NVMe 固态硬盘

NVMe 协议的设计理念

SATA 接口源于硬盘时代，AHCI（Advanced Host Controller Interface）协议设计于 2000 年代初，只支持 1 个命令队列、队列深度 32。NAND 闪存的并发 IO 能力远超机械硬盘，AHCI 成为瓶颈。NVMe（由 NVM Express 协会于 2011 年发布 1.0 版）专为 NAND 设计：65535 个队列、每队列 65535 个命令、精简的命令集（只有 12 条 I/O 命令，AHCI 有 53 条）、亚微秒级轮询（代替中断驱动）。

PCIe 3.0 x4 通道提供 3.9 GB/s 带宽，PCIe 4.0 x4 约 7.9 GB/s，PCIe 5.0 x4 约 15.8 GB/s，这直接决定了各代 NVMe SSD 的顺序读写上限。WD Black SN850X（PCIe 4.0）顺序读 7300 MB/s，Samsung 9100 Pro（PCIe 5.0，2024）顺序读 14800 MB/s。[1]

写入放大与 QLC 的取舍

NAND 闪存不能原位覆写，必须先擦除（以块为单位，128 KB ～ 4 MB）再写入（以页为单位，4～16 KB），「写入放大系数」（WAF）描述实际写入 NAND 量与主机写入量之比，WAF 越高闪存寿命损耗越快。SLC 每次只写 1 bit，WAF 低、寿命长；QLC 写 4 bit，WAF 高，p/e 擦写寿命只有 SLC 的 1/10 左右。高端 SSD 通过 DRAM 缓存和动态 SLC 缓存（将部分 TLC 空间临时当 SLC 用）掩盖写入性能下降，缓存耗尽后写入速度可能骤降至 300～800 MB/s，廉价 SSD 尤其明显。