满血PCIe 4.0：三星980PRO固态硬盘评测 PCIe4.0进入个人电脑已有一年半

PCIe 4.0进入个人电脑已有一年半，而而直到现在，它的带宽优势才首次被三星980PRO充分发挥出来。本次PCEVA评测的是三星980PRO的1TB版本，也是目前的最大型号， 2TB版本会在稍晚些时候上市。
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首个满血PCIe 4.0 SSD
所谓满血状态，主要分两个部分：一是顺序读写速度用满PCIe 4.0带宽极限；二是能够在高队列深度下充分发挥4K随机读写能力。三星980PRO堪称是首个满血状态的PCIe 4.0固态硬盘。
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首先来看顺序读写带宽，他主要受到外部PCIe接口以及内部闪存接口的共同制约。
早期的PCIe 4.0固态硬盘（群联PS5016-E16方案）只能提供5000MB/s的顺序读取速度，这是因为主控使用800MT闪存接口， 800 x 8通道再除以经验倍率（通常在1.25到1.35之间），最终可提供的带宽介于 4740MB/s到5120 MB/s之间。 E16受限于闪存接口速率，无法更充分地利用PCIe 4.0的带宽。而三星980Pro使用1200MT闪存接口，理论带宽在7111MB/s到7680MB/s之间。
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通常来说， PCIe 4.0的理论带宽为8GB/s 。但实际上8GB/s只是物理层的电气传输能力，由于128b/130b编码的影响，会损失大约1.538%的带宽，所以PCIe 4.0 x4实际可用带宽为：7.88GB/s 。
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此外还有更多的额外开销。数据以TLP信息包传输，其中包括了事物层添加的Header和ECRC纠错码、数据链路层添加的Sequence Number和LCRC纠错码等等。而一个TLP包所能承载的有效数据量是有限的。
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这部分有效数据（Payload）理论上最长可以达到4096字节，不过通常它会受到设备以及主板支持的共同限制，多数情况下被限制在256字节。按照下图中的情况，我们可以计算一下数据包的效率是：256/(256+4+2+12+4+4)=90.8% 。
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用7.88GB/s乘以90.8% ，结果是7.15GB/s ，也就是说，三星980Pro的7000MB/s已经非常接近PCIe 4.0 x4的带宽上限。三星尚未宣布980PRO 2TB版本的性能指标，我们拭目以待。
接下来看高队列深度下的4K随机读写IOPS ，它主要受到主控硬件支持以及闪存访问延迟两个因素的影响。
在SATA时代，受AHCI协议的影响， 4K随机读写IOPS通常在100K以内，也就是10万IOPS 。
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NVMe协议针对闪存等新型非易失性存储介质进行了大量优化，理论上可支持最多65535个队列，每个队列支持65536长度，但实际上主控并不能支持这么多。好消息是技术在进步，从近几代三星NVMe主控的发展可以看到， Elpis已经能够支持128个队列。不过我们目前没有其他主控的队列支持数据，无法进行更多的比较。
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除了主控，闪存自身存取延迟也是一个重要影响因素。 980PRO使用的三星第六代V-NAND闪存相比上代产品的存取延迟降低10%以上，同时功耗也降低了15% ，从而可以更快、更高效地应对数据存取。
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硬件拆解部分
980PRO使用了三星全新设计的ELPIS主控，支持128个队列，每队列可包含64000个命令，共计超过800万个命令，为4K随机读写效能的提升奠定了坚实的基础。另外， ELPIS还采用了三星自家8nm工艺制造，相比同类主控的12nm工艺更为先进，在功耗控制上也会具备一定优势。
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DRAM缓存特写：三星LPDDR4（编号K4F8E3D4HF-BGCH），容量1GB 。三星是当前少有的集主控、DRAM、NAND设计制造能力于一身的企业，使用LPDDR4作为DRAM缓存有助于降低整体功耗，减少发热。
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NAND闪存特写：三星第六代V-NAND 3D TLC（编号K9DUGY8J5C-DCK0）， 1xx层堆叠相比上代9x层提升40% ，读写延迟降低10% ，功耗降低15% 。关于这代闪存的具体堆叠层数一直是一个谜，三星官网上将其标为1xx层（即100多个层），所以我们采用这一写法。