sata диск это что
Что такое SATA
Многим пользователям компьютеров не однократно встречалось слово SATA, но не многие знают, что этого такое. Стоит ли обращать на него внимание при выборе жесткого диска, системной платны или уже готового компьютера? Ведь в характеристиках данных устройств слово SATA сейчас часто упоминается.
СОДЕРЖАНИЕ (нажмите на кнопку справа):
Даем определение
SATA это последовательный интерфейс передачи данных между различными накопителями информации, который пришел на смену параллельному интерфейсу АТА.
Начало работ по созданию данного интерфейса было организованно с 2000 года.
В феврале 2000 года, по инициативе компании Intel была создана специальная рабочая группа, в которую вошли лидеры IT технологий тех и теперешних времен: компания Dell, Maxtor, Seagate, APT Technologies, Quantum и много других не менее значимых компаний.
В результате двух годичной совместной работы, первые разъемы SATA появились на системных платах в конце 2002года. Они использовались для передачи данных через сетевые устройства.
А с 2003 года последовательный интерфейс был интегрирован уже во все современные системные платы.
Чтобы визуально ощутить разницу между АТА и SATA посмотрите фото ниже.
Параллельный интерфейс АТА.
Последовательный интерфейс Serial ATA.
Новый интерфейс на программной уровне, совместим со всеми существующими аппаратными устройствами и обеспечиваем более высокую скорость передачи данных.
Как видно из фото выше 7 контактный провод имеет меньшую толщину, что обеспечивает более удобное соединение между собой различных устройств, а также позволяет увеличить количество разъемов Serial ATA на системной плате.
В некоторых моделях материнских плат их количество может достигать аж 6.
Более низкое рабочего напряжение, меньшее количество контактов и микросхем уменьшило тепловыделение устройствами. Поэтому контроллеры портов SATA не перегреваются, а это обеспечивают еще большую надежную передачу данных.
Однако к интерфейсу Serial ATA еще проблематично подключить большинство современных дисководов, поэтому все производили современных системных плат еще не отказались от интерфейса АТА (IDE).
Кабеля и разъемы
Для полноценной передачи данных через интерфейс SATA используются два кабеля.
Один, 7 контактный, непосредственно для передачи данных, и второй, 15 контактный, силовой, для подачи дополнительного напряжения.
При этом, 15 контактный, силовой кабель подключается к блоку питания, через обычный, 4-х контактный разъем выдающий два разных напряжения, 5 и 12 В.
Силовой кабель SATA выдает рабочее напряжение 3,3, 5 и 12 В, при силе тока в 4,5 А.
Ширина кабеля 2, 4 см.
Чтобы обеспечить плавный переход от АТА к SATA, в плане подключения питания, на некоторых моделях жестких дисков еще можно увидеть старые 4-х контактные разъемы.
Но как правило, современные винчестеры уже идут только с 15 контактным новым разъемом.
Кабель передачи данных Serial ATA можно подключать к винчестеру и системной плате даже при включенных последних, что нельзя было сделать в старом интерфейсе АТА.
Это достигается за счет того, что выводы заземления в районе контактов интерфейса сделаны немного длиннее, чем сигнальные и силовые.
Поэтому при подсоединении в первую очередь контактируют провода заземления, и только потом все остальные.
Тоже самое можно сказать и про силовой 15 контактный кабель.
Таблица, выводы разъема данных.
Таблица, силовой разъем Serial ATA.
Конфигурация SATA
Основное отличие конфигурации SATA от АТА это отсутствие специальных переключателей и фишек типа Master/Slave.
А также нет необходимости выбирать место подключения устройства к кабелю, ведь на кабеле АТА два таких места, и устройство, которое подключено в конце кабеля считается в BIOS главным.
Отсутствие настроек Master/Slave не только значительно упрощает аппаратную конфигурацию, но и позволяет более быстро устанавливать операционные системы, к примеру, Windows 7.
Кстати про BIOS, настройки в нем тоже не займут много времени. Вы там быстро все найдете и настроите.
