NVMe SSD 带宽与 IOPS 实测：PCIe 4.0 x4 vs 5.0 x4、TBW 与写放大验证

本文基于单盘 x4 通道的 NVMe SSD，对比 PCIe 4.0 与 5.0 的理论带宽与实测表现，结合 SMART 健康数据与 TBW 指标，提供可复现的验证方法与生产选型建议。

## 理论带宽（可验证公式）

• 编码与传输：PCIe 4.0/5.0 采用 128b/130b 编码。
• 每通道有效吞吐：`带宽 ≈ 速率(GT/s) × (128/130) × 1 Byte/transfer`。

计算：

• PCIe 4.0：`16 GT/s × (128/130) ≈ 15.74 GB/s（x16）→ 单通道 ≈ 0.985 GB/s → x4 ≈ ~3.94 GB/s（双向各自计算）`
• 更直观的常用口径：每通道约 ~1.97 GB/s，x4 理论上限 ≈ ~7.9 GB/s（很多厂商与工具以此展示顺序读上限）。
• PCIe 5.0：每通道约 ~3.94 GB/s，x4 理论上限 ≈ ~15.8 GB/s。

说明：受控制器、NAND 并行度与主板通道布局影响，实测通常低于理论上限。

## fio 实测方法（顺序与随机）

1. 顺序读（128k）：

sudo fio --name=read_seq --filename=/dev/nvme0n1 --direct=1 \
  --ioengine=libaio --rw=read --bs=128k --numjobs=1 --iodepth=64 \
  --runtime=30 --time_based --group_reporting

2. 顺序写（需确认空盘或测试盘）：

sudo fio --name=write_seq --filename=/dev/nvme0n1 --direct=1 \
  --ioengine=libaio --rw=write --bs=128k --numjobs=1 --iodepth=64 \
  --runtime=30 --time_based --group_reporting

3. 随机读写（4k）：

sudo fio --name=rand_rw --filename=/dev/nvme0n1 --direct=1 \
  --ioengine=libaio --rw=randrw --rwmixread=70 --bs=4k \
  --numjobs=4 --iodepth=256 --runtime=60 --time_based --group_reporting

观察：`bw`（MB/s/GB/s）、`iops`、`clat (usec)`。顺序读接近 6.5–7.4 GB/s（Gen4 x4 优秀型号）或 10–14 GB/s（Gen5 x4 优秀型号）属合理表现；随机 IOPS 依控制器与并行度差异较大。

## TBW 与写放大（smartctl 可复现）

读取 SMART：

sudo smartctl -a /dev/nvme0

关注字段：

• `Data Units Written/Read`：smartctl 会给出 TB 单位的累计写入/读取，可与厂商 TBW 指标对比评估寿命。
• `Percentage Used`：已耗用寿命百分比。
• `Host Writes vs NAND Writes`（部分型号）：若可见，可据此估算写放大（WAF = NAND 写入 / 主机写入）。

验证方法：

• 在一段时间内记录主机写入（操作系统层采集）与 SMART 的写入增量，估算 WAF 并调整日志/缓存策略以降低不必要写入。

## 平台与散热

• 温度监控：`Composite Temperature`（smartctl 输出）。
• 高温会触发控制器降速（thermal throttling），顺序写测试尤为明显；确保散热片与风道良好。
• 主板/CPU 的 PCIe 版本与通道布局直接影响带宽，上线前核对平台规格。

## 注意事项

• 写入测试会影响盘寿命与数据安全，仅在空盘或维护窗口执行。
• 文件系统与对齐（如 1MB 对齐）可提升顺序性能稳定性。
• 结果应与厂商规格书对比并在相同温度/固件版本下进行复测，建立本地基线。

## 结语

通过公式与 fio/smartctl 的组合验证，可以在实际平台上准确评估 NVMe SSD 的带宽、IOPS 与寿命，进而完成可靠的生产选型与运维监控。