硬盘科普：PCIe4.0到底有多快，附实测7400MB/s的宏碁掠夺者GM7000 1TB
PCIe4.0固态硬盘这一概念的提出早在2017年，在2019年市面上就已经出现PCIe4.0固态硬盘，但当时由于支持PCIe4.0固态的主板比较少，加上PCIe4.0固态价格比较高，导致PCIe4.0固态并没有快速普及，只有少数发烧玩家才能尝到PCIe4.0固态的甜头。2021年，Xbox Serirs X/S、PlayStation5都看中了PCIe4.0固态超高的I/O性能，均配备PCIe4.0固态，极大提高了地图加载、关卡加载、场景切换的速度。
今年是PCIe4.0固态开始普及的第四个年头，主流的B660 Intel芯片组主板以及B550 AMD芯片组主板已经标配PCIe4.0 M.2接口，少数H610芯片组主板甚至也配备了PCIe4.0 M.2接口，可以说PCIe4.0成为主流固态已经具备了一些条件。
现在是普通玩家入手PCIe 4.0固态的合适时机吗，PCIe4.0固态相较PCIe3.0有哪些提升，相比之下的体验又如何？
本篇文章会以此硬盘为例，从固态硬盘科普的角度，由浅入深的跟大家聊聊PCIe4.0固态体验到底如何，是否值得买！
M.2固态硬盘由哪些部分组成
以我手上的宏碁掠夺者GM7000 1TB为例，它由主控芯片、缓存颗粒、闪存颗粒三个部分组成。其中缓存颗粒并不是每一块固态硬盘上都有的，缓存颗粒只存在于部分中高端硬盘上，大多数中低端硬盘没有缓存颗粒。
主控芯片的作用
我们可以简单地把主控理解为“大脑”，SSD主控本质上就是一个微处理器，具备运算能力，也是整块SSD组成中最具有技术含量的元件。主控主要负责SSD中数据的写入擦除，均衡内存颗粒的使用，延长SSD的寿命。
由于主控芯片的技术门槛比较高，目前主控品牌比较少，多集中于美国、中国台湾、中国大陆地区，常见的有慧荣、群联、Marvell、三星等。得益于国家最近今年对芯片国产化的扶持，出现了很多国产主控厂商，如国科微、得一微、联芸科技、华澜微、英韧、忆芯、得瑞等。
本次参与PCIe4.0与PCIe3.0对比评测的两款固态，其主控均来自中国大陆厂商。参与本次评测PCIe4.0固态宏碁掠夺者GM7000的主控来自英韧科技的旗舰级主控，代号IG5236CAA。
Rainier IG5236 采用先进的12nm FinFET CMOS 制造工艺，是一款业界领先的PCIe Gen4 x4、NVMe 1.4 固态硬盘主控芯片，在硬件实力上还是很不错的，目前市面上顶级PCIe4.0固态基本上都是用的这个主控。
（下图是来自英韧科技官网的数据）
缓存颗粒的作用
固态硬盘的缓存分为DRAM缓存和SLC缓存两种。
DRAM缓存使用的是缓存颗粒（DRAM芯片）作为缓存，固态硬盘上的缓存颗粒一般不会用来直接缓存数据，其主要用来存储FTL缓存映射表，这个映射表表达了闪存单元物理地址同文件系统逻辑地址之间的关系。固态硬盘不管有没有闪存颗粒，都有FTL映射表，不同之处在于无闪存颗粒的的固态硬盘通常把表的主体放在闪存中，随用随取，效率较低。
中高端固态硬盘会把FTL映射表完整地放入DRAM缓存中，通常按照1GB：1MB的比例配置DRAM缓存。市面上带有DRAM缓存的固态硬盘还会随硬盘容量大小不同，缓存大小也不同，主要原因是某些固态品牌为了节省成本。
如果你所购买的固态硬盘容量为1TB，但只配备512MB DRAM缓存，这种情况下DRAM缓存只能管理512GB的闪存空间。这类硬盘虽然配备了DRAM缓存，但依旧存在一些不足。
建议大家在选购中高端带有DRAM缓存的固态硬盘时，应按照“缓存容量=闪存容量/1000“公式进行换算。也就是512GB固态应配备512MB缓存，1TB固态应配备1GB缓存，以此类推。就比如本次测试的宏碁掠夺者GM7000就是按照以上公式配备的缓存，这也是我选择它的原因之一。
没有配备DRAM缓存的固态硬盘，基本都是使用SLC模拟缓存来提升连续读写速度的。
何为模拟SLC？
要解释模拟SLC需先从闪存颗粒类型说起，目前常见的闪存颗粒类型有SLC、MLC、TLC、QLC四种。1个SLC单元只可以存储1bit数据，1个MLC单元只可以存储2bit数据，1个TLC单元只可以存储3bit数据，1个QLC单元只可以存储4bit数据。