Скорость передачи данных
Скорость передачи данных это один из важных параметров, для улучшение которого и был разработан интерфейс SATA.
Но этот показатель в данном интерфейсе постоянно увеличивался и сейчас скорость передачи данных может достигать до 1969 Мбайт /с. Многое зависит от поколения интерфейса SATA, а их уже 5.
Первые поколения последовательного интерфейса, версии «0», могли передать до 50 Мбайт/с, но они не прижились, так как сразу же были заменены на SATA 1.0. скорость передачи данных которых уже тогда достигала 150 Мбайт/с.
Время появления серий SATA и их возможности.
Серии:
SATA Express
В данном интерфейсе передача данных осуществляется на скорости 16 Гбит/с или 1969 Мбайт/с за счет взаимодействия двух линий PCIe Express и SATA.
Интерфейс SATA Express начал внедрятся в чипсетах Intel 9-й серии и в начале 2014 года был мало еще известен.
Если не внедрятся в дебри ИТ технологий, то в двух словах можно сказать так.
Serial ATA Express, это своеобразный переходной мост, который переводит обычный режим передачи сигналов в режиме SATA на более скоростной, который возможен благодаря интерфейсу PCI Express.
eSATA
eSATA используется для подключения внешних устройств, что еще раз подтверждает универсальность интерфейса SATA.
Здесь уже используется более надежный разъемы подключения и порты.
Недостатком является то, что для работы внешнего устройства нужен отдельный специальный кабель.
Но разработчики интерфейса в скором времени решили эту проблему внедрив систему питания сразу в основной кабель в интерфейсе eSATAp.
eSATAp
eSATAp, это доработанный интерфейс eSATA в реализации которого была использована технология USB 2.0. Основное преимущество данного интерфейса, это передача по проводам напряжения 5 и 12 Вольт.
Соответственно встречаются eSATAp 5 V и eSATAp 12 V.
Существуют и другие названия интерфейса, все зависит от производителя. Вы можете встретить аналогичные названия: Power eSATA, Power over eSATA, eSATA USB Hybrid Port (EUHP), eSATApd и SATA/USB Combo.
Как выглядит интерфейс смотрите ниже.
Совместимость кабелей.
Также для ноутбуков и нетбуков разработан интерфейс Mini eSATAp.
mSATA
mSATA – внедрен с сентября 2009 года. Разработан для использования в ноутбуках, нетбуков и других не больших ПК.
На фото выше, как пример, представлено два диска, один обычный SATA, он внизу. Выше диск с интерфейсом mSATA.
Кому интересно, можете ознакомится с характеристиками mSATA-накопителей.
Такие накопители установлены практически в каждом ультрабуке.
Интерфейс mSATA в обычных компьютерах применяется редко.
Переходник mSATA to Serial ATA Convertor.
Вывод
Из выше сказанного понятно, что интерфейс последовательной передачи данных SATA еще не исчерпал себя полностью.
Поэтому и дальше он будет развиваться и совершенствуется, удивляя нас своими возможностями в скорости передачи данных и удобством в работе.
SATA SSD, NVMe SSD и HDD: изучаем разницу в реальных приложениях
Агитировать в 2018 году за установку SSD в настольные компьютеры и ноутбуки – это как рекомендовать сменить наконец старый кнопочный Ericsson на современный смартфон. Потому что SSD (как и смартфоны) сейчас можно игнорировать только по двум причинам: вы принципиально не хотите связываться с флэш-памятью или последние 10 лет вы провели на урановых рудниках Марса, не получая вестей с Земли.
Установка SSD в старый компьютер даст ему вторую жизнь, даже если процессор разменял первый десяток, а оперативной памяти едва набралось на минимальные системные требования операционной системы. Возвращение к ПК, где ОС установлена на обычный HDD поначалу вызывает шок – кажется, что компьютер заражен вирусней и вообще работает не так, как должен. Загрузка Windows за семь секунд, мгновенная реакция на действия пользователя – это всё про SSD.
