69eeb2c47626a3d26da8273c5032ee5d 固態硬碟性能不斷提升,卻無法跳脫一個問題,那就是 SATA 6Gb/s 頻寬已經不敷使用。SATA-IO 考量設計難度與成本問題,改採用 PCI-Express 介面為基礎,制定出全新 SATA Express 規範。其頻寬可達8Gb/s、16Gb/s,預定最快將在今年內正式頒布,將能解決固態硬碟技術發展的燃眉之急。

時間越來越接近 6 月,一年一度的 Computex 國際電腦展也即將到來,可預期今年最受矚目產品其中之一,是 Intel 下一代處理器暨其平台 Haswell。如同以往,Intel 未來新平台規劃藍圖消息,在這時間點前已經陸續外流。Haswell 預定在 2014 年上半年,將會由 Broadwell 取而代之,其中 9 系列晶片組(Z97 、H97、……)支援 SATA Express 這點讓格外吸引人注意。

SSD 秒殺 SATA 6Gb/s 頻寬

現行 SATA 6Gb/s 介面傳輸頻寬如其名稱,由於使用 8b/10b 編碼傳輸,因此傳輸頻寬換算為 600MB/s。SATA 定位和 PATA 相同,都是針對個人用戶端設計的低成本介面,真實可用頻寬難免受到先天體質限制。SATA-IO 先前曾指出,SATA 3Gb/s(300MB/s)傳輸速度上限約為 270MB/s,SATA 6Gb/s 則是落在 570MB/s上下,即效能折損接近 10%。

SATA 6Gb/s 自 2009 年下半年起,陸續進入個人電腦平台,對於固態硬碟的普及之路幫助頗深。2010 年 Crucial 率先推出全球首款 SATA 6Gb/s 介面產品 C300,此時還看不出哪兒不對勁,但是相隔數個月之後的 2011 年,新機種傳輸速度陸續攻破 500MB/s。短短不到 2 年光景,SATA 6Gb/s 就露出頻寬不足的跡象,甚至成為固態硬碟效能發展瓶頸。


▲ 現行 SATA 6Gb/s 介面固態硬碟,能跑進 500 分(MB/s)俱樂部的,都是在壓榨傳輸介面真實可用頻寬。

SATA-IO 轉向 PCIe 架構

過去這段時間,SATA-IO 與產業界,都在尋求更高速的解決方案,甚至由廠商反向聯手推出新規範。像是以 Intel 為首的 NVM Express 與 NGFF,皆採用PCI-Express 介面做為基礎,以求突破 SATA 6Gb/s 頻寬限制。PCI-Express具有合併通道的配置彈性,以目前普遍使用的 PCI-Express 2.0 為例,合併 2 條即可得到 10GT/s(1GB/s)頻寬,較 SATA 6Gb/s 的 600MB/s高出一截。


▲ NVM Express 主要是針對工作站、伺服器應用環境開發,效能堆砌在價格上。(圖例為 PCI-Express 介面固態硬碟)

面對諸多挑戰,SATA-IO 著手研擬出 SATA Express 草案規範,同樣捨棄傳統 SATA 架構轉向採用 PCI Express 介面,會這樣遽然轉變事出必有因。推出 SATA 12Gb/s 固然是個選擇,然而在 SAS 12Gb/s 開發經驗上可看到,訊號傳遞控制、控制器設計、線材要求等,複雜性與設計難度只會墊高成本。這有違 SATA 低成本與向下相容性的核心精神,因此必須尋求其他出路,最終落腳越來越舉足輕重的 PCI-Express。


▲ NGFF 相當於 mSATA 的延伸,主要目標市場為筆電,桌機應用倒是其次。

向下相容性策略不改變


▲ 黃色為 PCIe Device 架構示意方塊圖,亦為 SATA Express 架構的代表。

SATA Express 基於 PCI-Express 3.0規範設計,核心架構為純 PCI-Express 訊號傳遞,沒有傳統 SATA 的傳輸層(transport layer)、鏈結層(link layer)等元素,不會多支香爐多隻鬼,造成訊號傳遞延遲進而影響到速度。SATA-IO 目前擬定傳輸速度分為2個版本,和通道配置具有連動關係式,8Gb/s(1GB/s)配置 1 條,而16Gb/s(2GB/s)需要動用 2 條通道。


▲ SATA Express 主控端的連接器示意圖,可設計為兼容 SATA 訊號,用來連接 2 個舊規範裝置。

相較於競爭方案,SATA Express 最大優勢是保留向下相容性,其中關鍵是連接器的型式與腳位定義。如同 USB 3.0,SATA-IO 也是在既有 SATA 連接器上,另外加入 PCI-Express 腳位來達成一定互換相容性。以其規範來說,裝置端連接起可支援 2 個 PCI-Express 通道配置設計,至於主控端相仿,而且另外可支援 2 個傳統 SATA 裝置。此外,SATA Express 和 SF-8639 多功能連接器相容,得以延伸觸角進企業儲存應用市場。


▲ 包含線材的 SATA Express 硬體示意圖。

如同 Intel 主導的方案,SATA-IO 也是和 PCI-SIG 互動合作,整個方案正在加緊研擬當中,預定今年內會發布 SATA 3.2 版本正式規範。現在Intel 率先透露將納入 Broadwell 平台內,接下來最為需要的,是 Marvell、LSI 等固態硬碟控制器加入行動。有這些廠商勇於接受採用,才有加快普及的可能性,因此 SATA Express 未來發展值得拭目以待。


▲ SATA Express 哥們 SFF-8639,企業應用介面可配置 4 條 PCI-Express 通道,提供更高傳輸頻寬。

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