SATA Express - SATA Express

SATA Express

Revize 3.2 specifikace Serial ATA standardizuje SATA Express
Rok vytvořen	2013
Rychlost	Až 16  Gbit/s
Styl	Seriál
Rozhraní za provozu	Ano
webová stránka	www .sata-io .org

SATA Express ( / s eɪ t ə / ) (zkratka z SATA Express a někdy neoficiálně zkrácen k SATAe ) je počítač sběrnice rozhraní , které podporuje oba SATA (SATA) a PCI Express (PCIe) zařízení pro ukládání dat, nejprve standardizována v Specifikace SATA 3.2 . Konektor SATA Express použitý na straně hostitele je zpětně kompatibilní se standardním datovým konektorem SATA a zároveň poskytuje dva pruhy PCI Express jako čisté připojení PCI Express k úložnému zařízení.

Místo toho, aby pokračovat obvyklým přístupem SATA ze zdvojnásobení jeho nativní rychlost, s každou hlavní verzi, SATA 3.2 specifikace zahrnuty PCI Express sběrnice pro dosažení přenosu dat rychlostí větší, než je SATA 3,0 omezení rychlosti 6  Gb / s . Designéři rozhraní SATA dospěli k závěru, že zdvojnásobení nativní rychlosti SATA by trvalo příliš dlouho, než by dohnalo pokroky v technologii SSD ( Solid-State Drive ), vyžadovalo by příliš mnoho změn standardu SATA a mělo by za následek mnohem větší spotřeba energie ve srovnání se stávající sběrnicí PCI Express. Jako široce přijímaná počítačová sběrnice poskytuje PCI Express dostatečnou šířku pásma a zároveň umožňuje snadné zvětšení pomocí rychlejších nebo přídavných pruhů .

Kromě podpory AHCI ( Advanced Host Controller Interface ) na úrovni logického rozhraní podporuje SATA Express také NVM Express (NVMe) jako rozhraní logického zařízení pro připojená paměťová zařízení PCI Express. Zatímco podpora pro AHCI zajišťuje zpětnou kompatibilitu na úrovni softwaru se staršími zařízeními SATA a staršími operačními systémy , NVM Express je navržen tak, aby plně využíval vysokorychlostní úložná zařízení PCI Express využitím jejich schopnosti provádět souběžně mnoho I/O operací .

Dějiny

Dva konektory SATA Express (světle šedé) na základní desce počítače ; napravo od nich jsou běžné SATA konektory (tmavě šedé)

Rozhraní Serial ATA ( SATA ) bylo navrženo především pro propojení s pevnými disky (HDD) a při každé hlavní revizi zdvojnásobilo jeho původní rychlost: maximální přenosové rychlosti SATA se zvýšily z 1,5 Gbit/s v SATA 1.0 (standardizováno v roce 2003), přes 3 Gbit/s v SATA 2.0 (standardizováno v roce 2004), až 6 Gbit/s podle SATA 3.0 (standardizováno v roce 2009). SATA byla také vybrána jako rozhraní pro postupně přijatější disky SSD ( SSD ), ale potřeba rychlejšího rozhraní se ukázala, jak se rychlost SSD a hybridních jednotek postupem času zvyšovala. Například některé disky SSD dostupné na začátku roku 2009 již značně převyšovaly možnosti SATA 1.0 a blížily se maximální přenosové rychlosti SATA 2.0, zatímco ve druhé polovině roku 2013 již špičkové spotřební SSD dosáhly rychlostního limitu SATA 3.0, vyžadující ještě rychlejší rozhraní.

Při vyhodnocování různých přístupů k požadovanému zvýšení rychlosti dospěli designéři rozhraní SATA k závěru, že rozšíření rozhraní SATA tak, aby zdvojnásobilo jeho nativní rychlost na 12 Gbit/s, by vyžadovalo více než dva roky, takže tento přístup je nevhodný pro dohání pokroku v SSD technologie. Současně by zvýšení nativní rychlosti SATA na 12 Gbit/s vyžadovalo příliš mnoho změn standardu SATA, což by skončilo nákladnějším a méně energeticky efektivním řešením ve srovnání s již dostupnou a široce přijímanou sběrnicí PCI Express. PCI Express tedy vybrali konstruktéři rozhraní SATA jako součást revize SATA 3.2, která byla standardizována v roce 2013; rozšíření specifikace SATA také na poskytnutí rozhraní PCI Express v rámci stejného zpětně kompatibilního konektoru umožnilo mnohem vyšší rychlosti díky opětovnému použití již existující technologie.