Окей, с необходимостью присутствия в системе твердотельного накопителя всё понятно, и хорошо, если в ноутбуке или ПК он был еще при покупке. А если вы только готовитесь с опозданием купить свой первый SSD, то какой накопитель выбрать? Если с магнитными жесткими дисками всё было относительно просто и понятно, то SSD за последние пять лет успели поменять и форм-факторы, и интерфейсы, а уж сколько развелось контроллеров – подумать страшно. Причем в зависимости от используемых компонентов цена на SSD с одинаковым объемом памяти может запросто отличаться в два, а то и три раза.
В этой статье мы попробуем быстро и максимально просто разобраться, стоит ли переплачивать за самые современные технологии в SSD, имеет ли смысл покупать самые скоростные диски и какой прирост производительности в реальных задачах можно получить от SSD относительно традиционных жестких дисков.
AHCI или NVMe?
Для жестких дисков был и остается актуальным интерфейс SATA 3.0 с пропускной способностью до 600 Мбайт/с – HDD до этого предела едва ли вообще когда-нибудь доберутся. SSD же не просто уткнулись в эту планку, но и благополучно ее миновали, перейдя на форм-фактор M.2 и прямое подключение к скоростной шине PCI Express. SSD в размере 2,5’’ и интерфейсом SATA выпускаются до сих пор, но исключительно в низком ценовом сегменте. Конечно, даже такой накопитель даст чумовой прирост скорости реакции компьютера после обычного HDD, но если деньги на новый диск вы собирали не по рублю с завтраков, то можно выбрать что-нибудь поновее и побыстрее. А именно, SSD в форм-факторе M.2.
Вот тут и начинается разлюли-балалайка. Дело в том, что M.2 – это типоразмер компактных накопителей, которые устанавливают в ноутбуки или монтируют прямо на материнскую плату компьютера. M.2 сам по себе не является интерфейсом, это лишь слот. Поэтому дешевый SSD в размере M.2 вполне может гонять данные через шину SATA с соответствующим скоростным ограничением в 600 Мбайт/с – этот момент лучше уточнить в характеристиках устройства перед его покупкой.
Как понять, что перед нами суперскоростный накопитель? Удостовериться, что это NVMe-диск. В отличие от AHCI-контроллеров, которыми управляются SATA-накопители, NVMe-контроллер подключает хранилище прямо к шине PCI Express. Поэтому пределом пропускной способности для NVMe-диска будут не жалкие 600 Мбайт/с, как у SATA, а в шесть раз больше – 3,94 Гбайт/с (по факту, конечно, меньше). Скорость современных NVMe-SSD уже перешагнула за 2000 Мбайт/с, поэтому эффект от перехода на новый интерфейс налицо. Помимо этого, протокол NVMe принес ряд оптимизаций для работы с SSD, например, расширенную очередь команд.
Разъем M.2 начал появляться на материнских платах, но пока еще остается атрибутом дорогих моделей, поэтому NVMe-диски часто имеют версии с дополнительной платой-переходником в комплекте, которая вставляется в обычный слот PCI Express.
Пруфы будут?
Будут. Для этого возьмем три SSD от одного производителя, отличающихся друг от друга интерфейсом, контроллерами и, соответственно, ценой. Но прогоним их через тестирование в рабочих приложениях, а не синтетических бенчмарках. Синтетика, вроде CrystalDiskMark, позволяет узнать абсолютные скоростные показатели дисков в идеальных условиях, однако в реальности нагрузка и, как следствие, скорости, бывают совсем иными. Ну а чтобы не осталось сомнений в целесообразности покупки даже самого бюджетного SSD, присовокупим к тестам один из самых быстрых HDD.
Места подопытных кроликов великодушно согласились занять три модуля производства Kingston и один жесткий диск WD. А конкретно: Kingston SM2280S3G2/240G, Kingston SA1000M8/480G, Kingston SKC1000/480G и WD Black WD10003FZEX.
