SATA Express技术前瞻分析
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。
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PCI-E/SATA兼容的SATA Express接口是好的选择。
SATA Express，前景可期
目前SATA-IO还在对SATA Express做后的讨论与定案，而其标准的正式发布，估计快也要到2013年中后期了。不过通过对现有资料的分析，我们应该能够看出，SATA Express的大改变就在于实现了从传统SATA环境到PCI-E的转变。而SATA Express想要在后期再做出性能上的调整也非常简单—只需要增加PCI-E的通道数量，就能继续提升带宽，升级也非常方便。
SATA Express的主要意义在于为高速SSD和混合硬盘等存储设备提供更高性能的应用环境，对这部分高速存储设备而言，SATA Express有很大的意义。而SSD在结构上的特殊性也决定了它有着“无限”提升速度的可能性。因此，笔者认为，依托SATA Express，未来的SSD又将会进入一个竞速时期。而这一切，应该在SATA Express正式发布之后就能看到苗头。当然，主板厂商对于SATA Express的支持快慢也是一个决定性因素。如果业界动作快的话，在SSD领域，SATA Express取代SATA 6Gb/s成为主流，完全是可期的事情。
编者注：本文所有引用的资料皆来自SATA-IO的官方网站目前所公布的资料。目前SATA Express尚未正式发布，因此SATA Express的终形态与技术参数或许会与本文有所出入。
