SATA、PCIe、AHCI、NVMe

IT 界总喜欢发明新名词。而且同一个东西，可能有几个不同的名字。同一个名字，又可能指不同的东西。存贮设备，近年有许多新发展，因此新名词也层出不穷，造成不少混乱。这里班门弄斧整理一下，如有错误，欢迎指正。由于篇幅的关系，太旧的标准就不讨论了，如 IDE、PATA 等。这里主要讨论 SATA、PCIe、AHCI 和 NVMe。（关于 NGFF/M.2，那是物理尺寸标准。

SATA 和 PCIe 大家应该比较熟悉。这两个都是总线标准。它们是并列发展的关系，并不是谁取代谁的关系。

 

SATA 由 IDE/ATA 标准发展而来，主要用途是把存贮设备（硬盘）连接到主机（主板）。SATA 经历了如下版本：
SATA revision 1.0 (1.5 Gbit/s, 150 MB/s)
SATA revision 2.0 (3 Gbit/s, 300 MB/s)
SATA revision 3.0 (6 Gbit/s, 600 MB/s)
SATA revision 3.1
SATA revision 3.2 (16 Gbit/s, 1969 MB/s)

在 IT 界，有一样很重要的东西叫“向下兼容”。SATA 在发展的过程中，也要考虑“向下兼容”因素。譬如，主板上 SATA-3 的接口，可以连接 SATA-2 的硬盘。向下兼容是为了保护用户已有的投资。但在另一方面，也造成很多掣肘，以致发展缓慢。

出于向下兼容的考虑，SATA 可以工作在两种模式：传统模式和 AHCI 模式。传统模式是为了兼容以前的 IDE/PATA。AHCI 模式则比较新，支持 SATA 独有的功能，如热插拔、原生命令队列(NCQ)等。现在基本上所有 SATA 设备都是 AHCI 模式了。(Advanced Host Controller Interface)

PCIe - Peripheral Component Interconnect Express

 

 

PCIe 是另一种总线标准，由 AGP、PCI、PCI-x 发展而来。上了年纪的同学都记得，这些总线的发展，主要的动力是显卡的发展。AGP 就是 Accelerated Graphics Port（加速图像端口）的缩写。由于显卡需要很大的带宽和速度，PCI 总线标准就不断升级来满足要求。当然，除了显卡外，PCI 总线还用于其他的扩展卡，如网卡（包括有线网卡、无线网卡、3G/4G卡等）。

从上面 SATA 的不同版本可以看到，提速是一个主要任务（当然也有其他的改进）。但进入 SSD 时代后，SATA 的改版速度（由于要考虑向下兼容），已经跟不上传输速度的要求了。这时候，业界就考虑采用 PCIe 来连接存贮设备。但在驱动程序层面，仍然采用 AHCI。这是因为 AHCI 已经非常成熟，广泛被各种操作系统（如 Windows、Linux）所采用。

以下是 PCIe 各版本的对比。注意在同一个版本中，也有不同的速率，取决于产品使用多少条通道（Lane）。

 

NVMe - Non-Volatile Memory Express

 

 前面说过，AHCI 是为了发挥 SATA 的潜能而设计的，当时算是“高大上”了。但当时仍然是机械硬盘统治市场，因此 AHCI 的设计是基于机械硬盘的特性（旋转式磁性盘片）。虽然 AHCI 也可以用于 SSD，但却不能发挥极致。因为 SSD 更像内存，而不像“盘片”。譬如说，机械硬盘，如果磁头错过了一个扇区，那就得等盘片转一圈回来才能访问。SSD 就不存在这个问题。因此，业界重新设计一个新的 NVMe 协议，希望发挥 SSD 的潜能。下面是 AHCI 和 NVMe 的对比：

 

 注意，NVMe 和 AHCI 一样，是逻辑（或者说软件、驱动程序）上的标准。而 SATA 和 PCIe 则更注重于物理层面（电流、电压、触脚等）。NVMe 比较新，Windows 7 没有原生驱动，因此安装的时候需要加第三方驱动。这个和当年 Windows 7 / AHCI 类似。


--- 物理接口 ---

说完了总线和协议，下面说说物理接口。无论采用什么总线和协议，主板总得连接到存贮设备上。这里所说的物理接口，指是是物理尺寸和形状，电气特征不作讨论。接口又分主机端和设备端。由于种类繁多，这里挑几个常见的。

1. SATA 设备端。下图是大家所熟悉的 SATA 硬盘接口（设备端）。大部分 2.5" SSD 也是用这种接口。采用这种接口的，只能使用 SATA 总线。不能使用 PCIe 总线。

 2. M.2 接口。（以前叫 NGFF，现在统一叫 M.2 了，大家改改习惯吧）。采用这种接口的 SSD，可以使用 SATA 或者 PCIe 总线（取决于主板和SSD）。如果采用 PCIe 总线，又分 AHCI 和 NVMe 两种协议。因此总共有三种。下面是代表性产品：

a) 三星 850 EVO M.2 接口，SATA 总线，AHCI 协议

 

b) 三星 SM951 M.2 接口，PCIe 总线，AHCI 协议

 

 3. SATA Express 接口。SATA Express 使用的是 PCIe 总线，向下兼容 SATA 总线。设备端物理接口如下图。给眼神不好的同学提个醒：设备端的触脚是连在一起的，而不是 SATA 那样分成两部分。目前 T460/T560/X260/P50s 可以支持 SATA Express 的设备（东芝品牌的 SSD）。

 

下图总结了目前不同标准/协议之间的组合。

 

 下面按传输效率做个排序，希望对大家有帮助。

1. PCIe NVMe。
这个是最高大上的。在笔记本市场，根据效能，可以再细分为两个等级：
1A 是 M.2 尺寸的 NVMe（如三星 950 PRO）。可以有四条 PCIe 通道，速度最快。但由于电路板面积限制，容量和发热都是个问题。
1B 是 2.5" 尺寸的 NVMe（如东芝 XG3），采用 SATA Express 接口，可以有两条 PCIe 通道，传输速率较低。由于 2.5" 体积较大，容量和发热比 M.2 要好。在 T460/T560/X260/P50s 上可用。

2. PCIe AHCI。
效能比 1 稍低，是由于 AHCI 协议的滞后性决定的。笔记本上只有 M.2 外形，没有 2.5" 外形。（如三星 SM951 AHCI 版）。

3. SATA AHCI。
效能最低，但兼容性最好，根据外形可分为两类。这两类的传输效能是一样的，无分高低。如果要便宜、容量，则选 2.5"。如果要轻薄，则选 M.2。
3A 是 2.5" 外形的设备，如目前广泛使用的机械硬盘，固态硬盘等。
3B 是 M.2 外形的设备，如三星 850 EVO 的 M.2 盘。