SM2280S3G2/240G, несмотря на достойный для системного диска объем 240 Гбайт, является самым бюджетным решением – всего 6750 рублей в среднем. Учитывая курс валют, это и правда ВСЕГО, зато 240 гигов гарантированно хватит и для операционной системы, и для многих необходимых программ, и даже пары-тройки игр с долгой загрузкой. Еще есть варианты на 120 и 480 Гбайт. Этот SSD – как раз тот случай, когда в современном компактном форм-факторе M.2 мы получаем накопитель, работающий по шине SATA. То есть выше теоретических 600 Мбайт/с скорости мы не увидим. Заявленная скорость чтения 550 Мбайт/с и записи 330 Мбайт/с уже намекает, что здесь не пахнет NVMe.
Модель SA1000M8/480G уже насчитывает 480 Гбайт, что даже избыточно для диска C:. Грамотно распоряжаться таким объемом помогает протокол NVMe, контроллер Phison PS5008-E8 и поддержка двух линий PCI Express. То есть, это не полноценный четырехлинейный NVMe, но все равно значительно превосходящий SATA интерфейс. Даже заявленные скоростные показатели составляют 1500 Мбайт/с на чтение и 900 Мбайт/с на запись, что несравнимо выше, чем у предыдущего SSD. Kingston позиционирует эту модификацию как универсальное решение ввиду наличия сразу двух вырезов (ключей) слотов M.2 – универсального B и скоростного M.
SKC1000/480G является самым производительным SSD компании. Он построен на мощнейшем четырехъядерном контроллере Phison PS5007-E7. Вообще Phison до недавних пор считались мэйнстримовыми контроллерами с весьма средненькой производительностью, уступавшей изделиям Marvell, но внезапно компания буквально выстрелила новыми контроллерами, уложившими конкурентов на лопатки.
Kingston обещают скорость чтения до 2700 Мбайт/с и записи до 1600 Мбайт/с. А теперь поднимитесь на несколько абзацев выше и посмотрите характеристики первого в тесте SSD. Трудно представить, зачем такая скорость может вообще потребоваться – чтобы быстро перегонять данные с диска на диск, потребуется второй такой же быстрый SSD, а при обработке данных (сжатие, кодирование) уже процессор не будет успевать справляться с ними.
Примечательное, что накопители серии SKC1000 опционально поставляются с HHHL-переходником на полноразмерный PCI Express на тот случай, если в настольном компьютере не обнаружится слота M.2.
Что же до жесткого диска, то WD Black WD10003FZEX на 1 Тбайт, то он принадлежит к самой быстрой серии WD Black, отличается отличными скоростными показателями и внушительной для малого объема ценой – около 5500 рублей.
Ожидания и реальность
Именно так можно назвать результаты синтетических и более реальных тестов. Бенчи, искусственно моделирующие нагрузку, могут показывать впечатляющие цифры, тогда как при повседневном использовании накопитель поведет себя гораздо скромнее. Тем не менее, синтетика помогает оценить весь потенциал диска – если цифры хилые, то в жизни всё будет еще хуже.
Сперва прогоним стандартные бенчмарки.
WD Black WD10003FZEX
Между первым и вторым скриншотом буквально пропасть, отлично характеризующая разницу между SATA и NVMe-дисками. Что же HDD, то в тесте на чтение и запись маленьких блоков по 4 Кбайта всё совсем тоскливо. Особенно хорошо видно, как NVMe-накопители хорошо работают с очередью команд (CrystalDiskMark, строки Q32T1), обеспечивая двойной и больший отрыв от SATA-модификации. К тому же все SSD превзошли заявленные скоростные характеристики. Честность Kingston достойна уважения.
А теперь проверим диски в реальных сценариях в самых популярных отраслевых приложениях. Далеко не все из них завязаны на скорость хранилища, но всё же они демонстрируют влияние SSD на повседневную производительность.
До странного равные столбики? Отнюдь, как раз-таки очень предсказуемый финал. Дело в том, что приложения для рендеринга, кодирования или шифрования, такие как Blender, CINEBENCH, True Crypt, прежде всего утилизируют процессорную мощь, лишь понемногу загружая накопитель своими запросами. Получается, что на ту же скорость рендеринга 3D-модели быстрый SSD никак не влияет – подгруженные данные уходят в оперативную память, да там и крутятся, пока процессор трудится над визуализацией. Даже в играх установка SSD практически никак бы не повлияла на частоту кадров. Зато скорость загрузки сократилась бы в разы, если не на порядок.