Někteří prodejci také používají proprietární logická rozhraní pro své flashové produkty podnikové třídy , připojené přes sběrnici PCI Express. Takové úložné produkty mohou využívat vícepruhové propojení PCI Express, přičemž jsou s operačním systémem propojeny prostřednictvím proprietárních ovladačů a hostitelských rozhraní. V červnu 2014 navíc existují podobné podnikové úložné produkty využívající NVM Express jako nechráněné logické rozhraní pro přídavnou kartu PCI Express.

Dostupnost

Podpora SATA Express byla původně oznámena pro čipsety Intel řady 9, Z97 a H97 Platform Controller Hubs (PCH), přičemž oba podporovaly procesory Intel Haswell a Haswell Refresh ; dostupnost těchto dvou čipových sad byla plánována na rok 2014. V prosinci 2013 představil Asus prototyp základní desky „ Z87 -Deluxe/SATA Express“ založené na čipové sadě Intel Z87, podporující procesory Haswell a využívající přídavný řadič ASMedia k poskytování konektivity SATA Express; tato základní deska byla také představena na CES 2014, přestože nebylo oznámeno datum uvedení na trh.

V dubnu 2014 Asus také prokázal podporu pro takzvané oddělené referenční hodiny s nezávislým taktováním rozšířeného spektra (SRIS) s některým z jeho předprodukčního hardwaru SATA Express. SRIS eliminuje potřebu komplexního a nákladného stínění na kabelech SATA Express potřebných pro přenos synchronizačních signálů PCI Express tím, že na paměťovém zařízení poskytuje samostatný generátor hodin s další podporou firmwaru základní desky .

V květnu 2014 byly k dispozici čipsety Intel Z97 a H97, které přinesly podporu SATA Express i M.2 , což je specifikace pro paměťová zařízení typu flash ve formě interně namontovaných rozšiřujících karet počítače . Čipové sady Z97 a H97 používají pro každý ze svých portů SATA Express dva pruhy PCI Express 2.0 , což poskytuje úložným zařízením PCI Express šířku pásma 1  GB/s . Po vydání těchto dvou nových čipových sad, určených především pro stolní počítače vyšší třídy, brzy následovala dostupnost základních desek na bázi Z97 a H97.

Koncem srpna 2014 je k dispozici čipová sada Intel X99 , která přináší na platformu nadšenců Intel podporu SATA Express i M.2. Každý z portů SATA Express X99 vyžaduje dva pruhy PCI Express 2.0 zajišťované čipovou sadou, zatímco sloty M.2 mohou využívat buď dva pruhy 2.0 ze samotného čipsetu, nebo až čtyři pruhy 3.0 převzaté přímo z procesoru LGA 2011-v3 . Výsledkem je, že X99 poskytuje šířky pásma až 3,94 GB/s pro připojená paměťová zařízení PCI Express. Po vydání čipové sady X99 bylo k dispozici mnoho základních desek založených na X99.

Na začátku března 2017 je k dispozici AMD Ryzen , který přináší nativní podporu SATA Express na platformu AMD Socket AM4 pomocí doprovodných čipových sad X370, X300, B350, A320 a A300. Ryzen také podporuje M.2 a další formy úložných zařízení PCI Express, přičemž využívá až osm linek PCI Express 3.0 poskytovaných čipovou sadou a procesorem AM4. Výsledkem je, že Ryzen poskytuje šířky pásma až 7,88 GB/s pro připojená paměťová zařízení PCI Express.

SATA Express je považován za neúspěšný standard, protože když byl představen SATA Express, byl spuštěn také formát M.2 a standard NVMe , které získaly mnohem větší popularitu než Serial ATA a SATA Express. Pro spotřebitele nebylo vydáno mnoho úložných zařízení využívajících rozhraní SATA Express a porty SATA Express z nových základních desek rychle zmizely.

Funkce

Přehled na vysoké úrovni softwarové architektury SATA Express, která podporuje starší úložná zařízení SATA i PCI Express, přičemž rozhraními logických zařízení jsou AHCI a NVMe .

