滿血PCIe 4.0：三星980PRO固态硬盤評測

　　PCIe 4.0進入個人電腦已有一年半，而而直到現在，它的帶寬優勢才被三星980PRO充分發揮出來。本次PCEVA評測的是三星980PRO的1TB版本，也是目前的型号，2TB版本會在稍晚些時候上市。

　　滿血PCIe 4.0 SSD

　　所謂滿血狀态，主要分兩個部分：一是順序讀寫速度用滿PCIe 4.0帶寬極限;二是能夠在高隊列深度下充分發揮4K随機讀寫能力。三星980PRO堪稱是滿血狀态的PCIe 4.0固态硬盤。

　　首先來看順序讀寫帶寬，他主要受到外部PCIe接口以及内部閃存接口的共同制約。

　　早期的PCIe 4.0固态硬盤(群聯PS5016-E16方案)隻能提供5000MB/s的順序讀取速度，這是因為主控使用800MT閃存接口，800 x 8通道再除以經驗倍率(通常在1.25到1.35之間)，最終可提供的帶寬介于 4740MB/s到5120 MB/s之間。E16受限于閃存接口速率，無法更充分地利用PCIe 4.0的帶寬。而三星980Pro使用1200MT閃存接口，理論帶寬在7111MB/s到7680MB/s之間。

　　通常來說，PCIe 4.0的理論帶寬為8GB/s。但實際上8GB/s隻是物理層的電氣傳輸能力，由于128b/130b編碼的影響，會損失大約1.538%的帶寬，所以PCIe 4.0 x4實際可用帶寬為：7.88GB/s。

　　此外還有更多的額外開銷。數據以TLP信息包傳輸，其中包括了事物層添加的Header和ECRC糾錯碼、數據鍊路層添加的Sequence Number和LCRC糾錯碼等等。而一個TLP包所能承載的有效數據量是有限的。

　　這部分有效數據(Payload)理論上最長可以達到4096字節，不過通常它會受到設備以及主闆支持的共同限制，多數情況下被限制在256字節。按照下圖中的情況，我們可以計算一下數據包的效率是：256/(256+4+2+12+4+4)=90.8%。

　　用7.88GB/s乘以90.8%，結果是7.15GB/s，也就是說，三星980Pro的7000MB/s已經非常接近PCIe 4.0 x4的帶寬上限。 三星尚未宣布980PRO 2TB版本的性能指标，我們拭目以待。

　　接下來看高隊列深度下的4K随機讀寫IOPS，它主要受到主控硬件支持以及閃存訪問延遲兩個因素的影響。

　　在SATA時代，受AHCI協議的影響，4K随機讀寫IOPS通常在100K以内，也就是10萬IOPS。

　　NVMe協議針對閃存等新型非易失性存儲介質進行了大量優化，理論上可支持最多65535個隊列，每個隊列支持65536長度，但實際上主控并不能支持這麼多。好消息是技術在進步，從近幾代三星NVMe主控的發展可以看到，Elpis已經能夠支持128個隊列。不過我們目前沒有其他主控的隊列支持數據，無法進行更多的比較。

　　除了主控，閃存自身存取延遲也是一個重要影響因素。980PRO使用的三星第六代V-NAND閃存相比上代産品的存取延遲降低10%以上，同時功耗也降低了15%，從而可以更快、更高效地應對數據存取。

　　硬件拆解部分

　　980PRO使用了三星全新設計的ELPIS主控，支持128個隊列，每隊列可包含64000個命令，共計超過800萬個命令，為4K随機讀寫效能的提升奠定了堅實的基礎。另外，ELPIS還采用了三星自家8nm工藝制造，相比同類主控的12nm工藝更為先進，在功耗控制上也會具備一定優勢。

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　　DRAM緩存特寫：三星LPDDR4(編号K4F8E3D4HF-BGCH)，容量1GB。三星是當前少有的集主控、DRAM、NAND設計制造能力于一身的企業，使用LPDDR4作為DRAM緩存有助于降低整體功耗，減少發熱。