Совсем другая картина наблюдается в приложениях, ведущих активное одновременное чтение и запись на диск. Это фото- и видеорендены (Premiere Pro, After Effects, Lightroom) и архиватор WinRAR. Жесткий диск явно проигрывает, не успевая одновременно вести запись и чтения ввиду особенностей работы HDD. А вот SSD совершенно побоку, что от него требуют одновременно считать и записать сразу несколько файлов – нет магнитных дисков, нет дорожек на них, нет магнитных движущихся головок, нет огромных задержек доступа к разным частям диска.
Реальные тесты выглядят не так эффектно, как дисковая синтетика, именно потому, что в жизни приложения нагружают и процессор, и накопитель, и оперативную память, и видеокарту. На загрузке Windows или тяжелых игр NVMe-SSD сказался бы крайне позитивно, а в деле 3D-моделинга пользы от него с гулькин клюв.
И как с этим жить?
Спокойно, потому что вы узнали правду, которую от вас скрывали: супербыстрые и супердорогие SSD щеголяют фантастическими скоростными показателями, но в ежедневном использовании разница с моделями попроще не так заметна. Конечно, это не значит, что SSD можно спокойно променять на емкий HDD – нельзя, потому что в первую очередь пострадает скорость случайного доступа, а вместе с ней скорость загрузки системы, приложений и реакции на действия пользователя.
Если при выборе SSD вы не руководствуетесь в первую очередь ценой, то лучше отдать предпочтение NVMe-модели с колоссальным запасом производительности, чем сэкономить тысячу рублей и получить устаревший еще несколько лет назад SATA-диск. 1500 или 2500 Мбайт/с на чтение показывает SSD – не важно, выбирайте согласно своему кошельку и предпочтениям.
Гораздо важнее стоит вопрос надежности SSD, которые имеют свойство «умирать» внезапно и без предварительных симптомов. Это одна из причин, почему лучше отдавать предпочтение брендовым накопителям с длительной гарантией и высоким временем наработки на отказ (или объемом записываемых данных). Kingston – бесспорный гранд мира флэш-памяти, который очень вовремя адаптировал для своих SSD контроллеры Phison.
Введение в SSD. Часть 2. Интерфейсная
В прошлой части цикла «Введение в SSD» мы рассказали про историю появления дисков. Вторая часть расскажет про интерфейсы взаимодействия с накопителями.
Общение между процессором и периферийными устройствами происходит в соответствии с заранее определенными соглашениями, называемыми интерфейсами. Эти соглашения регламентируют физический и программный уровень взаимодействия.
Интерфейс — совокупность средств, методов и правил взаимодействия между элементами системы.
Физическая реализация интерфейса влияет на следующие параметры:
Параллельные и последовательные порты
По способу обмена данными порты ввода-вывода делятся на два типа:
Параллельные порты, на первый взгляд, отлично масштабируются: больше сигнальных линий — больше бит передается за раз и, следовательно, выше пропускная способность. Тем не менее, из-за увеличения количества сигнальных линий между ними возникает интерференционное взаимодействие, приводящее к искажению передаваемых сообщений.
Последовательные порты — противоположность параллельным. Отправка данных происходит по одному биту за раз, что сокращает общее количество сигнальных линий, но усложняет контроллер ввода-вывода. Контроллер передатчика получает машинное слово за раз и должен передавать по одному биту, а контроллер приемника в свою очередь должен получать биты и сохранять в том же порядке.
Малое количество сигнальных линий позволяет без помех увеличивать частоту передачи сообщения.
