SATAExpress技术前瞻分析.doc

SATA Express技术前瞻分析2013-03-12窦乐微型计算机2013年2月下随着SSD制程技术逐渐趋于成熟，以及闪存颗粒与主控芯片的不断改进与革新，大多数SSD已经逐渐迈向了SATA6Gb/s接口的600MB/s极限速度。现有的SATA接口面对SSD已经显露出了疲态，一场针对SATA接口的革新势在必行。这次，谁将最有可能取代SATA 6Gb/s的地位？答案是SATA Express！图1：SATA从诞生之日起，就为PC的存储系统做出了不可磨灭的贡献脱胎于PATA的Serial ATA(SATA)接口到如今已经成为了使用得最广泛的PC存储设备外部接口。对于HDD来说，SATA为HDD的性能发挥提供了完美的支持。相比PATA的I DE接口，SATA接口以高速、高效的优势，将H DD的性能充分发挥了出来。不过，自从2010年以来，SSD在PC领域逐渐崭露头角，在2012年更是借着制程技术的进步带来的成本降低以及HDD机械硬盘涨价风波的契机，逐渐显示出普及之势。而随着SSD性能指标的不断更新和层出不穷的高速新品，玩家们忽然发现，即使最新的SATA 6Gb/s接口所提供的带宽也已经有些捉襟见肘了S ATA此时反而成了磁盘性能提升的瓶颈所在。有鉴于此，SATA-IO这个制定维护SATA行业标准的巨头从2011年开始，就开始构建SATA 3.0(6Gb/s)之后的SATA规范，作为SATA 6Gb/s的后继者，其被命名为SATA Express。图2：SATA Express主要是应提速的需求而诞生，从图中可以清晰地看到从SATA 6Gb/s到SATA Express，性能有了飞跃般的提高，而能耗仅增加了4%。非SATA 4.0，Why SATA Express？在SATA 6Gb/s之后，SATA-IO为何“急着”着制定新的SATA规范？为何下一代的标准叫做SATA Express？按照SATA-IO组织官方给出的资料，主要是有以下几个原因：1.出于常规性更新换代升级所需，SATA的换代提速势在必行。2.部分个人用户端(尤其是PC端)的SSD从2012年以来逐渐显露出对6Gb/s以上速度的需求。3.但是，个人用户端的SSD需要6Gb/s以上带宽的数量并不多。4.在可预见的未来，6Gb/s的带宽将完全能满足HDD机械硬盘磁盘系统的需求。5.最后，也是最重要的，SATA-IO想要将这一次SATA提速所带来的成本上升控制在最小的范围内。事实上，如果按照SATA-IO组织一贯的更新换代思路，作为SATA 6Gb/s最理所当然的替代者应该是SATA 4.0(划中的12Gb/s带宽)。而T10(SAS)组委会也已经在过去的几年中为12Gb/s带宽做了足够多的工作。但是在参考了设计SAS 12Gb/s规范的困难过程后，SATA-IO意识到要将SAS存储总线带宽从6Gb/s提升到12Gb/s却一点也不容易。计划中的SAS 3.0(12G b/s)需要在传输端做到非常精准的平衡均等化，这就在无形之中极大地增加了PHY物理层和接口控制器的复杂性。直接反应到芯片层面的话，这种做法就是大量增加芯片的面积直接增加了成本。同时，为了支持新的传输规范，当前所用的磁盘数据传输协议也必然会进行重新制作，工作量巨大，而且要协调不同厂商对此进行同步并统一标准也是非常困难。最后一点，现有针对6Gb/s SATA规范所设计的PCB与线缆在12 Gb/s规范下将不具备足够的可靠性来承载大流量的数据。退一步说，即使SAS 3.0的12Gb/s带宽规范研发一切顺利，但是要将其转化到SATA规范上来，也并非易事。至少在2013年以及未来的几年时间内，SATA 12Gb/s还达不到普及和实用的程度。而通过SATA-IO所给出的5点理由中的3和4也可以看出，更高速度的SATA规范在未来几年内的应用范围还较为有限。而SATA 6Gb/s将继续在主流储存市场上呼风唤雨。因此，笔者认为，就可见的未来来说，SATA 12Gb/s将没有任何经济价值和市场竞争力，毕竟它所涉及到的成本还是有些太高了。因此，不难看出，此时S ATA-IO急需一个折中的方案既能将SATA的速度按照Roadmap的规划往上提升一截，又不至于带来大量的成本增加和设计上的复杂性，最好还能有优秀的兼容性，以便顺利实现SATA 6Gb/s的升级。