Rozhraní SATA Express podporuje paměťová zařízení PCI Express i SATA tím, že vystavuje dva kanály PCI Express 2.0 nebo 3.0 a dva porty SATA 3.0 (6 Gbit/s) prostřednictvím stejného konektoru SATA Express na straně hostitele (ale ne obou současně). Odkryté pruhy PCI Express poskytují čisté připojení PCI Express mezi hostitelem a úložným zařízením bez dalších vrstev sběrnice . Specifikace revize SATA 3.2 ve své zlaté revizi ze srpna 2013 standardizuje SATA Express a určuje jeho hardwarové rozložení a elektrické parametry.

Volba PCI Express také umožňuje zvýšit výkon rozhraní SATA Express pomocí více pruhů a různých verzí PCI Express. Podrobněji, použití dvou linek PCI Express 2.0 poskytuje celkovou šířku pásma 1 000 MB/s (2 × 5  GT /s hrubá rychlost přenosu dat a kódování 8b/10b ), zatímco použití dvou linek PCI Express 3,0 poskytuje 1969 MB/s (2 × 8 hrubý datový tok GT/s a kódování 128b/130b ). Pro srovnání, 6 Gbit/s surová šířka pásma SATA 3.0 odpovídá efektivně 600 MB/s (6 GT/s hrubá datová rychlost a 8b/10b kódování).

Pro rozhraní logických zařízení a sady příkazů používané pro propojení s úložnými zařízeními připojenými k řadiči SATA Express jsou k dispozici tři možnosti :

Starší SATA

Používá se pro zpětnou kompatibilitu se staršími zařízeními SATA a je propojen pomocí ovladače AHCI a starších portů SATA 3.0 (6 Gbit/s) poskytovaných řadičem SATA Express.

PCI Express využívající AHCI

Používá se pro disky PCI Express SSD a je propojen pomocí ovladače AHCI a poskytuje pruhy PCI Express, které poskytují zpětnou kompatibilitu s rozšířenou podporou SATA v operačních systémech za cenu nedodání optimálního výkonu pomocí AHCI pro přístup k jednotkám PCI Express SSD. AHCI byl vyvinut v době, kdy účelem adaptéru hostitelské sběrnice (HBA) v systému bylo spojit subsystém CPU/paměti s mnohem pomalejším subsystémem úložiště založeným na rotujícím magnetickém médiu ; v důsledku toho má AHCI určité inherentní neúčinnosti, když jsou aplikovány na zařízení SSD, která se chovají mnohem více jako DRAM než jako spřádací média.

PCI Express pomocí NVMe

Používá se pro SSD PCI Express a je propojen s ovladačem NVMe a poskytuje PCI Express pruhy jako vysoce výkonné a škálovatelné rozhraní hostitelského řadiče navržené a optimalizované zejména pro propojení s PCI Express SSD. NVMe byl od základu navržen s využitím nízké latence a paralelismu SSD PCI Express a doplňuje paralelnost současných CPU, platforem a aplikací. Na vysoké úrovni se primární výhody NVMe oproti AHCI týkají schopnosti NVMe využívat paralelismus v hostitelském hardwaru a softwaru na základě jeho konstrukčních výhod, které zahrnují přenosy dat s menším počtem fází, větší hloubkou příkazových front a efektivnějším zpracováním přerušení .

Konektory

Konektor SATA Express na straně hostitele, formálně známý jako „hostitelská zástrčka“, přijímá jak SATA Express, tak starší datové kabely SATA.

Konektory používané pro SATA Express byly vybrány speciálně pro zajištění zpětné kompatibility se staršími zařízeními SATA, kde je to možné, bez potřeby dalších adaptérů nebo převodníků. Konektor na straně hostitele přijímá buď jeden PCI Express SSD, nebo až dvě starší zařízení SATA, a to poskytnutím buď linek PCI Express, nebo portů SATA 3.0 v závislosti na typu připojeného paměťového zařízení.