Small Computer Systems Interface (SCSI) появился в далеком 1978 году и был изначально разработан, чтобы объединять устройства различного профиля в единую систему. Спецификация SCSI-1 предусматривала подключение до 8 устройств (вместе с контроллером), таких как:
Изначально SCSI имел название Shugart Associates System Interface (SASI), но стандартизирующий комитет не одобрил бы название в честь компании и после дня мозгового штурма появилось название Small Computer Systems Interface (SCSI). «Отец» SCSI, Ларри Баучер (Larry Boucher) подразумевал, что аббревиатура будет произноситься как «sexy», но Дал Аллан (Dal Allan) прочитал «sсuzzy» («скази»). Впоследствии произношение «скази» прочно закрепилось за этим стандартом.
В терминологии SCSI подключаемые устройства делятся на два типа:
Используемая топология «общая шина» накладывает ряд ограничений:
Устройства на шине идентифицируются по уникальному номеру, называемому SCSI Target ID. Каждый SCSI-юнит в системе представлен минимум одним логическим устройством, адресация которого происходит по уникальному в пределах физического устройства номеру Logical Unit Number (LUN).
Команды в SCSI отправляются в виде блоков описания команды (Command Descriptor Block, CDB), состоящих из кода операции и параметров команды. В стандарте описано более 200 команд, разделенных в четыре категории:
Дальнейшее усовершенствование SCSI (спецификации SCSI-2 и Ultra SCSI) расширило список используемых команд и увеличило количество подключаемых устройств до 16-ти, а скорость обмена данными по шине до 640 МБ/c. Так как SCSI — параллельный интерфейс, повышение частоты обмена данными было сопряжено с уменьшением максимальной длины кабеля и приводило к неудобству в использовании.
Начиная со стандарта Ultra-3 SCSI появилась поддержка «горячего подключения» — подключение устройств при включенном питании.
Первым известным SSD диском с интерфейсом SCSI можно считать M-Systems FFD-350, выпущенный в 1995 году. Диск имел высокую стоимость и не имел широкой распространенности.
В настоящее время параллельный SCSI не является популярным интерфейсом подключения дисков, но набор команд до сих пор активно используется в интерфейсах USB и SAS.
ATA / PATA
Интерфейс ATA (Advanced Technology Attachment), так же известный как PATA (Parallel ATA) был разработан компанией Western Digital в 1986 году. Маркетинговое название стандарта IDE (англ. Integrated Drive Electronics — «электроника, встроенная в привод») подчеркивало важное нововведение: контроллер привода был встроен в привод, а не на отдельной плате расширения.
Решение разместить контроллер внутри привода решило сразу несколько проблем. Во-первых, уменьшилось расстояние от накопителя до контроллера, что положительным образом повлияло на характеристики накопителя. Во-вторых, встроенный контроллер был «заточен» только под определенный тип привода и, соответственно, был дешевле.
ATA, как и SCSI, использует параллельный способ ввода-вывода, что отражается на используемых кабелях. Для подключения дисков с использованием интерфейса IDE необходимы 40-жильные кабели, также именуемые шлейфами. В более поздних спецификациях используются 80-жильные шлейфы: более половины из которых — заземления для уменьшения интерференции на высоких частотах.
На шлейфе ATA присутствует от двух до четырех разъемов, один из которых подключается в материнскую плату, а остальные — в накопители. При подключении двух устройств одним шлейфом, одно из них должно быть сконфигурировано как Master, а второе — как Slave. Третье устройство может быть подключено исключительно в режиме «только чтение».
Положение перемычки задает роль конкретного устройства. Термины Master и Slave по отношению к устройствам не совсем корректны, так как относительно контроллера все подключенные устройства — Slaves.
Особенным нововведением в ATA-3 считается появление Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T.). Пять компаний (IBM, Seagate, Quantum, Conner и Western Digital) объединили усилия и стандартизировали технологию оценки состояния накопителей.
Поддержка твердотельных накопителей появилась с четвертой версии стандарта, выпущенной в 1998 году. Эта версия стандарта обеспечивала скорость обмена данными до 33.3 МБ/с.
