SATA EXPRESS技术新动态及性能预览

随着SSD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SATA 6Gb/s接口600MB/s的极限速度，现有的SATA接口面对SSD已经显露出了疲态。在这种情况下，SATA-IO着手制定了全新的SATA Express规范，希望借助于PCI-Express的高带宽和多通道来传输硬盘的数据。那么，SATA Express目前的发展状况究竟如何？其实际产品对性能的提升是否有想象中那么大呢？

为什么需要更快的传输接口

在硬盘还全部采用温彻斯特机械架构的时代，由于性能有限，SATA-IO对硬盘接口的发展速度没有太多的紧迫感。但在固态硬盘出现后，这一切都改变了。固态硬盘的特点在于不使用任何机械构件，它采用基于NAND架构的闪存颗粒进行存储。这种存储单元是非易失性的，即使断电后也不会丢失数据，并且它的性能提升还有很大的空间，也不像机械硬盘那样已经被物理定律所限制。因此SSD的出现，使得数据吞吐量大幅度提升，相关的接口也需要越来越快的速度才能满足SSD的需求。SATA-IO组织在SSD的快速发展中感受到了压力，它们主流的SATA接口已经法满足SSD的需求了。

我们可以举一个例子来说明SSD有多快。目前，20nm工艺的128G bit NAND闪存读取一个页面也就是16KB的数据，只需要115微秒——大概每颗芯片的数据吞吐速度是140MB/s。在一块256GB SSD上，如果配备了16颗这样的闪存芯片并同时进行并行传输的话，那么总的数据吞吐速度高可达140MB×16=2240MB/s——这个数值已经接近SATA 6Gb/s接口速度的4倍。

SSD的速度如此之快，使得目前广泛而主流的SATA接口迅速成为瓶颈。事实上当2011年初，英特尔主板芯片组才开始采用当时新的SATA 6Gb/s接口时，Sand Force所使用的SF-2000系列主控芯片的理论速度就已经达到甚至超过了接口速度。于是，SATA-IO组织需要快速制定更新的标准来适应发展，比如SATA 12Gb/s。但新标准实际上并没有这么容易，因为对串行的SATA规范来说，如果要进一步加快传输速度，不但成本较高，而且主要是电源耗费将会更为明显，能耗比会大幅降低且不够经济。

因此，SATA-IO不得不寻找其他更为高效、经济的技术来发展SATA系列接口。于是他们找到了PCI Express，基于这个目前为成熟的高速通道技术来开发SATA接口，即现在众所周知的SATA Express接口(有关SATA Express接口的技术，我们曾在2013年2月下刊《SATA Express技术前瞻分析》一文中进行过详细介绍)。从技术层面来说，使用PCI-Express简直就
是顺理成章，这项技术不但成熟可靠、扩展性强，甚至已经集成在目前几乎所有的PC平台中。事实上，PCI-Express已经被广泛使用在高端企业级SSD市场中，因为SATA或者SAS这样的接口速度，完全不能满足企业用户苛刻的性能需求。

从性能上来看，PCI-Express更是秒杀了S ATA接口。即使比较老的PCI-E 2.0 x2的理论单向带宽都可以达到高8G b /s，超出SATA 6Gb/s达33%，当然在实际应用中的数据并没有这么高。根据测试，PCI- E 2.0 x2的有效数据传输速度达到780MB/s，即使这样也远远高于SATA 6Gb/s的有效传输速度560MB/s，超出幅度更是接近40%。这还仅仅是PCI-E 2.0的数据，目前所有SSD的PCI-E控制器的都基于PCI-E 2.0，在明年可能会升级到PCI-E 3.0。如果带宽和估计一样翻番的话，那么至少1GB/s的实际带宽将成为常态，超越SATA 6Gb/s的带宽将达到100%或更高。

在所有传输标准中，SATA 12Gb/s接口的能耗大，性能提升有限，因此未能成为下一代平台的选择。

为什么需要更快的固态硬盘

那么我们为什么需要更快速的SSD？可能有不少读者认为现在的SSD搭配SATA 6Gb/s接口，实现560MB/s左右的大传输速度已经够快了，再继续快下去意义不大，除非你是专业人士或者发烧友。这听起来似乎挺有道理的，不过实际的市场情况还要复杂很多。