在经过仔细的分析与研究之后，SATA-IO找到了下一代SATA规范的最佳发力点在PCI-Express总线上做文章！而新的SATA规范也因此被命名为SATA Express。PCI-Express(后文简称PCI-E)作为使用了多年的成熟技术，它能提供给设备相当不错的带宽，而最新的PCI-E3.0(8Gb/s，x1)即使在单通道的状态下也能够提供比SATA6Gb/s更高的带宽。而且在SATA Express之前，PCI-E被用作磁盘传输通道的范例也并不少见，尤其是在CES 2013展会上，大量的PCI-E SSD亮相又掀起了新一波的SSD竞速大赛。而且对于PCI-E来说，要提升SSD的性能其实也很简单，只要为S SD分配两个PCI-E 3.0通道，那么SSD的理论最大传输带宽就能迅速攀升至16Gb/s，这样就给了用户端的SSD以巨大的空间去提升性能。而在未来，预计将在3到4年内出现的PCI-E4.0的带宽更是在3.0的基础上翻倍，达到了每个通道16Gb/s带宽的恐怖数据，因此SATA Express未来还大有可为。图3：与传统SATA相比，SATA Express完全是基于PCI-E方式。图4：SATA Express设备的物理架构也相对较为简单，注意控制器是集成在设备端，分为AHCI和NVMe两种方式。架构解析What is SATA Express首先要说明的是，SATA Express是纯粹基于PCI-E总线的，在其中并没有任何的SATA链路层和传输层，因此在其中不存在任何的传输转接损耗这就意味着用户可以完整地享受到PCI-E总线的全部性能。大家可以这样理解，有了SATA Express，现在的HDD或SSD就可以像显卡一样直接插在PCI-E插槽上使用。SATA Express将直接使用PCI-E带宽而舍弃现有的SATA总线架构与物理层设计。那么，相对于SATA 6Gb/s，SATAExpress到底做了那些技术与设计上的改变呢？让我们一起来看看。图4中所示为SATA Express的物理层结构图。从硬件模型图上，我们可以较清楚地看出，所谓的SATA Express，其核心技术就是在主控端通过PCI-E总线，借助特殊的接口设计实现对SATA和PCI-E设备的完全兼容。而要让SATA和PCI-E存储设备能在同一电气环境的平台下完全兼容，在物理层接口的设计选择上就有讲究了。从已有的技术来看，有两种标准可以作为SATA Express设备的的物理层设计规范，其一是AHCI，另外一个则是近来在PCI-ESSD上风风火火的NVM Express(NVMe)。从图5的路径1中可以看到，对于传统的SATA设备来说，AHCI就好比一个总线适配器(Hosts Bus Adapter，HBA)，而且大多数情况下A HCI控制器内建在主机的芯片中。在这种工作模式下，应用程序首先经由PCI-E或其它系统总线与AHCI HBA会话，再经由SATA链路层与PH Y物理层通道与SATA设备通信。而对于SATA Express设备来说，其工作模式目前有两种选择，其一是SATA Express/AHCI，另一种则是SATA Express/NVMe。其实这两种工作模式下的设备，你都可以将其视为一个基于PCI-E的插卡式设备。所不同的是，在设备端，其中之一集成的是A HCI控制器，而另一个则集成的是NVMe控制器。首先来看SATA Express/AHCI模式(图5 路径2)。在这种工作模式下，应用程序首先在主控端通过AHCI驱动与PCI-E总线接口通信，然后经由SATA Express接口以及基于AHCI的物理层(设备端)与SSD等设备进行互动。相比之下，数据在系统主控端依赖的是PCI-E总线，而AHCI控制器则被集成在了终端设备上，此时的终端可被视为一个AHCI设备。显然，这种模式的最大好处就在于它在本质上仍是基于AHCI物理堆栈架构的通信方式，因此在驱动上可以和现有的SATA/AHCI设备相关驱动保持完全一致，可以实现对旧设备的完全兼容，大大降低厂商在产品设计研发上的难度。不过这样做的缺陷也同样明显，那就是由于AHCI的物理架构已经比较陈旧，而且AHCI开发之初是为了提升HDD的潜能，并未专为SSD这种高速存储而优化设计，因而尽管有高速PCI-E总线的辅助，它仍然可能无法达到最佳的传输性能，在对PCI-E带宽的利用率上也应该无法达到极致。