Existuje pět typů konektorů SATA Express, které se liší svou polohou a účelem:

• Host plug se používá na základních deskách a doplňkových řadičích. Tento konektor je zpětně kompatibilní přijetím starších standardních datových kabelů SATA, což má za následek, že hostitelský konektor poskytuje připojení až pro dvě zařízení SATA.
• Zásuvka hostitelského kabelu je konektor na straně hostitele na kabelech SATA Express. Tento konektor není zpětně kompatibilní.
• Zásuvka kabelu zařízení je konektor na straně zařízení na kabelech SATA Express, zpětně kompatibilní přijetím jednoho zařízení SATA.
• Zásuvka zařízení se používá na zařízeních SATA Express. Tento konektor je částečně zpětně kompatibilní tím, že umožňuje připojení zařízení SATA Express k zadním linkám U.2 nebo zásuvkám MultiLink SAS ; takto připojené zařízení SATA Express však bude funkční pouze v případě, že hostitel podporuje zařízení PCI Express.
• Hostitelská zásuvka se používá na propojovacích deskách pro přímé párování se zařízeními SATA Express, což vede k bezšňůrovému připojení. Tento konektor je zpětně kompatibilní přijetím jednoho zařízení SATA.

Výše uvedené konektory SATA Express poskytují pouze dva pruhy PCI Express, což je výsledkem celkového designu zaměřeného na rychlý přechod platformy za nízkou cenu. Tato volba umožnila snazší zpětnou kompatibilitu se staršími zařízeními SATA a zároveň umožnila použití levnějších nestíněných kabelů. V březnu 2015 některá zařízení NVM Express ve formě 2,5palcových disků používají konektor U.2 (původně známý jako SFF-8639 , přičemž přejmenování proběhlo v červnu 2015), u kterého se očekává širší přijetí. Konektor U.2 je mechanicky identický s konektorem zařízení SATA Express, ale poskytuje čtyři dráhy PCI Express prostřednictvím jiného využití dostupných pinů.

Níže uvedená tabulka shrnuje kompatibilitu zapojených konektorů.

Kompatibilita

Zpětná kompatibilita na úrovni zařízení pro SATA Express je zajištěna plnou podporou starších úložných zařízení SATA 3.0 (6 Gbit/s), a to jak na elektrické úrovni, tak prostřednictvím požadované podpory operačního systému . Mechanicky si konektory na straně hostitele zachovávají zpětnou kompatibilitu podobně jako USB 3.0 -nový konektor SATA Express na straně hostitele je vyroben „naskládáním“ dalšího konektoru na dva starší standardní datové konektory SATA, které jsou běžné porty SATA 3.0 (6 Gbit/s), které mohou přijímat starší zařízení SATA. Tato zpětná kompatibilita konektoru SATA Express na straně hostitele, který je formálně známý jako hostitelský konektor, zajišťuje možnost připojení starších zařízení SATA k hostitelům vybaveným řadiči SATA Express.

Zpětné kompatibility na softwarové úrovni, poskytované pro starší operační systémy a související ovladače zařízení, které mají přístup pouze k úložným zařízením SATA, je dosaženo zachováním podpory rozhraní řadiče AHCI jako rozhraní staršího logického zařízení, jak je vidět z pohledu operačního systému. Přístup k úložným zařízením využívajícím AHCI jako rozhraní logického zařízení je možný jak pro SATA SSD, tak pro PCI Express SSD, takže operační systémy, které neposkytují podporu NVMe, lze volitelně konfigurovat pro interakci s úložnými zařízeními PCI Express, jako by šlo o starší zařízení AHCI . Protože je však NVMe mnohem efektivnější než AHCI, pokud je používán s disky SSD PCI Express, rozhraní SATA Express nedokáže poskytnout svůj maximální výkon, když je pro přístup k úložným zařízením PCI Express použit AHCI; další podrobnosti viz výše .

Viz také

• Seznam šířek pásma zařízení
• M.2 (dříve známý jako Next Generation Form Factor)
• Sériově připojené SCSI (SAS)

Poznámky

Reference

externí odkazy

• Oficiální web Mezinárodní organizace Serial ATA (SATA-IO)
• LFCS: Preparing Linux for nonvolatile memory devices , LWN.net , 19. dubna 2013, Jonathan Corbet
• NVMe vs AHCI: Another Win for PCIe , AnandTech , 13. března 2014, Kristian Vatto
• Recenze Intel SSD DC P3700: Porozumění NVM Express , Tom's Hardware , 13. srpna 2014, Drew Riley
• PCIe SSD 101: Overview of Standards, Markets and Performance , SNIA , August 2013, archived from the original 2. února 2014
• Držák karty rozhraní  - americký patent 20130294023, 7. listopadu 2013, přiřazeno Raphael Gay
• Prezentace MultiLink SAS, tiskové zprávy a plány , obchodní asociace SCSI