AI PC存储：多通道支持PCIe 5.0，PCIe 5.0 SSD越来越能打

电子发烧友网报道（文/黄晶晶）调研机构Canalys数据显示，2024年全球AI PC出货量将达到 4800万台，占个人电脑（PC）总出货量的18%。预计到2025年，AI PC出货量将超过1亿台，占PC总出货量的40%。到2028年，AI PC出货量将达到2.05亿台，2024年至2028年期间的复合年增长率（CAGR）将达到44%。
 
存储是AI相当重要的组成，AI训练带旺了HBM，AI PC又将如何定义SSD呢。AI应用需要大量的数据，并且AI训练和推理过程对数据存储的读写性能要求更高。目前，PC处理器、闪存芯片、主控芯片、模组、终端等厂商都在推动PCIe 5.0 SSD的普及，并不断提升它的性能以适应AI PC端侧AI的应用。
 
一些面向PC的PCIe 5.0 SSD
 
消费级市场已经有不少厂商推出PCIe 5.0 SSD产品。包括Crucial英睿达T700/T705、海盗船MP700/MP700 PR、Lexar雷克沙PCIe 5.0 NM1090 SSD等等。
 
Crucial 英睿达T700是一款旗舰型的PCIe5.0 SSD，容量现有版本为1TB、2TB、4TB，采用美光232层TLC NAND闪存颗粒，搭配独立缓存DRAM，配置群联PS5026-E26主控，顺序读取速度高达12400MB/s，顺序写入速度高达11800MB/s，随机读取4KiB速度高达1500K IOPS，随机写入4KiB速度同样高达1500K IOPS。
 
而Crucial 英睿达 T705 PCIe 5.0 NVMe SSD采用升级版群联PS5026-E26-52主控芯片，顺序读取速度达14500MB/s，顺序写入速度达12700MB/s，提供1TB、2TB、4TB容量版本。
 
Lexar雷克沙PCIe 5.0 NM1090 SSD，搭载群联E26主控，美光闪存颗粒，采用PCIe 5.0x4通道规格与NVMe 2.0技术标准，1TB版本标称顺序读写达11500MB/s与9000MB/s，2TB以上顺序读写达12000MB/s与11000MB/s。提供1TB、2TB与4TB的可选容量版本。
 
去年，海盗船开售首款PCIe 5.0 SSD MP700，顺序读取写入均可达10000MB/s，随后发布新款MP700 PRO PCIe 5.0 SSD，顺序读取速度可达12400MB/s，顺序写入速度达11800MB/s。
 
近日，SK 海力士宣布公司开发出用于端侧AI PC的“业界最高性能”固态硬盘SSD产品PCB01。SK 海力士表示公司业界率先将PCB01适用了‘PCIe 5.0 x 8 接口’技术，以显著提升数据处理速度等性能。在面向 PC 的固态硬盘产品中，SK海力士的PCB01 顺序读写速度分别达 14GB/s和 12GB/s。与上一代产品相比，PCB01 的能效提升了30% 以上，可提升大规模 AI 计算的稳定性。
 
同时，SK 海力士在该产品上应用了 SLC 缓存（SLC Caching）技术。该技术使部分 NAND 闪存存储单元能够以高速的 SLC 模式运行。SK 海力士 PCB01 将提供 512GB、1TB、2TB 三种容量。SK海力士正在与全球 PC 客户进行对新产品的验证，计划验证完成后今年内开始量产，并同时推出面向大型客户和普通消费者的产品。
 
纵观市面上消费级PCIe 5.0 SSD，主要是PCIe 5.0 x 4接口、NVMe 2.0技术标准，一些PCIe 5.0 SSD的读取速度在12GB/s，而英睿达 T705、SK海力士PCB01 SSD读取速度达14GB/s，充分发挥性能，此外PCB01 SSD支持PCIe 5.0 x 8接口，根据SK海力士的说法这x8接口产品专注于高性能PC市场。若以PCIe 5.0 x 8理论数据来看，吞吐量可达31.5GB/s，为了适用于AI PC的端侧智能，PCIe 5.0 SSD将持续升级性能。
 
主控芯片制造工艺与性能提升
 
目前市面上消费级PCIe 5.0 SSD大多选用了群联电子推出的PS5026-E26主控，除了这款主控外，群联电子又推出两款PCIe 5.0主控，包括E26 Max14um以及E31T。
 
