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表1 SATA與PCIe的版本、規格比較

科技型態轉變導致資料量龐大、即時運算需求及資料多樣性等問題，資料存取效能要能因應大數據時代資料流架構的改變，必須不斷地提升傳輸效能，快速地處理多樣、巨量的資料流，相較於傳統硬碟(HDD)，固態硬碟(SSD)儼然成為重要的資料傳輸與儲存裝置。

固態硬碟模組技術發展趨勢，因應傳輸效能從串列式先進附加技術(SATA)單通道傳輸介面走向PCI Express(PCIe)多通道傳輸介面，逐步提升介面傳輸頻率與通道頻寬達到更高的存取效能。 

PCI Express介面技術已經發展多時且已應用於各種的傳輸設備，固態硬碟順勢加入了PCI Express介面技術，藉由PCI Express傳輸規格來提升資料存取速度，PCI Express規格從PCIe Gen1、PCIe Gen2到PCIe Gen3不斷地提升通道傳輸效能，以PCIe Gen3單通道的傳輸效能可達每秒1GB/sec，已經高於目前SATA 3的6Gb/s規格的傳輸效能600MB/sec，再加上PCI Express可透過增加資料傳輸通道，將傳輸效能進行倍增，以PCIe Gen3 x4的設計規格，即採用四通道傳輸下，其規格理論傳輸速度可達4GB/sec(表1)。 

目前固態硬碟除了傳統附加介面卡(Add-in Card)設計外，因受限於成品尺寸與規格如U.2(2.5吋的固態硬碟)及M.2(固態硬碟模組)，固態硬碟最多只採用四通道的傳輸頻寬，但也足以應付目前快閃記憶體(NAND Flash)傳輸存取效能。 

SATA介面傳輸須透過南橋(South Bridge)等橋接器才能與主機系統做資料傳輸，增加其輸入輸出(I/O)延遲性，效能有限，SATA介面傳輸必須依賴主機下命令佇列後，由儲存裝置被動式讀寫資料，經由橋接器做資料的轉收傳送。 

PCI Express傳輸方式有別於SATA傳輸架構，PCI Express傳輸介面直接存取主系統記憶體上資料，更接近中央處理器(CPU)與系統記憶體，儲存裝置端點(End-point)可直接將資料送至主機指定記憶體位址或讀取主機指定的記憶體位址，再加上多工處理性能，縮短資料存取延遲性，大幅提高每秒輸入輸出(IOPS)效能、低延遲性能表現，可進一步提升隨機讀寫速度，再透過多通道物理層資料同步傳輸，更可提升資料傳輸效能。 

高效率NVMe驅動層 大幅提升傳輸效能  

為了有效運用PCI Express傳輸介面，PCI Express固態硬碟採用專為固態硬碟特性而設計的NVMe（Non-Volatile Memory Express）驅動層與傳輸協定架構，相較於SATA採用的進階主機控制器介面(AHCI)驅動層與傳輸協定架構，NVMe驅動層與傳輸協定針對固態硬碟進行優化，讓PCI Express固態硬碟能獲得大幅度的性能提升。 

SATA採用的AHCI驅動層與協定標準中，針對速度需求是以NCQ協定方式運作，但NCQ只有一個陣列且最多同時只能發送三十二個命令，已跟不上固態硬碟的高性能發展。而NVMe規範的制定，主要目的是要提升固態硬碟的性能，其規範完全針對固態硬碟的特性量身訂製，NVMe協定拋棄大多數的ATA命令，精簡了固態硬碟存取命令，提升了運作效率。 

NVMe針對速度提升同樣採用命令佇列(Command Queue)的方式，但運作方式與做法不同，NVMe協定在命令佇列運作上主要定義了Submission Queue (SQ)、Completion Queue(CQ)及Doorbell Register(DB)等，主機系統與固態硬碟透過這三個佇列及暫存器(SQ/CQ/DB)進行傳輸協定運作，動態完成所有佇列命令及資料多工處理與傳輸。 

相較於AHCI採用的NCQ協定，NVMe的IO Queues (SQ)可配置多達65,535個命令陣列數，而每一個命令陣列深度可同時佇列發送65,536個命令。所以NVMe的傳輸協定可靈活的配置命令陣列數與陣列深度(Queue Depth)，讓整個傳輸效率大大提升，遠遠超過SATA基於AHCI驅動層NCQ的效能(圖1)。 

