SSD 不卡彈,新介面 SATA Express 解開速度限制, 1GB/s 起跳兼容老 SATA

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章節目錄:

第一章:SATA反成為SSD阻礙,頻寬瓶頸引發新革命

第二章:SATA Express身兼重任,向夥伴SAS借鏡學習

第三章:PCI-E提升時脈同樣卡彈,PCI-E與SATA完全分離

第四章:偽SATA Express速度嘗鮮體驗,規範影響在於軟體層

PCI-E提升時脈同樣卡彈

PCI-E匯流排介面是由PCI-SIG組織引導制定,於2002年頒布PCI-E 1.0規範,當前普遍採用規格為2.0與3.0版本,分別應用在主機板南橋(或Intel PCH)、北橋(目前大多整合在處理器內)。其特性是具備通道配置彈性,得以將數條合併成大頻寬介面,供應給不同類型硬體設備使用。

SATA Express基本採用規格是PCI-E 2.0,其工作時脈高達5GHz,單條通道即具有4Gbps資料傳輸速率。至於未來的PCI-E 3.0,雖然具有PCI-E 2.0規範的2倍頻寬,時脈卻非整整2倍。因為PCI-SIG同樣面臨時脈提升的難度,若要倍增設計複雜度與成本將是一大考驗,故選擇更改資料傳輸編碼架構來克服。

過去規範皆採用8b/10b編碼架構,其中20%用來傳遞必要的校驗碼,實際可用來傳遞資料的頻寬折損率偏高。以此為基準來換算PCI-E 3.0理論頻寬會是800MB/s,只比PCI-E 2.0高出60%,無法順利提升2倍。PCI-SIG因而改採用效率更高的128b/130b方案,每130bit編碼資料中校驗碼只占2bit,讓傳輸頻寬得以倍增到1GB/s。

規格提升跟著PCI-SIG走

SATA-IO依據PCI-E通套配置彈性,當前開出2種組合規格,個人電腦端以2條通道為主,至少可提供1GB/s頻寬。另外亦可彈性配置4條通道,此時頻寬將提升至2GB/s,規劃是給予商業環境應用為主。相較於SATA 6Gb/s只有600MB,SATA Express至少帶來1.68倍頻寬,足以讓一般固態硬碟全力揮灑性能。

導入PCI-E這成熟架構,除了解決頻寬燃眉之急,也一併處理掉未來改朝換代的煩惱。目前PCI-E 4.0規範已經在研議中,單條通道、單向傳輸頻寬,將從PCI-E 3.0的1GB/s倍增到2GB/s。這表示SATA-IO只要跟在PCI-SIG後頭走,日後改版將能減少研發工程成本與耗時,讓新規範可以快速頒布並投入市場。

PCI-E與SATA完全分離

改投陣營說來容易,但免不了存在一些過渡時期問題,特別是在想保留向下相容性的前提下。首先是SATA Express血統究竟為何?SATA-IO指出,SATA Express純粹是建構在PCI-E上,並未混合既有SATA各層級架構,自有一套完整且獨立的運作機制。相對意思是,不會多個香爐多隻鬼,導致傳輸效能折損。

首先來看裝置端(也就是如固態硬碟),架構中包含實體層、連結層、訊號傳輸層,以及裝置控制單元等元素。參考配圖可發現,其中的裝置控制單元,目前規劃出AHCI與NVMe這2種類型。作用和既有SATA裝置控制單元並無不同,只是將個人使用者較少接觸到的NVMe納入其中,屬於PCI-E化必然的趨勢。

這也意味著,LSI、Marvell等SATA介面固態硬碟控制器廠商,其實都已經具有PCIE產品開發經驗,要投入SATA Express是不難。他們可以依產品定位之類考量,自行選擇要相容於AHCI或NVMe控制方式,電路實做只有些微架構差異而已,具有縮短推出各規格控制器產品時程的效用。

SSD 不卡彈,新介面 SATA Express 解開速度限制, 1GB/s 起跳兼容老 SATA

在裝置控制器端,SATA Express與SATA平行共存,各具有完整獨立的層級,SATA Express並未混雜部分SATA層級,以避免埋下導致效能折損的變數。

沿用AHCI驅動程式介面

而磁碟控制器主控端,則是猶如樂高積木疊疊樂,在現行SATA AHCI HBA(Host Bus Adapte)控制器基礎之中,加入PCI-E Root Port、PCI-E通道暨SATA連接埠配置控制單元。PCI-E Root Port是用來連接PCI-E控制器的關卡,配置控制單元除了決定PCI-E通道數量,亦負責SATA連接埠開關工作。