　　NAND閃存特寫：三星第六代V-NAND 3D TLC(編号K9DUGY8J5C-DCK0)，1xx層堆疊相比上代9x層提升40%，讀寫延遲降低10%，功耗降低15%。關于這代閃存的具體堆疊層數一直是一個謎，三星官網上将其标為1xx層(即100多個層)，所以我們采用這一寫法。

　　三星980PRO在增強散熱方面的努力包括主控表面的鎳塗層，以及PCB背面的由多層銅箔堆疊而成的散熱标簽。這些舉措使得980PRO可以無需接觸外部散熱片的幫助，就能在重負載使用下保持合理的溫度，而不緻過熱限速。

　　可能有朋友會問，能加個散熱片就解決的事情，有必要這樣費力去優化嗎?答案是肯定的，PCIe 4.0固态硬盤不僅應用在高性能台式機上，同樣也會有在筆記本電腦(如英特爾Tiger Lake平台)中使用的需求，後者的安裝和散熱空間遠比台式機惡劣。就空間限制來說，多數輕薄筆記本電腦的M.2安裝位僅能容納單面PCB設計的NVMe固态硬盤，無論底部還是頂部均沒有多餘空間去安裝附加的金屬散熱片。鍍鎳層可以幫助980PRO的主控溫度下降約7度，降溫效果明顯，同時不會影響空間兼容性。

　　980PRO是三星第一次在PRO系列上使用3D TLC閃存。從讀取效能來看，TLC(三星稱3bit MLC)閃存并未影響到980PRO成為有史以來最快的三星PRO固态硬盤，但一些玩家可能會對寫入壽命有所疑慮。相比采用3D MLC閃存的970PRO，600TBW的官标寫入量低了一半，但環顧當代旗艦級固态硬盤，980PRO的600TBW(未來2TB版本為1200TBW)的寫入量指标依舊屬于第一梯隊，隻不過是970PRO過于耀眼了。

　　根據三星的調研統計數據，5年内NVMe SSD用戶寫入量在156TB以内的占99%以上。并且600TBW的寫入量指标是根據JESD218标準測試得出，實際閃存磨損程度還和寫入使用方式有關(寫放大不定)。并且TBW指标隻是一個影響保修的指标，超出後并不會影響SSD的繼續使用。從曆史來看，三星主控的數據糾錯能力強悍，即便在閃存磨損極為嚴重的情況下也有能力确保用戶數據的完整，超期服役的案例有很多。在家用領域，對980PRO的耐久度擔心是沒有必要的。

　　測試平台及信息識别：

　　測試平台：

　　CPU：AMD Ryzen 9 3900X / Ryzen 7 5800X

　　主闆：技嘉X570 AORUS ELITE WIFI

　　内存：HyperX Fury DDR4 3200MHz 16GB

　　硬盤：建興ZETA 256GB(系統盤)

　　三星980PRO 1TB(FW：1B2QGXA7)

　　系統：Windows 10 20H2

　　驅動：Samsung NVMe Driver 3.3.0.2003

　　設置：除特别說明以外，關閉ASPM及APST節能

　　本次評測在同個平台上使用到了兩個CPU，一方面是因為時間有限，我們不得不趕在Ryzen 7 5800X可用之前先完成部分測試，另一方面Ryzen 5000上市時間不長，個别測試軟件還存在一些小問題，所以我們保留了部分早些時候在Ryzen 9 3900X上測得的數據。

　　CrystalDiskInfo信息識别：

　　CrystalDiskInfo(CDI)是通用的固态硬盤SMART信息檢測工具，三星980PRO具備和其他NVMe固态硬盤相同的SMART定義，簡單的信息識别可以無需借助三星Magician工具箱軟件。

　　Smartmontools信息識别：

　　Smartmontools是一個開源工具軟件，可以識别NVMe固态硬盤的溫度限制信息以及APST預設，這些信息同NVMe固态硬盤的節能及熱管理策略有關，下文中會有進一步的解讀和測試。