圖1 NVMe運作示意圖

雖然規格定義了如此龐大的命令陣列(Queue)的陣列數與深度，然而實際傳輸應用會取決於系統配置與性能需求，來配置IO Queue的陣列數，系統中對於IO Queue的配置與使用，在NVMe文件中建議針對Client應用端IO Queue採用二至八個陣列數，而Enterprise應用可以採用十六至一百二十八個陣列數，不過多數固態硬碟控制器設計遷就於目前NAND傳輸效能只會支援最佳化的IO Queue的設定與配置。NVMe驅動層的適用性與相容性，已獲得各作業系統廣泛的採用。 

NVMe規範協定也針對固態硬碟相關特性及儲存應用而增加一些功能，如韌體更新機制支援功能、動態電源管理功能、Namespace管理功能及點對點資料保護功能等。讓PCI Express固態硬碟能成為符合高效率、更省電及更穩定可靠的資料儲存裝置。 

3D NAND時代來臨 搭上PCIe性能再進化  

固態硬碟一直以來大量地使用NAND Flash做為儲存媒介，其優異的儲存特性，衍生各種介面的儲存裝置如平行式先進附加(PATA)固態硬碟、SATA固態硬碟、通用序列匯流排(USB)隨身碟、SD卡等移動式儲存。 

隨著NAND製程逐步的微縮，NAND Flash的傳輸速度也不斷提升，從Legacy傳輸到Toggle/ONFi Mode傳輸，將傳輸頻率提升至DDR Mode 400Mbit/s，對應用於高速介面PCI Express固態硬碟將會有很大的幫助，且儲存容量隨著製程演近也翻倍成長。 

二維(2D) NAND晶片製程來到近10奈米(nm)，各大廠在微縮技術瓶頸與設備投資成本等考量下，皆轉往三維(3D)架構的多層製程設計，未來仍會不斷地追逐3D更多層數設計與製程能力，除了成本下降外，可再將容量倍增，資料傳輸率可望再推升。PCI Express固態硬碟若全面搭載3D NAND Flash，將可完全展現固態硬碟的高速傳輸效能。 

高速傳輸效能提升 散熱問題將是挑戰  

PCI Express固態硬碟不斷地突破提升傳輸速度，高速的傳輸將會帶來更多熱源的產生，如何抑制熱的快速產生或快速散熱，將會是PCI Express固態硬碟控制器和模組設計上最大的挑戰。採用最新控制晶片製程是一個方式，可進一步降低熱源及運作溫度，但仍然無法完全解決實際應用上溫度熱源的問題。 

隨著環境溫度的升高也會讓PCI Express固態硬碟整體溫度升高，其中最重要的控制器其產生的熱源會是最高，連帶升高快閃記憶體運作的溫度，可能會影響固態硬碟的運作與可靠度。 

一般固態硬碟皆會有其安全操作溫度範圍，為了維持固態硬碟的正常運作與保護元件等，PCI Express固態硬碟會須要設計溫控調頻技術(Thermal Throttling Technology)，透過內建溫度感測元件，即時監控固態硬碟內部溫度，當內部溫度到達一定的溫度時，控制器必須採取調頻降速技術，減少熱源再產生以維持固態硬碟內部運作溫度，避免影響系統正常運作。 

技術上，控制器會採取多階調頻緩降速的機制，以期達到溫度的平衡與系統的正常運作。當環境溫度下降時，固態硬碟控制器透過即時溫度監控，當溫度下降達一定的溫度時，再次啟動調頻升速技術，同樣採取多階緩升速方式。 

PCI Express固態硬碟除了增加溫度調頻技術外，透過外部對流散熱設計，如不同散熱材質選用或鰭片機構設計等，將內部熱源導出，且配合主機系統熱對流設計，亦可達到固態硬碟裝置降溫效果。因此，對於應用PCI Express固態硬碟於系統時，建議整機系統設計者必須將高速傳輸儲存裝置的熱對流納入整體熱對流設計考量，讓系統能夠高速的運作，發揮PCI Express固態硬碟儲存裝置高速傳輸效能。 

(本文作者為宇瞻研發處資深經理)

資料來源:新通訊