再来看SATA Express/NVMe模式(图5路径3)。在这种模式下，终端设备中必须集成NVMe控制器，并需要在主控端安装NVMe驱动以顺利实现设备与系统的正常通信工作。在具体的工作方式上，SATA Express/NVMe与SATA Express/A HCI基本类似，唯一的差别在于驱动不同。在主控端的系统中，应用程序是通过专用的NVMe驱动与设备进行通信。由于是全新的架构，N VMe无需像SATA Express/AHCI一样需要考虑与之前的设备之间的兼容性问题，而将精力都放在了如何提升SSD的性能上。因此，SATA Express/NVMe凭借更先进的指令执行效率和专为PCI-E而优化的设计，在性能上要胜过SATA Express/AHCI一筹，可以实现对PCI-E带宽的极限利用，而且用于SSD等存储设备还有更高效的指令执行效率。不过相对来说，它的兼容性就非常差，几乎都需要全新的设计，对于传统SATA设备不可能实现兼容，在驱动方面也需要重新安装，而不能像SATA Express/AHCI设备一样在系统集成驱动支持下即可顺利工作。目前SATA-IO为SATA Express规划了这两种工作模式，但到底最后哪一种会胜出，或者说二者将会在很长一段时间内并存，这恐怕还得取决于SATA-IO最终的决定，以及各大厂商的产品设计推广需求了。不过就笔者的观点而言，SATA Express/AHCI模式的优点更胜一筹，关键是对现有SATA设备的兼容性更是其中最大的亮点，恐怕在SATA Express的初期乃至中期的话，它应该会占有主导地位。图5 ：SATA Express硬/软架构及协同工作原理图图6：借由SATA Express接口，各种形态的设备将被有机整合在一起。图8：不同颜色的两种SATA Express接口兼容性是不一样图9：SATA Express的PCI-E数据线都快有IDE数据线的大小了图7：AHCI与NVMe性能指标对比列表SATA Express来了，SATA为何还会长期存在？图10：正是因为SATA Express具有兼容并包的特色，无论是SATA设备还是PCI-E设备，都能在SATA Express上顺利使用。图11：预计将在2013年中后期发布SATA 3.2标准，其中就有SATA Express。接口详解兼容与高速并存在着手开发SATA Express规范的同时，SATA-IO也同时成立了SATA Express的数据线与插槽设计工作小组。从目前SATA-IO发布的资料来看，在SATA Express上，将可能存在两种规范的接口(图8、图9)。SATA-IO为SATA Express规划的第一种是基于蓝色调的全兼容接口。这种接口将可以实现对现有SATA设备的完全兼容使用，同时它也可以接纳全新设计的SATA Express PCI-E数据线。该接口在每个端口的电路设计上多出了一个针脚，这是专门用于检测端口插入的是传统SATA数据线，还是全新的SATA Express PCI-E数据线。检测结果将被反馈到系统中，系统再根据检测结果对插入的设备进行定性分析，并调整相应的工作模式。另一种使用黄色调的SATA Express接口则在蓝色兼容接口的基础上增加了防呆凸点设计，由于这个凸点的存在，因此现有S ATA数据线将无法插入这种类型的SATA Express接口。很明显，SATAIO提出这种设计就是专为SATA Express/NVMe而准备，专门针对追求极速的SSD等设备而作，不考虑兼容性问题。在接口的类型上，初期的SATA Express将会存在两种规格，分别是SATA Express PCI-Ex1和PCI-Ex2，带宽分别为8Gb/s和16Gb/s。相信大家看到这里就应该能够明白，这是根据接口使用的PCI-E 3.0通道数的不同而做出的区别。而在数据线端，SATA Express也将根据速度的不同而区分为PCI-Ex1数据线和PCI-Ex2数据线。可以预见的是，对于现在的存储市场而言，占据绝大部分市场份额的仍是H DD机械硬盘，而机械硬盘固有的性能瓶颈也决定了SATA Express接口在其上还暂时无用武之地，SATA 6Gb/s仍将是主旋律。目前来看，要将HDD机械硬盘从SATA 6Gb/s直接更新到SATA Express是不现实的，所以厂商们必须要保证对SATA 6Gb/s接口的HDD兼容的话，在主板上使用