SATA 6Gb-s 接班人 SATA Express 频宽

时间:2020-05-24 作者:

SATA 6Gb/s 接班人 SATA Express 频宽固态硬碟性能不断提升,却无法跳脱一个问题,那就是 SATA 6Gb/s 频宽已经不敷使用。SATA-IO 考量设计难度与成本问题,改採用 PCI-Express 介面为基础,制定出全新 SATA Express 规範。其频宽可达8Gb/s、16Gb/s,预定最快将在今年内正式颁布,将能解决固态硬碟技术发展的燃眉之急。

时间越来越接近 6 月,一年一度的 Computex 国际电脑展也即将到来,可预期今年最受瞩目产品其中之一,是 Intel 下一代处理器暨其平台 Haswell。如同以往,Intel 未来新平台规划蓝图消息,在这时间点前已经陆续外流。Haswell 预定在 2014 年上半年,将会由 Broadwell 取而代之,其中 9 系列晶片组(Z97 、H97、……)支援 SATA Express 这点让格外吸引人注意。

SSD 秒杀 SATA 6Gb/s 频宽

现行 SATA 6Gb/s 介面传输频宽如其名称,由于使用 8b/10b 编码传输,因此传输频宽换算为 600MB/s。SATA 定位和 PATA 相同,都是针对个人用户端设计的低成本介面,真实可用频宽难免受到先天体质限制。SATA-IO 先前曾指出,SATA 3Gb/s(300MB/s)传输速度上限约为 270MB/s,SATA 6Gb/s 则是落在 570MB/s上下,即效能折损接近 10%。

SATA 6Gb/s 自 2009 年下半年起,陆续进入个人电脑平台,对于固态硬碟的普及之路帮助颇深。2010 年 Crucial 率先推出全球首款 SATA 6Gb/s 介面产品 C300,此时还看不出哪儿不对劲,但是相隔数个月之后的 2011 年,新机种传输速度陆续攻破 500MB/s。短短不到 2 年光景,SATA 6Gb/s 就露出频宽不足的迹象,甚至成为固态硬碟效能发展瓶颈。

SATA 6Gb/s 接班人 SATA Express 频宽
▲ 现行 SATA 6Gb/s 介面固态硬碟,能跑进 500 分(MB/s)俱乐部的,都是在压榨传输介面真实可用频宽。

SATA-IO 转向 PCIe 架构

过去这段时间,SATA-IO 与产业界,都在寻求更高速的解决方案,甚至由厂商反向联手推出新规範。像是以 Intel 为首的 NVM Express 与 NGFF,皆採用PCI-Express 介面做为基础,以求突破 SATA 6Gb/s 频宽限制。PCI-Express具有合併通道的配置弹性,以目前普遍使用的 PCI-Express 2.0 为例,合併 2 条即可得到 10GT/s(1GB/s)频宽,较 SATA 6Gb/s 的 600MB/s高出一截。

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▲ NVM Express 主要是针对工作站、伺服器应用环境开发,效能堆砌在价格上。(图例为 PCI-Express 介面固态硬碟)

面对诸多挑战,SATA-IO 着手研拟出 SATA Express 草案规範,同样捨弃传统 SATA 架构转向採用 PCI Express 介面,会这样遽然转变事出必有因。推出 SATA 12Gb/s 固然是个选择,然而在 SAS 12Gb/s 开发经验上可看到,讯号传递控制、控制器设计、线材要求等,複杂性与设计难度只会垫高成本。这有违 SATA 低成本与向下相容性的核心精神,因此必须寻求其他出路,最终落脚越来越举足轻重的 PCI-Express。

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▲ NGFF 相当于 mSATA 的延伸,主要目标市场为笔电,桌机应用倒是其次。

向下相容性策略不改变

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▲ 黄色为 PCIe Device 架构示意方块图,亦为 SATA Express 架构的代表。

SATA Express 基于 PCI-Express 3.0规範设计,核心架构为纯 PCI-Express 讯号传递,没有传统 SATA 的传输层(transport layer)、链结层(link layer)等元素,不会多支香炉多只鬼,造成讯号传递延迟进而影响到速度。SATA-IO 目前拟定传输速度分为2个版本,和通道配置具有连动关係式,8Gb/s(1GB/s)配置 1 条,而16Gb/s(2GB/s)需要动用 2 条通道。

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▲ SATA Express 主控端的连接器示意图,可设计为兼容 SATA 讯号,用来连接 2 个旧规範装置。

相较于竞争方案,SATA Express 最大优势是保留向下相容性,其中关键是连接器的型式与脚位定义。如同 USB 3.0,SATA-IO 也是在既有 SATA 连接器上,另外加入 PCI-Express 脚位来达成一定互换相容性。以其规範来说,装置端连接起可支援 2 个 PCI-Express 通道配置设计,至于主控端相仿,而且另外可支援 2 个传统 SATA 装置。此外,SATA Express 和 SF-8639 多功能连接器相容,得以延伸触角进企业储存应用市场。

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▲ 包含线材的 SATA Express 硬体示意图。

如同 Intel 主导的方案,SATA-IO 也是和 PCI-SIG 互动合作,整个方案正在加紧研拟当中,预定今年内会发布 SATA 3.2 版本正式规範。现在Intel 率先透露将纳入 Broadwell 平台内,接下来最为需要的,是 Marvell、LSI 等固态硬碟控制器加入行动。有这些厂商勇于接受採用,才有加快普及的可能性,因此 SATA Express 未来发展值得拭目以待。

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▲ SATA Express 哥们 SFF-8639,企业应用介面可配置 4 条 PCI-Express 通道,提供更高传输频宽。

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