　　NVMe在發展的過程中不斷加入各種先進節能和熱管理特性，通過smartmontools和AIDA64對980PRO的識别結果整理如下。

　　三星Magician工具箱：

　　6.2版本的Magician工具箱具備全新的界面，但左側功能菜單有部分尚未完成漢化。

　　工具箱自帶的測速功能可以用于驗證980PRO的順序讀寫性能，但随機讀寫IOPS由于測試算法的原因，不能充分展現980PRO的全部性能。1000K IOPS的正确測試姿勢會在下文中介紹。

　　三星Magician提供了創建可引導U盤版工具箱的功能，用以實現對SSD的安全擦除。在挂副盤并且安裝了三星NVMe驅動程序的前提下，也可以通過Ochkin Vadim編寫的nvme-se工具在Windows系統内實現。

　　Encrypted Drive提供了TCG Opal加密功能開關，如果你希望實現eDrive(硬件加速的BitLocker)，則需要提前打開它，然後對SSD進行一次安全擦除，并進行全新系統安裝。由于時間關系，PCEVA評測室本次沒有嘗試。

　　上方的PSID Revert功能可以利用産品标簽上的PSID(下圖紅色圈内所示)解除980PRO的加密狀态，并删除全部數據。

　　基準測試：

　　基準測試1：理論帶寬測試

　　三星980PRO的性能指标是以IOMeter 1.1進行測試的，為了測試方便，多數朋友會用CrystalDiskMark來檢驗。我們需要使用CrystalDiskMark，并對測試參數進行一些修改，順序讀寫的隊列深度加大到128，4K随機讀寫修改為Q32T16，即可得到以下成績：順序讀取7129.3MB/s，順序寫入5164.1MB/s，超過官标7000/5000 MB/s性能指标。

　　4K隊列随機讀寫帶寬換算後相當于1039800/1082675 IOPS，超過官标的1000K IOPS指标。4K單線程随機讀寫帶寬換算後相當于23842/66475 IOPS，同樣超過官标的22K/60K IOPS指标。如果大家在測試中無法實現官标性能，可能需要換一顆CPU試試，是單CCD的型号，盡可能降低核心間延遲。此外，CPU手動超頻并不總是對存儲性能有幫助，某些情況下會起到反作用。AMD銳龍的機制同英特爾平台有很大不同，C State等節能特性并不是簡單的一關了之，此外電源計劃也會影響到測試成績，複雜性較英特爾平台高出許多。

　　基準測試2：PCMark 8測試

　　三星980PRO在PCMark 8存儲性能測試中獲得5099分，比采用群聯PS5016-E16主控方案的紫光P400 2TB高出20分之多。由于測試平台的差異，這裡不能直接同英特爾平台上的成績直接對比。

　　在英特爾Core i9-9900K測試平台上，三星980PRO以PCIe 3.0速率工作，PCMark 8存儲測試得分為5114分。小編非常期待明年第一季度的英特爾Rocket Lake平台，CPU節能特性更容易控制的英特爾平台在對延遲敏感的存儲測試中通常會有更好的表現。

　　基準測試3：PCMark 10完整系統盤基準

　　PCMark 10完整系統盤基準針對當代固态硬盤的廣泛測試，涵蓋了系統開機啟動、Adobe設計套件應用、Office辦公套件應用、圖片/ISO文件拷貝複制、多個遊戲加載過程等測試内容。測試需要至少80GB的硬盤空間，單次測試産生的寫入量達到204GB，複雜度超過了PCMark 8存儲測試。在這個測試中三星980PRO 1TB的成績更是大幅超越采用群聯PS5016-E16方案的紫光P400 2TB，幅度高達50%以上。

　　需要指出的是，目前PCMark 10在Ryzen 5000處理器上存在一些兼容性問題，會嚴重影響測試結果。故本測試的數據基于Ryzen 9 3900X，和紫光P400相同。

　　基準測試4：溫度壓力測試

　　三星980PRO具備兩個溫度傳感器，Drive Temperature溫度數據來自閃存顆粒，也是CrystalDiskInfo和工具箱軟件直接展示的溫度。Drive Temperature 2第二溫度需要使用HWiNFO64等軟件讀取，它是Elips主控的溫度數據。

