 2 ГБайт/с;
- Версия протокола 3.0 (2010г.) - 4 ГБайт/с;
- Версия протокола 4.0 (2017г.) - 8 ГБайт/с;
- Версия протокола 5.0 (2019г.) - 16 ГБайт/с (сейчас широко внедряется)
- Версия протокола 6.0 (2022г.) - 32 ГБайт/с (еще нет плат)
- Версия протокола 7.0 (2025г.)- анонс разработки, 64 ГБайт/с
- Версия протокола 8.0 - в разработке, переход на оптику.
- Версия протокола 9.0 - в разработке, переход на оптику.
Реальная скорость ниже на несколько процентов (до 20%), и вот эту реальную скорость найти очень сложно, так пишут, что например, для PCI-e gen 2.0 Х1 вместо 500 мегабайт/секунду получаем 400 мегабайт/секунду, а это и есть 80%. Рассчитаем потери исходя из магических 80% получим для Х4:
PCI-e - gen 2.0 X 4 - 1,6 ГБайт/с;
PCI-e - gen 3.0 X 4 - 3,15 ГБайт/с;
PCI-e - gen 4.0 X 4 - 6,4 ГБайт/с;
PCI-e - gen 5.0 X 4 - 12,8 ГБайт/с;
Таким образом приблизительная максимальная скорость которую может показать SSD NVMe диск на актуальной PCI-e - gen 5.0 X 4 - 12,8 ГБайт/с. Но это не совсем так, он может показать и большую скорость, но не равную 16 ГБайт/с, а чуть меньше, но на сколько? Сложный вопрос, так как сам протокол NVMe настроен и оптимизирован должным образом на максимальную производительность (вплоть до 95%, о чем будет написано ниже). Нужно сказать, что SSD диски уже постепенно приближаются и даже обгоняют вот этот 80% барьер, например диск Crucial T705 у которого скорость чтения 14100 Мб/с и записи 12600 Мб/с. Статья на 3DNews: "Обзор PCIe 5.0-накопителя Crucial T705: самый быстрый SSD в 2024 году", ниже скриншот из этой статьи
В этой статье он выдал чуть больше 13600 MB/s (см. выше), что составляет 85% от максимальной пропускной способности и видимо это максимум для PCI-e - gen 5.0 X 4. Таким образом можно констатировать, достигнут максимум канала PCI-e - gen 5.0 X 4 и это довольно редкое явление , обычно пропускная способность канала идет много впереди пропускных интерфейсов самих устройств, но не в этом случае, дальше переход на 6.0 версию с пропускной способностью в 32 ГБайт/с, что теоретически должно хватить всем (ну вы помните эти слова :))
Тестирование
Отступление, на скриншоте выше тестирование диска производилось тестовой программой CrystalDiskMark. Много скриншотов тестированных жестких дисков, например в отзывах на Озон, сделаны неправильно, по умолчанию, как правильно - короткая заметка ниже.
Тестовые программы
Я использую всего две программы одна основная, это CrystalDiskMark, вторая добавочная, ну просто что бы было какое то разнообразие, это AS SSD Benchmark.
CrystalDiskMark
AS SSD Benchmark
О особенностях настройки тестовых программ.
AS SSD Benchmark - не настраивал просто взял и тестировал по умолчанию, записываемый блок 1GB. А вот CrystalDiskMark нуждается в настройки именно на NVMe диски. Идем в настройки и выбираем "NVMe SSD", собственно все представлено на скриншоте ниже
Количество проверок обычно ставлю "2", записываю текстовый блок 1 или 2GiB в зависимости от обстоятельств.
Логические интерфейсы.
Максимум пропускной способности возможен при соблюдении еще одного условия. А дело в том, что в разъем M.2 можно вставить совместимую плату SSD диска которая может общаться с контроллером по логическим интерфейсам:
- SATA
- NVMe
SATA (Serial ATA)
Разработкой новых стандартов и спецификацией SATA занимается организация сайт: sata-io.org.
SATA - последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации, представлен 7 контактным разъёмом.
