打开PC机壳,相信最紊乱、最碍眼的必然是磁碟机排线,尤其以UltraATA排线为最。在UltraATA33时,为40条,但自UltraATA66后,却开始改为80条。每一条线路旁多增一条接地线路,以降低并列传输时的串音干扰(Cross Talk),为得是使传输能够再加速。不过高达80条平行传输线路,再加上两个ATA传输通道(Channel)各用上一条排线,排线几乎占据机内的大半空间,不仅造成机内保养维修时的困扰,在平日运作时也会阻碍机内气流流通,使电子系统因升温而增加不稳性。
不过,这样的问题即将解决。由APT、Dell、Intel、Maxtor、Seagate等业者所联合提出的新磁碟介面标准︰SerialATA,不但能解决上述的困境,同时又能够让ATA介面的效能速度再次提升,并还补强了过往道统ATA所缺乏的诸多功能。
SATA标准及架构介绍
目前以并列模式传输的UltraATA在速度上已达到极限,UltraATA/133勉强算是终极之作,其速度最高为133MB/Sec。不只是UltraATA有困难,就连UltraSCSI也有类似的困境。 ATA、SCSI目前皆为16-bit并列传输,SCSI自8-bit扩增宽度至16-bit,但未来两者都没有朝更大资料宽度发展的想法。因为并列宽度增加,串音干扰问题也就愈严重,且愈难控制掌握。如此必须投注更多的心力去研发,但效率提升却有限,而原有以SCSI、ATA建立的软体、韧体都必须改写才能适用。
相对来说,整体若改以串列方式运作,不需改变任何实体线路,也不用改变任何韧体、软体,只要加快运作时脉便可获得加速。其研发的心力小,变革的冲击也少,但提升幅度高,所以这也是现今所有汇流排技术的发展走势,ATA只是其一。其他包括SCSI、PCI也都有类似的方向,如SCSI自并列的8-bit/16-bit转为串列(Serial Attached SCSI,SAS),PCI也从32-bit/64-bit转成串列(PCI Express,PCI-E),如今UltraATA则也转为SerialATA。为了跟传统ATA有所区别,以往用并列传输的ATA被区别称呼成Parallel ATA(PATA),新的串列传输的ATA则名为SerialATA(SATA)。
SATA是具长期性、阶段性的新介面。第一代的SATA在传输上被称为1X,提供1.5Gbps的速度;下一代为2X,达3Gbps;第三代为4X,预计达6Gbps。不过Intel工程师认为至4.5Gbps以上将会有技术方面的困难,可能需要更换传输介质或其他方式才能达成。上述的速度为实验室的进度,实际商品化的进度仍在1X阶段,并积极取代现有的PATA。
表一 Serial sATA的1X、2X、4X等三世代的传输率规划及目标<資料來源:Intel.com (资料来源:Intel.com)> |
Serial ATA
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Generation 1
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Generation 2
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Generation 3
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Signaling Speed
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1.5Gb/sec
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3Gb/sec
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6Gb/sec
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Date Rate
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150MB/sec
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300M
/sec
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600MB/sec
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Introduction
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Mid’03
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Mid’05
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Mid’07
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SATA是由Intel于2000年时,所提出的概念,并于2001年正式提出1.0规格。到了2002、2003年时,相关支援的硬体开始出现,包括介面卡及硬碟。然而,SATA的规格进展相当快速,2002年便有了SerialATA 2.0的提案。于2004年5月,Dell、Intel、Maxtor、Seagate、Vitesse Semiconductor Corp.等五家业者联合提出SerialATA II,虽然这次少了APT,但却多了Vitesse的加入。
虽然在SATA 1.0标准中,已对2X有些许指示,但SerialATA II却有更完整的描述,且同时增加了一项新的加速功能,即「指令伫列(Command Queuing)」。过去ATA的传输都是逐一依序传递、解析、执行ATA指令,而SerialATA II的Command Queuing则允许一次接收大量的ATA指令,并同时打破依序,可改变指令的解析、执行顺序,借此让整体传输再获得加速。不过此一功能的应用,必须是同时有新支援的SATA介面控制晶片和新支援的SATA硬碟才行。
《图一 Adaptec公司推出的SerialATA适配卡,提供2个内接SATA 1X埠》 |
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SATA与其他汇流技术比较
首先,PATA的排线长度仅18英吋(约46公分),而SATA 1.0可至1公尺,SATA II甚至希望到2公尺,如此可以有限度地用于机外连接,比起传统PATA完全只供机内连接之用,更具方便性。其次,PATA不具热插拔(Hot Plug)能力,运作中硬碟不可拔出,而SATA 1.0就具备热插拔的功能。除了主运作硬碟外,其余都可在开机状态下进行抽换、置换。