　　一般來說，主控芯片能夠承受近100度的高溫，而非車規級的NAND閃存隻能承受不超過85度的溫度。由于主控的發熱量較閃存芯片更高，所以三星980PRO将電源管理元件置于主控和NAND閃存顆粒之間，盡可能拉開二者的距離，盡量避免NAND閃存受到主控的影響而過熱。PCB背面的多層銅箔散熱标簽對準閃存顆粒而非主控，大約也是出于照顧閃存溫度限制的原因。雖然車規級閃存能夠承受高達105度的工作環境，但通常會有性能等方面的限制，并不符合家用固态硬盤的需求。

　　本測試在關閉一切SSD節能、無主動散熱措施的條件下進行，測試時室溫22度。溫度壓力測試使用IOMeter進行，測試方法為128KB QD128T1順序讀取，每秒記錄。利用Hard Disk Sentinel和HWiNFO64查看溫度變化。經過10分鐘持續滿載之後，三星980PRO的默認溫度度數為64度，距離85度限制尚有很大距離，未觸及溫度上限。

　　IOMeter記錄的讀取速度數據也表明，測試過程中沒有過熱限速事件發生。

　　由于北方已經入冬，環境溫度比夏季低很多，我們沒能觸發980PRO的溫度管理。據三星提供的資料顯示，980PRO在溫度管理上相比上代産品也有很多改進，在動态熱防護(DTG)介入之後，讀寫性能相比970EVO PLUS更高。

　　980PRO主控的動态熱防護技術可以避免SSD工作在過高的溫度下，保障硬件和用戶數據的安全。如果你依然不放心在無金屬散熱片的情況下高負載使用對性能的影響，可以通過三星Magician工具箱查看980PRO的SMART信息，其中的Warning Composite Temperature Time和Critical Composite Temperature的數據為零，表示沒有發生過DTG介入和限速的事件。

　　基準測試5：NVMe節能特性

　　技嘉X570 AORUS ELITE WIFI主闆的BIOS中沒有提供PCIE ASPM節能設定，默認就是開啟狀态。要啟用深度的L1.2節能，台式機需要在Windows電源選項中将PCI Express-鍊接電源管理修改為“電源節省量”。筆記本電腦在未接AC電源時默認就會開啟它。

　　APST自動電源狀态轉換是NVMe協議提供的另一種節能特性，共有3個活動狀态和2個不活動狀态。根據微軟的信息，APST會根據電源選項設定而有不同的作用機制，較低功耗的電源設定傾向于允許NVMe固态硬盤進入更深度的節能狀态。

　　結合我們通過smartmontools識别到的APST預設，除高性能電源計劃外，三星980PRO都能在閑置時間條件具備後進入到最深的PS4不活動電源狀态，功耗低至35mW，若同時進入ASPM L1.2狀态，功耗進一步降低到5mW以内。

　　在22度室溫、無主動散熱措施條件下，三星980PRO的待機溫度從關閉節能前的29度下降到26度，主控溫度從關閉節能前的36度下降到25度，效果出色。

　　三星980PRO的節能表現十分出色，當然用戶還希望在節能降溫的同時，更好地維持性能不下降。我們将ASPM功能打開、使用平衡電源預設(200ms超時進入，15ms進出延遲限制)。CrystalDiskMark測試結果，僅有4K單線程随機讀取略低，影響不是很大。

　　PCMark 8存儲測試完全沒有受到影響，說明980PRO在日常使用中能夠很好地兼顧節能與性能發揮。

　　進階測試：

　　進階測試項目1：SLC緩存及過半盤使用性能

　　三星在980PRO上啟用了全新的TurboWrite 2.0智能SLC算法，将SLC緩存的容量提升了5倍。對于980PRO 1TB來說，它具備基礎的6GB固定SLC緩存(位于OP預留空間，始終可用)，和額外的108GB動态SLC緩存(臨時借用未使用的空白閃存空間)，總SLC緩存容量達到了114GB。按照三星提供的數據，980PRO在30秒内可寫入131GB數據，是970EVO Plus及970PRO的兩倍左右，爆發寫入能力優勢顯著。