На самом деле на снимке выше серверный диск - SAS в который вставлен шнур SATA с спиленной боковой стенкой, но в данном случае это не важно, электрически они совместимы (статья на канале: "SAS диски в домашнем применении")
Ревизии
- SATA Revision 1.0 - до 1,5 Гбит/с (2003г.)
- SATA Revision 2.0 - до 3 Гбит/с (2004г.)
SATA revision 2.5 (2005г.)
SATA revision 2.6 (2007г.)
- SATA Revision 3.0 - до 6 Гбит/с (2008г.)
SATA Revision 3.1 (2011г.)
SATA Revision 3.2 (2013г.)
SATA Revision 3.3 (2016г.)
SATA Revision 3.4 (2018г.)
SATA Revision 3.5a (2021г.)
В большей степени SATA это физический интерфейс, см. картинку выше, но SATA это еще и набор логических команд для взаимодействие с накопителем, просто раньше это было одно целое так как не было никаких M.2 и NVMe. Последняя версия SATA III (SATA 3.0) - представлена в 2008-21г. скорость до 6 Гбит/с. Максимальная пропускная способность — 600 МБ/с. С учетом погрешностей и передачи служебных данных — остается около 550-560 МБ/с (сравните с скоростью самого скоростного NVMe - 13600 МБ/с, впечатляющий отрыв!)
Вот пример, что CrystalDiskInfo пишет на старой материнской плате ASUS P5Q Pro в которой стоит SATA 2.0 - до 3 Гбит/с (SATA 300), а сам диск поддерживает SATA 3.0 (SATA 600)
А вот его скорости в CrystalDiskMark
Еще раз напоминаю все упирается в пропускную способность шины SATA в данном случае она SATA 2.0, а это до 3 Гбит/с (SATA 300) максимальная скорость линейного чтения 285МБ/с. Что составляет аж 95% от скорости шины.
NVM Express (NVMe, NVMHCI)
NVM Express (NVMe, NVMHCI) — Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification что значит спецификация интерфейса хост-контроллера энергонезависимой памяти. Это логический интерфейс доступа к твердотельным накопителям, подключённым по шине PCI Express. Разрабатывался специально для высокоскоростных SSD и этот протокол намного быстрее, лучше чем SATA.
В характеристиках SSD обычно пишут о логическом подключении по NVMe, а так же могут указать версию и количество линий PCIe, количество линий это бесполезная информация у всех она Х4, а вот версия играет роль, чем больше тем лучше (см. выше). Ниже скриншоты из Озона
Можно сориентироваться посмотрев на максимальные скорости линейного чтения и записи и даже на одну скорость линейного чтения. Ниже скриншот из Озона, скорости не самые большие для NVMe SSD дисков, но такую скорость может обеспечить только интерфейс NVMe.
А теперь обратите внимание на этот SSD, на скриншоте внизу явно не указано, что он SATA, хотя в спецификации эта информация есть (Но кто будет заглядывать с спецификации и технические характеристики?). Можно сразу, только по скриншоту, по скорости понять что это SATA 3.0 (скорость приближается к 560MB/s)
Выводы
Если вы хотите купить высокоскоростной диск SSD он должен быть:
- 1) SSD
- 2) Иметь форм-фактор M.2
- 3) Поддерживать систему команд и логический интерфейс NVMe
С другой стороны форм-фактор M.2 не дает оснований безапелляционно утверждать что диск NVMe, он может иметь логический интерфейс SATA.
Узким местом SSD накопителей как с SATA интерфейсом, так и с NVMe является пропускная способность шины для SATA это не более 600MB/s - SATA III, для NVMe это не более 16 ГБайт/с для PCIe X4 gen 5.0
На сегодня все, но как всегда...
Продолжение следует...
Подписывайтесь на мой канал TehnoZet-2, там много интересного! Мы только развиваемся! Понравилась статья, хотите продолжения - ставьте лайк, жмите палец вверх!
Подборки
Пользуйтесь рубрикатором по каналу, там все по разделам: "Страничка путеводитель по каналу TehnoZet-2"