现实一点看，从SATA的SSD转向PCI-E的SSD可能不会给你带来过于明显的速度快感，这和你从HDD转向SSD是完全不同的，甚至对一个普通用户来说他根本就没有感觉—就像更换了CPU和GPU那样，很多用户也感觉不到什么明显的性能提升，除非你有一些专门的应用受益于所更换的设备。但如果新的设备耗电比旧的设备少很多，同时性能又提升了的话，SATA Express是否还显得很有意义呢？

回顾之前的发展，在PC和相关设备上创新和改进非常多。相对于其他部件而言（比如GPU），电池几乎没有革命性的变化，因此PC等厂商不得不依靠改进其余部件的耗电来增加整个设备的续航时间。如果你仔细研究过英特尔的发展战略，会发现移动和节能一直是人们关注的焦点。这就像即使没有增加电池容量也可以维持高达12个小时续航时间的MacBook Air那样——依靠的是更高效的芯片架构、更高的性能同时更严格的能量管理。这里的一个关键词是“race to idle”，也就是“快速闲置”，它表示更高性能的芯片完成任务的速度更快，空载时间更长，从而降低了总功耗。

SSD也是这样的，由于拥有更快的IO速度，固态硬盘会减少电能消耗。因为和HDD相比，SSD读取同样的数据会更快、等待时间更长（假设HDD和SSD在待机和工作两种不同的状态下功耗分别相同）。但如果接口成为瓶颈的话，则意味着工作时间增长，从而增加耗电量。

4K视频：需要更大的传输带宽

上文中描述了SATA Express这样更为快速的接口对移动用户的优势。除此之外，在准专业和专业市场上，由于4K视频的兴起，对IO性能的要求变得更为苛刻。以每秒24帧、无压缩的4K 视频（3840×2160，12位RGB色彩）为例，这样的视频大约需要900MB/s的带宽才能满足需求，这已经远远超过了SATA 6 Gb/s的极限。此外，对4K视频的压缩（1小时无损的4K视频大约需要3.22TB的空间）也非常重要，专业人士几乎都是多条视频一起压缩，这也大大超过了SATA6Gb/s的传输能力。

当然有些用户可以使用RAID来克服SATA带宽不足的问题。不过这会增加一些成本。首先购买多块SSD的花费可并不低，且RAID0阵列存在风险问题（任意一个磁盘损坏，整个数据彻底损坏），这使得人们不得不更为注重安全性。因此，虽然4K还没有成为主流，但是硬件设备们应该提前准备好——这又是一次商机，不是吗？

SATAe接口由两个SATA接口加上一个小接口组成，其体形比普通SATA接口大了很多，可使用普通的SATA硬盘，但SATA接口无法使用SATAe设备

相对AHCI、SAS传统工作模式，NVMe工作模式更加高效,其性能的领先优势非常明显。

SATA Express技术发展现状

目前，SATA Express已经被纳入SATA 3.0标准，并被简称为SATAe。SATAe可以看作同时支持SATA和PCI-E的物理连接器。在PCI-E的规范方面，它可以支持PCI-E 3.0和PCI-E 2.0标准。不过由于PCI-E通道来源于主板芯片组或南桥芯片，因此SATAe暂时只能支持到PCI-E 2.0，绝大部分产品的实际应用带宽如前文所示会被限制在780MB/s。不过英特尔、AMD上游芯片组厂商在未来也会将PCH和芯片组的PCI-E规格升级到PCI-E3.0，这样一来，PCI-E 3.0 x2的实际数据带宽至少可以达到1560MB/s。显然对快速发展的SSD来说，PCI-E 3.0 x2才更为合适。目前SandForce、三星、英特尔对PCI-E3.0的支持还不明朗，但OCZ已经明确表示将在明年推出支持PCI-E 3.0的控制器。

