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SATA技術的現況與發展
 

【作者: Tracy Bowden, Jayme Bruno】   2004年05月05日 星期三

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IT基礎建設決策持續受到技術迅速變遷、控制成本壓力、儲存大量資料需求、規範資料存取及保存新法規等因素所影響。因此企業必須採用並建置持續演進的解決方案,例如Serial ATA(SATA),以確保資料的可用度。SATA為取代Parallel ATA(PATA)成為新一代實體儲存介面技術,目前已奠定一套長達十年的發展藍圖,能配合資料傳輸與儲存方面的需求,提供重要的擴充能力、價位、效能、可靠度及各種接線元件。


SATA 的優勢

由於SATA與PATA在軟體上有百分百的相容性,因此使用者在升級時無需更換現有的趨動程式與作業系統。此外,由於具備統合的功能與用途,使許多產業觀察家對此項技術抱持極高的興趣。


SATA 透過一套點對點的介面(免目視連結或熱機插拔),將硬碟機、DVD、CD-RW燒錄機等儲存裝置連結至主機板,不須在同一條排線上設定master 或slave。免目視的接線模式能簡化安裝程序,使任何連結埠上的任何排線都能連上任何磁碟機;熱機插拔功能使您不需關機就能拔掉故障的磁碟機;SATA的直接連結模式亦可協助使用者不須調整終端設定及主機板上的跳線。


SATA的另一項優點是細小的排線;比PATA還要細的排線能提高機殼內部的空氣流通效率,且有助於辨識支援SATA介面的裝置。更細、更長(最長可達1公尺)的排線可協助業者不須設定master/slave即可開發出更多樣化的機殼,因此在相同的實體空間內可裝入更多容量的儲存裝置。較細的排線亦能簡化安裝程序,不必再扭彎ATA排線以便擠進狹小的空間,也不必擔心損壞排線接腳。


SATA支援較低的電壓,故能降低針腳數及主機板上元件佔用的空間,幫助業者開發出較小的機殼。SATA排線減至7根針腳,遠低於40針的PATA,而較低的電壓亦可使SATA能配合愈來愈小的半導體製程尺吋。


隨著SATA持續演進與發展,所有主要硬碟機廠商皆已採納SATA技術,因此產品能提供更具競爭力的價位;SATA 與PATA之比較如(表一)。


《表一 SATA 與PATA之比較》
比較 PATA SATA SATA優點
傳輸速度 3MB/s至133MB/s(Maxtor) 150MB/s 至600MB/s 6倍的效能;生產力
電壓 5伏特   250 mV   較低的耗電率,較低的發熱;適合行動環
排線與連結器 18吋,80針連結器,40針的扁平排線  最長1公尺,細小且可撓曲的排線,4組訊號針腳 更容易連結排線;改進機殼內的散熱氣流 
熱插拔 沒有制定標準   支援且有制定相關標  正常運作時間;資料可用度,不中斷的商務運作
連結模式 共享(Master/Slave) 點對點 消除master/slave的混淆;提升效能

SATA 應用概況

目前ATA是大多數低階伺服器與工作站市場的主流技術,而SCSI則主宰企業伺服器市場,因此SATA選擇以多階段建置模式搶攻市場。SATA I規格屬於「初期採用階段」,磁碟機供應量有限,且大多數用戶來自桌上型電腦、白牌工作站及入門級伺服器市場。SATA II 將分成多個階段,包括搶攻入門級伺服器市場及網路連結儲存(NAS)和機架型設備市場的「接納階段」,以及繼續支援伺服器、NAS及儲存區域網路(SAN)等環境的「成長階段」。


要建構一套安全的資訊應用環境,常見的作法就是運用磁碟陣列(RAID)技術。RAID通常應用在大型檔案伺服器,例如交易或應用伺服器;此類系統對於資料存取能力的要求非常嚴格,且需要具備容錯功能。現今RAID應用於各種桌上型平台,以支援電腦輔助設計(CAD)及多媒體編輯與錄放等功能;此類應用更需要快速的資料傳輸速度。建置RAID時,SCSI是大多數IT組織優先選擇的互連技術,因為SCSI具備高可靠度、高效能,且能有效保護關鍵資料並帶來可觀的應用價值。SCSI和ATA都正朝向序列化技術(SAS)方向發展,在SATA與SAS產品開始大量問世時,使用者將可針對本身獨特的儲存需求,選擇最適合的解決方案。


SATA RAID控制器可以是硬體也可以是軟體,在需要簡化組態及追求更高單位成本容量的儲存環境中,客戶可搭配使用序列ATA與RAID技術,建構出企業級資料儲存解決方案,將最新的儲存技術應用在最前線。(表二)為目前市面上SATA RAID控制器之比較。