此外,PATA仅两组通道,每组通道提供Master、Slave两种装置身份辨识,最多可连接4个装置。 SATA则是采取一对一连接,每一通道上为单一装置,没有Master、Slave的身份组态、冲突、争抢频宽等问题。且只要晶片组支援,可持续增加更多的SATA连接介面及连接装置数,目前已达到2 - 4个的水准,未来必可超越PATA。而部分以SATA实现的磁碟阵列卡,则是达到8 - 12个SATA通道。
比较特别的是,SATA不仅传输线路与过往的PATA不同,连供电线路也不相同。 SATA的传输线路为7线,其中3线为接地(亦有防止串音干扰之效)。另外4线则两两成对,形成「传送」及「接收」各1-bit的单向通道,以差动电压方式进行传输,而传统PATA16-bit是双向传输。
至于SATA与PATA在供电上有何不同?过往的PATA为4pin:12V、GND、GND、5V,而SATA多了一个3.3V,这主要是因应现有硬碟上的晶片(如数位信号处理器DSP、硬碟控制器Disk Controller、介面控制器Interface Controller、缓冲记忆体Buffer等)多已使用3.3V运作,过去的5V送至硬碟上也多半还要降压才能使用。如今此一降压程序,则转交给电脑的供电器(交换式电源供应器)负责。
也因此,SATA的供电线路改成15pin接头,接地占5线。 3.3V、5V、12V各占3线,以及一个保留线(针脚、脚位)。
《图二 SerialATA的数据传输线(左,7pin),以及电源供应线(右,15pin)》 |
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受到SATA的刺激后,SCSI阵营也积极将SCSI进行串列性转化,此新规格称为SAS(Serial Attached SCSI)。不过进度必然落在SATA之后,预计取代现有并列式SCSI,如此末代的并列SCSI便可能是Ultra320 SCSI(320MB/Sec)。初版的SAS预计达3Gbps,数年内的提升目标希望达12Gbps,亦具有Command Queuing能力(达256阶)。
SAS的接线长度虽可达8公尺,但与传统SCSI相比就稍逊色,因传统SCSI最多可到12公尺。另外,SAS也允许一个装置同时连接多条SAS埠来增快速度,可平行扩至4 - 8个,而非强制一个装置仅一个连接。甚至还有业者提出用SAS来相容SATA传输、运作的方案(如Adaptec公司)。其作法是实体连接上统一采行SAS,但指令与资料传输上可选择SAS或SATA,借此省去维护两种不同实体接线、组件的麻烦。
1.5Gbps=150MB/Sec吗?
许多规格书写到Fibre Channel的1Gbps传输,通常也会等同写成100MB/Sec(或100MB/s、100MBps),而SerialATA也雷同,有时会将1.5Gbps写成150MB/Sec,这是何故呢?若按学理,1Byte=8bits,1000/8=125,应当写成125MB/Sec才是,为何是100MB/Sec?少去25MB的原因何在?
其实,PATA的40pin中除了16pin的资料线外,其余的24pin有许多电源线、接地线,及诸多的控制线路。这些控制线路传输着控制性质的信号和资料,与实质传输资料各别独立传输。然而在PATA换成SATA后,实质传输资料与控制资料混在同一个串列传输通道上传递,自然也要占去部分的通道频宽,因此无法以学理的「除8」折算,而是概略地以「除10」来计算。概估多出20%的控制传输,或其他的非实质资料信号(如同步信号)。
事实上USB即是如此,在USB v1.1的12Mbps频宽中,控制用的封包就占去10%,只剩10.8Mbps可运用。而在连续传递6个相同位元时,为了怕长时间传递相同的信号造成解读偏误,也会掺入1个反相位元以求同步,此同步位元也不具实质资料的传递意义。
SAS之应用价值与未来可能发展趋势
首先,SATA既然多了外接、热插拔等能力,那么原有的外接介面:1394、USB也必然受胁。虽然1394已从1394a(400Mbps)提升至1394b(800Mbps),或USB从1.1(12Mbps)提升至2.0(480Mbps),但仍不敌SATA 1X的1.5Gbps,更何况未来还有3Gbps、6Gbps。笔者推估1394a/b将因SATA 1X与USB 2.0的夹击,成为第一个褪去的标准。
接着则是SATA与USB对抗,现阶段USB的普及度远胜SATA,且接线较长(每段5公尺),然在未来iPod、PMP/PMC等硬碟型娱乐装置不断地普及下,此类装置有可能会省去USB,直接用SATA与PC连接,但这还要数年的考验才能作得到。
其次,PATA在现有低价的伺服器(Slim Server、Blade Server)、低价的储存设备(初阶NAS)上已相当普及,未来也将持续在「价格效能比」上加码,选择升级使用SATA 。包括正要兴起的iSCSI,亦会积极采用SATA。
最后,在1999年以前,ATA介面都是要透过PCI桥接后,才能与处理器、记忆体连接。而当时的PCI普遍为32-bit、33MHz,频宽仅132MB/Sec。此规格组态下连接一个UltraATA/66通道还可行,但若连接两个便有争抢总体I/O频宽的问题。不过Intel于810晶片组使用Hub Link(HL)后,此一问题才获得解决,但Hub Link专属于Intel的架构(Intel Hub Architecture,IHA),其他晶片组业者无法使用。
AMD随后提出Hyper Transport,虽然较Hub Link开放,但仅能用于晶片间的传输,并无插槽型态。以至于产业界才提出更广泛、共通的新高速介面标准:PCI Express(PCI-E),借此让SATA与PCI-E接轨,并移除SATA未来传输加速发展的阻碍。而在PCI-E未普及前,SATA只能持续与Hub Link、HyperTransport连接、或与较少运用的PCI-66MHz、PCI-64bit、PCI-X等高速延伸介面连接,以减缓频宽受限的情形。
《图三 SAS(Serial Attached SCSI)的平行连接传输》 |
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总结
SATA是为了要加快ATA传输速度应运而生的标准,它不仅让ATA的速度加快了许多、距离延长了许多。且也刺激了其它传输标准的研发速度,如PATA、S-SCSI等。目前有许多伺服器级的系统在运用SATA的技术,而市面上也可以见到许多针对企业与个人所推出的SATA硬碟,相信不久后,会完全取代Ultra ATA的市场,成为硬碟的标准。