这样说大家可能不好理解，给大家举个例子。我们可以简单地理解为每种颗粒的空间都是一个标准大小的停车位，将1bit数据比做成1辆小汽车。QLC这个车位里停了4辆车，TLC车位里停了3辆车，MLC车位里停了2辆车，SLC颗粒里只停了一辆车。
如果这些车位中的车全部要出去，那种车位里的车出去的最快呢？答案很明显是"SLC颗粒"。
了解以上四种闪存颗粒后，就很容易理解何为模拟SLC了。比如TLC模拟SLC，就是将三个TLC颗粒合并到一块使用，也就是说我用三个TLC颗粒停车场去停三辆车，这样就能达到类似于SLC颗粒的速度。
模拟SLC缓存的固态硬盘在使用时，主控会先将数据写入SLC缓存中，当缓存写满后，才会向TLC闪存中写入，这样就会造成写入速度的断崖式下跌（也有全盘模拟SLC的，这种情况另说），此时的速度也被称为缓外速度，缓外速度的高低也是判断SSD性能的一个指标。
闪存颗粒的作用
闪存颗粒一直担任着数据存储的重任，闪存颗粒的好坏决定了硬盘的使用寿命和性能。目前能够提供闪存颗粒的厂商并不是很多，基本都是国外的几家厂商。不过近几年来国内自主研发的颗粒也已经上市，并且目前已经有很多硬盘搭载国产颗粒了。
本次测试的宏碁掠夺者GM7000使用的则是自封片，其本体是镁光176层TLC颗粒。
问题又来了，所谓的“自封”是什么？
想要了解什么是“自封”，需先了解闪存颗粒的等级划分！除了颗粒类型，闪存颗粒的生产厂商还会将不同品质闪存颗粒划分等级，依次为正片、白片、黑片。正片是经过行业生产要求检验以及原厂生产要求检验合格的颗粒。其分为两种，一种是由闪存颗粒生产商封装的优质颗粒，俗称原厂；另一种是由品牌方向闪存颗粒生产商直接采购晶元，之后再由品牌方进行封装而成，品质与原厂封装相同，均为正片。
白片是符合行业生产要求检验合格的晶元封装而成的，其未通过原厂生产要求检验，但仍可以进行销售，这也导致白片在质量方面无法完全保证，有可能好，有可能一般。黑片是在原料筛选的初级阶段便被定为有问题的部分，实际上是应该被弃用的原材料，但还可能通过某些渠道流入市场。
总线、协议、接口分别指什么？
什么是总线？
要知道，计算机内部有很多的电子元器件，就比如CPU插槽、内存插槽、PCIe插槽、M.2插槽、SATA接口等。在计算机使用的过程中，它们之间会有数据沟通和传输的需求。就比如CPU需要向内存传输数据，就需要有一根线在CPU和内存中间将两者连接起来。
在电脑主板上，不同设备之间交互数据的通路就被称为总线。
这里先给大家一个带宽的概念，方便后面讲PCIe3.0与PCIe4.0.
无论什么线路，都是有最大负载的，这就像家中的电线一样，4平方铜线比2平方铜线能承载更大的瓦数。主板上也是一样，总线也有一定的承载能力，总线在单位时间内传输的数据量称为总线带宽。
目前常见的总线有SATA、PCIe、SAS，目前消费级电脑里SATA和PCIe总线使用的比较多，SAS总线主要在服务器上使用。
什么是协议？
谈起固态硬盘的接口一定避不开“协议”这两个字，简单的讲“协议”其实就是主板内部的一种规矩。举个例子，你不会英语，有个使用英语的人询问你附近的公共厕所在哪，你完全听不懂对方在说什么，所以也就无法回答他的问题。
在主板中，协议规定了两个设备如何识别对方、如何建立连接、使用的讯号类型、数据编码解码方式、数据传输类型......两个设备只有协议完全一样或者相容，才能正常通讯。拿前面的例子讲就是，你是一名中国人，会中文和英文两种语言，有一个只会英文的人询问你附近的公共厕所在哪，你能听懂他问的问题，也能回答他问的问题。
目前常见的协议有AHCI、NVMe、SCSI三种，其中AHCI协议对应SATA总线和PCIe总线，NVMe协议只对应PCIe总线，SCSI协议对应PCIe总线和SAS总线。
SSD接口有哪些？
目前你能接触到的硬盘接口有SATA、M.2、PCIe、SAS，其中M.2接口分为B-key和M-key两种，其中SAS接口常用在服务器上。SATA接口的固态硬盘只能是SATA协议，M.2接口的固态硬盘可能是SATA总线也可能是PCIe总线，PCIe接口的固态硬盘只能是PCIe总线，SAS接口的硬盘可能是SATA总线也可能是SAS总线。
何为PCIe 4.0
PCIe接口