《表二 目前市面上SATA RAID控制器之比較》
SATA 連結埠 RAID Levels 鎖定的市場
2 至4   RAID 0,1,10 (僅支援4個連結埠)  -桌上型電腦
-工作站
-低階伺服器
4  RAID 0,1,5,10  -伺服器
-NAS 裝置
6,8,12 或更多   RAID 0,1,5,10,50   -伺服器
-NAS 裝置
-機架型儲存裝置

要建構一套企業級序列ATA系統,可直接使用各廠商推出的全套式解決方案,但前提必須先評估各廠商的產品以選擇適合的方案。降低SATA系統建構成本的方法就是採用內建6個連結埠的半高型控制器。在此類控制器上連接6顆SATA硬碟機即可建置出數terabytes的儲存容量,並大幅提升傳輸速度。


另一個值得注意的重點就是使用的機殼。有些機殼可安裝6組磁碟機,有些機殼則適合5.25吋或2.5吋的儲存裝置。因此最大的儲存容量等於磁碟槽數(drive bays)×機殼數(enclosure)×磁碟容量(SATA)。相較之下,此類資料儲存容量的成本會低於其它解決方案。


大多數的SATA半高型控制器可協助使用者設定RAID levels(0、1、5、10或50)。不論採用可提供100%資料冗餘性的RAID 1、最高資料流量但無容錯能力的RAID 0、或結合兩者的RAID 模式,都能建構出一套互贏的儲存解決方案。


此外,內建電池備份單元(BBU)SATA控制器也值得一提。BBU提供備用電池,當控制器遭遇電源中斷的狀況時,控制器可使用備用電池的電力將快取記憶體中的資料儲存至磁碟。在發生電源中斷的狀況時,BBU能將儲存在快取中的資料保存一段時間當電源回復正常時,資料就可以儲存至磁碟機。這種模式能強化資料的保護效果,尤其是在RAID 5的應用。


SATA 的限制

對於SATA儲存解決方案是否能達到150 MB/s的傳輸速度,大部分的專家認為雖然在理論上確有可能,但實際上卻很難達到。不過,如果使用前面討論的解決方案,資料的傳輸速度就能達到倍增。此外,目前的磁碟製造商所推出的低價位IDE/SATA機種也尚未能在速度、可靠度、機械零組件等級等方面提供各種企業級的功能。


雖然SATA與PATA之間具有軟體相容性,但SATA與現有的ATA裝置間缺乏完善的回溯相容性,在從PATA轉移至SATA系統時,則必須更換硬碟機、排線及連結介面。


另一項限制就是現有的SATA儲存解決方案無法支援所有的儲存應用。因為現有的SATA磁碟缺乏智慧型功能來執行SCSI具備的指令排序作業(每個邏輯單元能排序256組指令),所以SATA規格並無建置包括偵測錯誤等先進的SCSI協定功能。例如,若散熱風扇故障讓機體溫度超過磁碟機能夠運作的上限時,磁碟機本身也不會發出聲響或視覺的警報。


新世代的SATA II

SATA II 將提升SATA I的功能與效能,並維持相容性與成本上的優點。SATA II 在第一階段將支援背板互連功能,使用多顆磁碟機支援熱機插拔、原生指令排序、亂序執行/資源供應及在各種排線與背板連結裝置中的儲存資料。此階段亦將為各個領域提供機殼管理 (風扇管理、磁碟燈號、溫度控制、新增裝置通知等)功能,其中包括入門級伺服器、NAS、以及機架型系統等市場。而為了充份運用主機頻寬,連結埠擴充器將增加對多重裝置連結的支援(最多達15組),使機殼內能有足夠SATA接頭能擴充儲存容量。


SATA II在第二階段將完成來自PATA的轉移,在隨後的成長階段將繼續把傳輸速度提升至每秒3.0 gigabits(300 MB/s)。使用者將能享受3.0Gb/s的指令排序功能,以及在伺服器、NAS、儲存區域網路(SAN)環境中運用Active-Active拓撲模式。


結語-SATA RAID控制器的未來

SATA II 規格(包括機殼管理)及PCI-X是新一代SATA RAID控制器的趨勢;這些關鍵技術將使SATA RAID能直接提供SCSI RAID的功能,並突破IDE RAID的固有領域。其它功能包括錯誤修正碼,其所產生的冗餘資訊可用來偵測與校正儲存或傳輸資料的錯誤。


儘管在經濟發展緩慢的環境中,IT預算仍持續緊縮,但業者仍可在最低的成本下達到維持高正常運作時間與資料回存保護的目標。運用發展前景穩定且能滿足企業與市場需求的SATA,將是未來成功的關鍵。


(作者任職於LSI Logic RAID儲存配接器部門)


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