PCIe 5.0 SSD PS5026-E26 Max14um，极速可达到稳定14.7GB/s读取效能 (Sequential Read Performance) 且为全球首款在PCMark 10及3DMark Storage Tests达到1000MB/s跑分的旗舰控制芯片。
 
群联推出高效能DRAM-Less E31T SSD储存方案，延续旗舰PCIe 5.0 E26技术，将是全球首款速度达到10GB/s的主流SSD (Mainstream SSD)，为储存市场以及PC OEM带来革命性变革。
 
E31T采用台积电的7nm制程技术制造，专为PCle5x4接口而设计，使固态硬盘具有最大的频宽和连结效率。在目前3600MT/s的NAND世代下，E31T SSD效能可达到10.8GB/s，最高容量将达到8TB；而未来等待4800MT/s的新世代NAND发布后，E31T SSD的极速更将提升至14GB/s，推升PCIe 5.0 DRAM-Less SSD效能至全新的境界。
 
慧荣科技SM2508 PCIe 5.0主控采用TSMC 6nm EUV制程，支持的闪存颗粒通道速度可达3600MT/s，顺序读写速度均可达14GB/s，随机读写可达2.5M IOPS和2.4M IOPS。
 
英韧科技发布消费级PCIe 5.0主控方案YRS820，基于RISC-V（开源指令架构），支持4通道PCIe 5.0标准的接口，配备了8个NAND闪存通道，支持NVMe 2.0协议，接口传输率达2667MT/s，可搭配3D TLC/QLC NAND闪存，最高支持8TB容量。其提供了14GB/s的顺序读取速度，以及12GB/s的顺序写入速度，随机读取和随机写入分别达到了2000K IOPs和1500K IOPs。YRS820主要面向包含AI PC在内的高端消费级市场。
 
可以看到，存储主控芯片厂商对于PCIe 5.0主控的研发迭代，将一扫前期SSD的顺序读取速度不到14GB/s的窘境，未来PCIe 5.0 SSD顺序读取速度都将提升至14GB/s。并且先进制程工艺的采用也能够降低功耗，给PCIe 5.0 SSD带来更好的使用体验。
 
PC处理器对PCIe 5.0的通道支持更多
 
PCIe 5.0的应用离不开主流CPU厂商的支持，英特尔12代酷睿处理器、AMD Ryzen 7000系列处理器开始，提供16条PCIe 5.0通道，进行CPU与PCIe 5.0设备的直连。例如，英特尔12代酷睿CPU PCIe通道总数为20条，提供PCIe 5.0 x 16通道用于直连独立显卡，以及PCIe 4.0 x4通道用于M.2固态硬盘。
 
又例如，AMD X670E提供高达24个PCIe 5.0通道，以及高达44个PCIe总通道，新主板X870 X870E，会支持更多的PCIe 5.0通道。最近有消息，英特尔Arrow Lake-S在新一代平台共有32条PCIe通道，其中20条PCIe 5.0通道和12条PCIe 4.0通道，包括16条PCIe 5.0通道用于连接独立显卡、4条PCIe 5.0通道用于连接M.2 SSD、另外还有4条PCIe 4.0通道也用于连接M.2 SSD、剩下8条DMI 4.0的通道连接PCH。
 
可以说，在处理器提供的PCIe通道数方面，虽然目前英伟达、AMD显卡还不支持PCIe 5.0，即便英伟达RTX4090显卡也不支持PCIe 5.0。但考虑到未来PCIe 5.0的应用越来越普及，处理器厂商也会提供更充足的PCIe通道。

小结：
 
生成式AI不仅带动了AI训练的热潮，更重要是在边缘侧AI推理应用的真正落地。AI对于存储设备有着高带宽高性能的需求，这将加速PCIe标准的演进与普及。PCIe的标准从4.0演进到5.0甚至6.0，技术标准先行，随后导入应用。当前正是PCIe4.0向PCIe5.0导入的关键时期。从最开始的AI服务器，拓展到包括AI PC在内的越来越多的终端设备。预计随着传统PC向AI PC升级换代，PCIe5.0在2024年加速，2025年上量，渗透率持续提升。