提到相关的具体产品，目前华硕等厂商都推出了拥有SATAe接口的主板。比如华硕的一款主板工程版样品显示，它拥有两个SATAe接口。从外观来看，SATAe接口相当于两个SATA接口加上一个小接口连在一起。当使用传统的S ATA线缆和SATA硬盘时，SATAe上的SATA接口是可以正常工作的。但是如果使用专用的SATAe存储设备的话，那么利用PCI-E的高带宽，接口速度将会得到极大的提升。

主板厂商华硕表示，目前给出的SATAe接口很可能并非终设计。而终的SATAe可能使用一个大型的接头来代替三个分开的小接口。华硕使用的SATAe分开式接口的优势在于即使现在没有任何SATAe的设备，用户也可以使用SATA设备连接，或者使用一个转接子卡使得SATAe接口可以转接出一个PCI-E 2.0×2接口。终的SATAe接口设计可能和目前的“SATA接口+电源接口”的设计非常相像，这样它就可以直接插入任何设备了。

和之前所有的SATA接口一样，SATAe不提供电源（并未从PCI- E引出供电端来）。这是很奇怪的事情，因为PCI-E本身提供至少25W供电，基本上可以满足存储设备的需求。出现这样问题的原因，很可能是如果使用了包含电源的方案的话，SATAe接口和线缆的价格将变得比较昂贵，这是SATA-IO组织不愿意看到的。目前的SATA线缆的成本价格约每根0.3美元，但SATAe线缆的价格达到了每根1美元。因此，SATAe的设备还是得从电源取电，而且终SATAe线缆和接口看起来都比较大，不如SATA小巧方便。

从另一个角度说，SATAe线缆本身是可以整合电源输入功能的，15pin供电或者4pin供电都有可能。SATA-IO在这里只是起到建议和规范产品的作用，没有强制执行力。因此在采用SATAe的终主板和设备接口上，我们可能还会看到一些创意设计。

加入NVMe工作模式

性能的提高不能只依靠硬件。更快的硬件有助于使得软件发展不受限制，而终充分利用硬件性能的还是优秀的软件，在SSD上也是这样。当使用了SATAe接口后，整个磁盘带宽迅速增加，为了充分利用这样的物理接口，设计人员将对SATAe和SSD的工作模式做出专门的优化。

目前硬盘使用的工作模式被称作AHCI，这是2004年的规范。AHCI主要针对的目标是机械硬盘这种高延迟的旋转存储设备，而并非超低延迟的非易失性NAND闪存。因此，AHCI在SSD上作用不太大，为此业内开发了一个全新的技术来优化诸如SSD这样的闪存产品，这就是NVMe。

NVMe全称是Non-Volatile Memory Express，可以称作非易失性闪存加速技术。它是由英特尔、三星、LSI等80多个组织和厂商组成的产业联盟所制定的，专门针对SSD、PCI-E接口（SATAe）等产品。它的主要功能是，对从现在到未来十年内问世的各种存储设备的性能进行优化。而根据预计，到2020年左右，更为快速的RR AM以及MR AM将进入存储市场，届时NVMe技术将不再适用。

相对于AHCI，NVMe大的优势在于降低了延迟。NVMe精简了存储堆栈的调用，执行命令的时候不再需要读取寄存器，命令执行延迟仅2.8μs。而在AHCI工作模式下，由于架构设计，在每执行一条命令时，需要读取4次寄存器，使得命令的执行延迟增加到6μs。此外，N VMe的另一个重要改进在于支持多个队列和更深度的队列，其大队列深度达到64K。同时，NVMe对多核心CPU也提供了完美的支持，可以大限度地发挥出SSD的IOPS大性能。

不过目前消费级市场还没有产品支持NVMe，SandForce的SF-3700有可能在下半年发布，这也是首款明确支持NVMe技术的民用SATAe主控芯片。驱动方面，无论是Windows还是Linux，目前都已经有比较成熟的NVMe驱动，因此用户所需要做的就是等待厂商发布相关产品，然后就可以购买使用了。