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SATA Express技术前瞻分析

2013-03-12窦乐《微型计算机》2013年2月下

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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.后，也是重要的，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。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，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。