Стандарт выдвигает жесткие требования к шлейфам ATA:
Стандарт Serial ATA (SATA) был представлен 7 января 2003 года и решал проблемы своего предшественника следующими изменениями:
Шестнадцать сигнальных линий для передачи данных в ATA были заменены на две витые пары: одна для передачи, вторая для приема. Коннекторы SATA спроектированы для большей устойчивости к множественным переподключениям, а спецификация SATA 1.0 сделала возможным «горячее подключение» (Hot Plug).
Некоторые пины на дисках короче, чем все остальные. Это сделано для поддержки «горячей замены» (Hot Swap). В процессе замены устройство «теряет» и «находит» линии в заранее определенном порядке.
Чуть более, чем через год, в апреле 2004-го, вышла вторая версия спецификации SATA. Помимо ускорения до 3 Гбит/с в SATA 2.0 ввели технологию Native Command Queuing (NCQ). Устройства с поддержкой NCQ способны самостоятельно организовывать порядок выполнения поступивших команд для достижения максимальной производительности.
Последующие три года SATA Working Group работала над улучшением существующей спецификации и в версии 2.6 появились компактные коннекторы Slimline и micro SATA (uSATA). Эти коннекторы являются уменьшенной копией оригинального коннектора SATA и разработаны для оптических приводов и маленьких дисков в ноутбуках.
Несмотря на то, что пропускной способности второго поколения SATA хватало для жестких дисков, твердотельные накопители требовали большего. В мае 2009 года вышла третья версия спецификации SATA с увеличенной до 6 Гбит/с пропускной способностью.
Особое внимание твердотельным накопителям уделили в редакции SATA 3.1. Появился коннектор Mini-SATA (mSATA), предназначенный для подключения твердотельных накопителей в ноутбуках. В отличие от Slimline и uSATA новый коннектор был похож на PCIe Mini, хотя и не был электрически совместим с PCIe. Помимо нового коннектора SATA 3.1 мог похвастаться возможностью ставить команды TRIM в очередь с командами чтения и записи.
Команда TRIM уведомляет твердотельный накопитель о блоках данных, которые не несут полезной нагрузки. До SATA 3.1 выполнение этой команды приводило к сбросу кэшей и приостановке операций ввода-вывода с последующим выполнением команды TRIM. Такой подход ухудшал производительность диска при операциях удаления.
Спецификация SATA не успевала за бурным ростом скорости доступа к твердотельным накопителям, что привело к появлению в 2013 году компромисса под названием SATA Express в стандарте SATA 3.2. Вместо того, чтобы снова удвоить пропускную способность SATA, разработчики задействовали широко распространенную шину PCIe, чья скорость превышает 6 Гбит/с. Диски с поддержкой SATA Express приобрели собственный форм-фактор под названием M.2.
«Конкурирующий» с ATA стандарт SCSI тоже не стоял на месте и всего через год после появления Serial ATA, в 2004, переродился в последовательный интерфейс. Имя новому интерфейсу — Serial Attached SCSI (SAS).
Несмотря на то, что SAS унаследовал набор команд SCSI, изменения были значительные:
Максимальное количество одновременно подключенных устройств в SAS-домене по спецификации превышает 16 тысяч, а вместо SCSI ID для адресации используется идентификатор World-Wide Name (WWN).
WWN — уникальный идентификатор длиной 16 байт, аналог MAC-адреса для SAS-устройств.
Несмотря на схожесть разъемов SAS и SATA, эти стандарты не являются полностью совместимыми. Тем не менее, SATA-диск может быть подключен в SAS-коннектор, но не наоборот. Совместимость между SATA-дисками и SAS-доменом обеспечивается при помощи протокола SATA Tunneling Protocol (STP).
Первая версия стандарта SAS-1 имеет пропускную способность 3 Гбит/с, а самая современная, SAS-4, улучшила этот показатель в 7 раз: 22,5 Гбит/с.
Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express, PCIe) — последовательный интерфейс для передачи данных, появившийся в 2002 году. Разработка была начата компанией Intel, а впоследствии передана специальной организации — PCI Special Interest Group.
Последовательный интерфейс PCIe не был исключением и стал логическим продолжением параллельного PCI, который предназначен для подключения карт расширения.