前面讲了总线和总线带宽，这个地方理解起来应该就容易多了。PCIe总线是继PCI总线革新后的数据传输标准，PCIe除了以总线的形式存在之外，还以接口的形式存在，这个接口我们可以用来插显卡、网卡、声卡等设备。
PCIe通道
PCIe除了以接口和总线的形式存在外，还以通道的形式存在。就比如主板上的M.2固态硬盘接口，它的外形虽然是M.2，但数据传输依赖于PCIe通道，这也就是为什么M.2接口的固态硬盘也分PCIe3.0和PCIe4.0了。
PCIe的带宽是按照长度去计算的，最短的是PCIe X1，然后是PCIe X2、PCIe X4、PCIe X8、PCIe X16。最长的PCIe X16其速度是PCIe X8的2倍，是PCIe X4的4倍，以此类推。许多玩家口里满血的M.2接口指的就是PCIe X4，残血M.2接口指的就是PCIe X2。
PCIe 1.0
PCIe 1.0 X1的速度只有250MB/s，X2的速度只有500MB/s，X4的速度只有1GB/s，X8的速度只有2GB/s，X16的速度只有4GB/s。
PCIe 2.0
而我们现在使用的硬件设备速度在不断提高，性能更强大的显卡，速度更快的硬盘和网卡，导致PCIe 1.0速度根本不够用，于是就出现了PCIe 2.0，速度是PCIe 1.0的两倍，PCIe 2.0 X16的最高速度为8GB/s。
PCIe 3.0
后来2.0也不够快，于是出现了我们现在最常用到的PCIe 3.0，PCIe 3.0的速度是PCIe 2.0的两倍。PCIe 3.0 X4的速度达到了4GB/s，这也是目前主流主板M.2接口所能达到的最大理论速度。
这也能解释为什么目前最高端的PCIe3.0固态的顺序读写速度不会超过4000MB/s了，原来是被PCIe 3.0 X4通道的速度限制了。
PCIe 4.0
这样你应该清楚PCIe 4.0是什么了！PCIe 4.0又在PCIe 3.0的速度基础上进行了翻倍，使得PCIe 4.0 X4的最大传输速度达到了8GB/s，也就是说支持PCIe 4.0的固态硬盘，其最高顺序读写速度可以高达8000MB/s。
PCIe4.0 SSD有多快？
为了探索PCIe 4.0到底有多快，学弟专门对电脑主机进行了升级，使用了支持PCIe 4.0的主板，另外还对PCIe 3.0固态进行了测试，作为对比的参照。学弟所购买的PCIe 4.0硬盘为宏碁掠夺者GM7000 1TB，在上文中也有所介绍，这里详细说一下。
外观及配件
宏碁掠夺者GM7000的外包装，正面除了硬盘渲染图外，还标注了总线类型、协议类型、通道标准以及容量。
包装盒背面则是该硬盘的详细参数，包括最高读写速度、工作温度范围、尺寸等。
硬盘本体由硬盘和导热贴两部分组成，硬盘使用了黑色电路板，导热贴同样为黑色，导热贴上方还印有掠夺者logo。
从侧面看导热贴还是比较厚的，官方介绍此导热贴为石墨烯复合材料，导热系数比较高。无散热配件和加装石墨烯导热贴进行高强度写入测试，加装导热贴比无散热配件的固态硬盘低18摄氏度。
下图为宏碁掠夺者GM7000背面
除了石墨烯复合材质的导热贴外，还赠送了金属散热装甲。如果是在台式机上安装该硬盘，可以使用金属散热装甲。
硬盘相关参数
主控芯片为IG5236CAA，属于英韧科技旗舰级产品。NAND闪存颗粒来自美光TLC，单颗粒512GB。缓存为单颗DDR4外置缓存，容量为1GB，颗粒编号为BWMECX32H2A-08Gb。主控和缓存芯片均为目前顶级规格，至于TLC颗粒，懂得都懂，现在固态市场上全是TLC，无须多言。
上机图
铭瑄B660M终结者算是最近比较火的一块板子，主板上共有两个支持PCIe 4.0 X4的M.2接口，我选了离CPU最近的接口，下图是将宏碁掠夺者GM7000安装到主板上的样子。
宏碁掠夺者GM7000的下方，安装了一块HIKSEMI ECO 1TB SSD作为对照参考。
测试设备配置
主板：铭瑄B660M终结者
处理器：Intel Core i5-12400
内存：光威天策系列 DDR4 3200 16GB（8GB x2）
硬盘： HIKSEMI ECO 1TB SSD（PCIe 3.0 ）
宏碁掠夺者GM7000 1TB SSD（PCIe 4.0）
CrystalDiskinfo 8.1.0
从cdm扫描的传输模式以及标准上可以看到，宏碁掠夺者GM7000使用了PCIe 4.0 X4的通道以及NVMe 1.4传输协议。