　　從上圖中我們還可以得到一個信息，970EVO PLUS的緩存内寫入速度高未使用SLC緩存的970PRO，這解釋了在一些測試項目中為何TLC閃存的970EVO PLUS能夠戰勝MLC閃存的970PRO。智能的SLC緩存算法能有效地提升SSD性能表現，我們不應從内心中去抵觸它。

　　HDTune文件基準提供了一個SLC緩存容量的簡易測定方法，确認了空盤狀态下980PRO 1TB擁有總計114GB的寫入緩存。由于測試方法的原因，HDTune文件基準測得的讀寫速度可能與理論帶寬有一定差距(隊列深度不夠)。

　　利用IOMeter向盤内填充465.5GB的不可壓縮數據後，重新測試HDTune文件基準，50%空間使用率下依然有114GB的寫入緩存可用：

　　CrystalDiskMark測得的半盤性能基本無衰減：

　　PCMark 8存儲測試表明，半盤使用率下980PRO的使用性能無衰減：

　　根據三星提供的數據，TuboWrite 2.0始終嘗試提供108GB的動态SLC緩存，當SSD中的可用空白塊不足(少于108x3=324GB)時，動态SLC緩存将不可用。這裡提到的少于324GB空間，指的是包括OP預留空間在内的空白閃存容量，而非格式化後盤内剩餘的用戶可用空間。也就是說，直到盤内空間使用超過700GB(盤内剩餘231GB左右)才會禁用動态SLC緩存，隻餘6GB的固定SLC緩存。實際上，我們通過實際測試發現，在盤内填充701GB數據之後，盤内空間使用率達到75%，此時依然有超過12GB的SLC緩存可用，并且實用性能基本無衰減。

　　進階測試項目2：4KB QD32 随機寫入離散度測試

　　無文件系統下使用IOMeter進行128K QD32持續寫入30分鐘。 SLC緩存用盡之後，寫入速度經曆了短暫低于2000MB/s的過程後，很快又恢複到2000MB/s以上。

　　結束後空閑15分鐘，然後改用4K QD32随機寫入10000秒并每秒記錄。

　　最後500秒平均IOPS：64174。波動不大，離散度表現非常出色。

　　進階測試項目3：PCMARK 8擴展存儲測試之性能一緻性部分(穩定态家用環境性能)

　　這個測試主要是給家用最惡劣環境下的性能參考(全盤不留任何剩餘空間，禁用了Windows文件系統緩存跑純RAW模式)。由于測試時間緊張，本項成績基于Ryzen 9 3900X，和對照用的紫光P400(群聯PS5016方案)使用相同測試平台。

　　3D TLC閃存沒有阻礙980PRO成為我們測試過的所有SSD中，抗壓能力第二強的産品——僅次于傲騰900P。考慮到傲騰900P是一款使用3D XPoint閃存、略帶屬性的産品，三星980PRO的性價比顯然更高。

　　總結：

　　PCIe 4.0不僅給固态硬盤帶來了廣闊的性能提升空間，也為PC遊戲架構帶來了新的變革機會。微軟提出的DirectStorage技術可以借助PCIe 4.0固态硬盤的超高讀寫帶寬，實現部分類内存應用，在未來的8K材質貼圖時代能夠對遊戲性能産生深遠影響。

　　憑借980PRO的出色發揮，三星重新定義了高性能固态硬盤。Elpis主控從制造工藝、隊列深度支持等方面出發，提升了數據吞吐能力并改善了發熱控制。第六代V-NAND閃存提高堆疊層數的同時進一步降低延遲和功耗，充分展現了三星在全硬件生态系統中的強大實力。

　　PCEVA的評測較其他媒體晚一些，因此有機會用上本月新上市的ZEN3架構銳龍平台，從測試成績來看，三星980PRO在家用領域發揮出了堪稱全能的表現，常規理論讀寫速度以及實用效能創造了多個新紀錄。明年第一季度，英特爾支持PCIe 4.0的桌面平台Rocket Lake也将問世，将為980PRO帶來更為廣闊的應用舞台。