PCI Express значительно отличается от SATA и SAS. Интерфейс PCIe имеет переменное количество линий. Количество линий равно степеням двойки и колеблется в диапазоне от 1 до 16.
Термин «линия» в PCIe обозначает не конкретную сигнальную линию, а отдельный полнодуплексный канал связи, состоящий из следующих сигнальных линий:
«Аппетиты» твердотельных накопителей растут очень быстро. И SATA, и SAS не успевают увеличивать свою пропускную способность, чтобы «угнаться» за SSD, что привело к появлению SSD-дисков с подключением по PCIe.
Хотя PCIe Add-In карты прикручиваются винтом, PCIe поддерживает «горячую замену». Короткие пины PRSNT (англ. present — присутствовать) позволяют удостовериться, что карта полностью установлена в слот.
Твердотельные накопители, подключаемые по PCIe регламентируются отдельным стандартом Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification и воплощены в множестве форм-факторов, но о них мы расскажем в следующей части.
Удаленные накопители
При создании больших хранилищ данных появилась потребность в протоколах, позволяющих подключить накопители, расположенные вне сервера. Первым решением в этой области был Internet SCSI (iSCSI), разработанный компаниями IBM и Cisco в 1998 году.
Идея протокола iSCSI проста: команды SCSI «оборачиваются» в пакеты TCP/IP и передаются в сеть. Несмотря на удаленное подключение, для клиентов создается иллюзия, что накопитель подключен локально. Сеть хранения данных (Storage Area Network, SAN), основанная на iSCSI, может быть построена на существующей сетевой инфраструктуре. Использование iSCSI значительно снижает затраты на организацию SAN.
У iSCSI существует «премиальный» вариант — Fibre Channel Protocol (FCP). SAN с использованием FCP строится на выделенных волоконно-оптических линиях связи. Такой подход требует дополнительного оптического сетевого оборудования, но отличается стабильностью и высокой пропускной способностью.
Существует множество протоколов для отправки команд SCSI по компьютерным сетям. Тем не менее, есть только один стандарт, решающий противоположную задачу и позволяющий отправлять IP-пакеты по шине SCSI — IP-over-SCSI.
Большинство протоколов для организации SAN используют набор команд SCSI для управления накопителями, но есть и исключения, например, простой ATA over Ethernet (AoE). Протокол AoE отправляет ATA-команды в Ethernet-пакетах, но в системе накопители отображаются как SCSI.
С появлением накопителей NVM Express протоколы iSCSI и FCP перестали удовлетворять быстро растущим требованиям твердотельных накопителей. Появилось два решения:
Протокол NVMe over Fabrics стал хорошей альтернативой iSCSI и FCP. В NVMe-oF используются волоконно-оптическая линии связи и набор команд NVM Express.
Стандарты iSCSI и NVMe-oF решают задачу подключения удаленных дисков как локальные, а компания Intel пошла другой дорогой и максимально приблизила локальный диск к процессору. Выбор пал на DIMM-слоты, в которые подключается оперативная память. Максимальная пропускная способность канала DDR4 составляет 25 ГБ/с, что значительно превышает скорость шины PCIe. Так появился твердотельный накопитель Intel® Optane™ DC Persistent Memory.
Для подключения накопителя в DIMM слоты был изобретен протокол DDR-T, физически и электрически совместимый с DDR4, но требующий специального контроллера, который видит разницу между планкой памяти и накопителем. Скорость доступа к накопителю меньше, чем к оперативной памяти, но больше, чем к NVMe.
Протокол DDR-T доступен только с процессорами Intel® поколения Cascade Lake или новее.
Заключение
Почти все интерфейсы прошли долгий путь развития от последовательного до параллельного способа передачи данных. Скорости твердотельных накопителей стремительно растут, еще вчера твердотельные накопители были в диковинку, а сегодня NVMe уже не вызывает особого удивления.
В нашей лаборатории Selectel Lab вы можете самостоятельно протестировать SSD и NVMe диски.