而对照测试的C2000 ECO采用PCIe 3.0 X4通道，NVMe1.3传输协议。
CrystalDiskMark 7.0.0
在cdm的测试中，终于窥探到PCIe 4.0的顶级速度。Intel平台下高达7130.79MB/s的连续读取速度以及6365.97MB/s的连续写入速度，相当于2个C2000 ECO加起来的速度，12个SATA3.0固态的速度，40个SATA机械硬盘的传输速度。4K单线程随机读91.6MB/s，4K单线程随机写260.88MB/s。
对照参考的HIKSEMI C2000 ECO的连续读取速度为3573MB/s，连续写入速度为3037MB/s，4K多线程随机读写以及4K单线程随机读写较PCIe 3.0固态都有较大幅度的提升。不能说HIKSEMI C2000 ECO慢，只能说采用PCIe 4.0的宏碁掠夺者GM7000实在是太强了。
在压力更大的64GiB数据测试中，测试成绩相较1GiB压力基本无波动。反观海康威视C2000 ECO，在64GiB大压力测试下，多线程单线程连续读写、4K随机读写均有不同程度的下降。
除了在Intel平台下的测试外，我还将硬盘放在AMD平台上进行了测试。
宏碁掠夺者GM7000在AMD平台上更是跑出了7478.53MB/s多线程连续读取成绩，连续写入速度也是达到了6460.80MB/s。4K随机读写在AMD平台上表现的依旧优秀，高达90.83MB/s的单线程4K随机读取速度，230.65MB/s的单线程4K随机写入速度。大大提升了日常程序加载、游戏加载的速度，实现网页程序秒开。
3DMARK SSD性能测试
3DMARK这个测试是去年11月新添加的DLC，专门用来测试SSD、混合硬盘和机械硬盘的游戏性能的。和PCMARK 10的存储测试一样，3D MARK的存储测试也是基于真实应用的磁盘轨迹回放，所以该测试可以反映最真实的性能表现。
测试项目包括：
启动加载《战地5》到游戏主菜单
启动加载《使命召唤：黑色行动4》到游戏主菜单
启动加载《守望先锋》到游戏主菜单
在玩《守望先锋》时使用OBS录制1080p 60Hz的游戏视频
从Epic平台上安装《天外世界》
在运行《天外世界》时保存游戏进度
将《CS:GO》的Steam文件夹从外部SSD复制到目前驱动器
宏碁掠夺者GM7000 1TB在3DMARK SSD性能测试中获得了3016分，要知道三星980 PRO才2858分，WD BLACK SN750才2014分，宏碁掠夺者GM7000跑出3000多分的成绩还是很值得一夸的。
作为对照组的海康威视C2000 ECO 1TB只获得了945的分数。
ATTO磁盘基准测试4.00
ATTO磁盘基准测试中，宏碁掠夺者GM7000 1TB在64MB文件测试中，连续读取速度能达到6.58GB/s，连续写入速度能达到5.93GB/s。海康威视C2000 ECO 1TB在64MB文件测试中，连续读取速度能达到2.77GB/s，连续写入速度能达到3.25GB/s。采用PCIe 4.0的宏碁掠夺者GM7000完胜！
AS SSD Benchmark 2.0
硬盘娱乐大师AS SSD测试中，宏碁掠夺者GM7000 1TB得分7200分，海康威视C2000 ECO 1TB得分4126分，不过这个测试确实是娱乐啦，前后测试两次，能差个上千分。
写在最后
在推荐PCIe 4.0固态的时候，总有人站出来说PCIe 3.0就已经很快了，3000MB/s和7000MB/s在体验上基本无感。但对于玩家而言，之前需要5s游戏才能加载完成，而更换PCIe 4.0固态硬盘后，2.5s游戏就加载完了。快了这短短的2.5s，可能多加两根内存或CPU超个0.5G频率都很难达到。
我的建议是，如果你正想搭建最新平台的主机，那么可以考虑PCIe 4.0固态，毕竟PCIe 4.0固态仅比PCIe 3.0固态贵了几百元。宏碁掠夺者GM7000算是一个不错的选择，上面评测也测了，各方面性能都很强，5年或600TBW的质保，也算是诚意满满。
除了性能强不说，宏碁掠夺者还贴心的提供Acronis正版软件，助力高效数据迁移。你可以通过这个软件对硬盘数据进行转移，还可以实现数据备份、硬盘克隆、系统恢复等功能，可以说做的十分细致了。