從磁碟控制器到系統軟體層端,必要元素為驅動程式中介,這邊姑且拋開控制層面因素不談。其影響是使用者體驗,藉由統一標準爭取作業系統原生內建,就能免去為儲存裝置安裝專屬驅動程式的必要。SATA-IO在這部分具有相當影響力,成為其他組織開創新傳輸介面,仍然會找上門合作的關鍵。

SATA Express裝置和SATA一樣以AHCI為基礎,亦即兩者軟體層是無縫相容,包含Windows等許多作業系統都原生內建支援,SATA-IO以立即可用來形容之。獨立自主的NVMe雖然較早頒布規範,直到Windows 8.1起才獲得支援(StorNVMe.sys),而且相關功能還在不斷開發加入中,其餘相容平台還有如Linux。

主控與裝置端連接器有別

最後該談談的是SATA Express連接器,這可分為主控制器與裝置端2個部分,其設計難處是在主控制器端,除了必須滿足PCIE訊號腳位數量要求,同時肩負向下相容SATA裝置的使命。面對這2個互斥,卻又不得不如此的設計難題,導致SATA Express主控制器端,和裝置端的連接器形式大相逕庭。

在主控制器端,SATA-IO做法是由2個標準SATA連接埠,搭配1組全新設計專屬連接器。這模式看來有些怪異,因為現實是連接SATA Express裝置時,得動用前述所有連接器/埠。這不僅讓所有連接器(母座,Host Plug)變成連體嬰,SATA的電路設計也改成兼容PCI-E訊號設計,用以傳遞主要訊號。

逐一拆分來看,SATA插槽形式和尺寸並未更動,仍然是7個訊號腳位。除了相容SATA裝置,也負責傳遞1條PCI-E通道訊號,故需要配置2個連接埠,才能應付規範中基本的2條PCI-E通道配置數量要求。至於新設計的連接器有4支訊號腳位,只負責傳遞PCI-E時脈同步等控制訊號,這樣主控器端才知道是連接何種類型裝置。

電源仍取自電源供應器

至於儲存裝置端,若非SATA即是SATA Express,設計複雜相對降低許多。它和現行現行SATA相同,只有單一訊號連接器(Device Plug),來自主控制器端的3條訊號線,被妥善分配到各定義腳位上。前述看似怪異的線材,等實體產品上市後大家未必會再看到,製造商大可加上塑膠管保護,也順便美化其外觀。

有些人還想到,PCI-E介面理論供電量超過固態硬碟需求,是否意味SATA Express裝置是否無須另外接電呢?答案並非如此,規範中仍然具備獨立電源連接器,其形式和當前SATA規格相仿,並且同為16支腳位。這表示它無法經由晶片組直接供應電源,但是由於連接器相容於當前的電源供應器,無需更換或搭配轉接線材使用。

SSD 不卡彈,新介面 SATA Express 解開速度限制, 1GB/s 起跳兼容老 SATA

SATA Epxress連接器由上而下,主控制器端礙於連接器得相容SATA,自成一格看似有些奇特。下方3個則為裝置端與其線材部分,可看出原本3個訊號來源已經合併成單1連接器,一旁則是相容於SATA的電源連接器。

SSD 不卡彈,新介面 SATA Express 解開速度限制, 1GB/s 起跳兼容老 SATA

實際和SATA比一比,SATA Express在主控端得占用3個連接器,也許PATA線材惡夢不會重現,但組裝電腦時可能會造成些許阻礙,這將考驗主機板廠商配置巧思。

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游仁村
1.  游仁村 (發表於 2014年3月12日 16:20)
第四章的這段 [以下數據最為有趣的地方,是M6e採用原生PCI-E控制器,最高存取速度不超過6700MB/s左右]

6700MB ??是不是多按了一個0 ??或是少了標點符號?

KoGaSenRx
3.  KoGaSenRx (發表於 2014年3月12日 19:49)
大概會高階板子會出現L型插槽,

省著這些SATA Express 去跟高階長顯卡勾勾纏..

不過L型插槽遇到不夠寬的機殼又很插裝╯-__-)╯ ╩╩
bisheng
4.  bisheng (發表於 2014年3月12日 22:19)
※ 引述《KoGaSenRx》的留言:

等著看主機板廠商會想出什麼因應之道 <( ̄︶ ̄)>

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