SATA Express(SATAe)解析实测：是很快但有用么？

18-3-2014 05:13 PM| 发布者: 佳礼编辑 | 评论: 4|原作者: jollygoh

摘要: 【为什么需要SATAe？】取代IDE并行接口之后， SATA串行接口就一直在不紧不慢地提速，1.5Gbps、3Gbps、6Gbps……面对机械硬盘，这一切都绰绰有余，但是这几年固态硬盘突飞猛进，SATA接口完全吃不消了。为了直 ...

【為什麼需要SATAe？】

取代IDE並行接口之後，
SATA串行接口就一直在不緊不慢地提速，1.5Gbps、3Gbps、6Gbps……面對機械硬盤，
這一切都綽綽有餘，但是這幾年固態硬盤突飛猛進，SATA接口完全吃不消了。
為了直觀地展現NAND閃存可以有多快，我們簡單計算一下。

這裡以IMFT 20nm 16GB閃存顆粒為例，每個頁面(16KB)的讀取僅需115微秒，
換算下來每個顆粒(確切地說是Die)就是大約140MB/s，
而一塊256GB的固態硬盤裡有16個這樣的顆粒，總速度就是2.2GB/s，
幾乎四倍於SATA 6Gbps的最大帶寬。

當然這都是理論上的，沒有考慮傳輸問題，
但是近年來NAND界面的進步也很神速，ONFI 3.x、Toggle 2.0的每個通道都可達400MB/s，
而多數固態硬盤都可以做到八通道，
那就是從閃存到主控制鍵的理論通道可達3.2GB/s，完全不是瓶頸。

SATA 6Gbps剛剛登場，幾乎立刻就被固態硬盤給用盡了，
SATA-IO組織也馬不停蹄地開始研究SATA 12Gbps。
繼續翻番似乎是必然的，況且企業級領域已經有了SAS 12Gbps，
但是人們很快發現，SATA 12Gbps的代價太大了。

首先是技術上非常複雜，帶寬翻倍還要向下兼容，
得花好幾年才能搞定，而且如此快速地開發下代標準成本是非常高昂的。
其次會帶來功耗上的大幅度增加，初步估計得大約10％，這絕對無法接受。

SATA-IO於是開始尋求其他出路，很快就鎖定了大行其道、效率很高的PCI-E。
PCI-E 3.0 x1、x2的理論帶寬分別有1GB/s、2GB/s，
而功耗相比SATA 6Gbps只會高出大約2％、4％。

事實上，企業級固態硬盤如今已經普遍使用PCI-E，
雖然還是PCI-E 2.0，但只需要x2、x4即可提供上述帶寬。
至此，SATA引入PCI-E已經是必然的選擇。

【SATAe到底是什麼？】
根據官方規範，SATAe是SATA 3.2標準的一部分，並不是全新的指令或者協議，
而是一個將SATA、PCI-E信號綜合在一個接口內的規範，
因此它完全兼容現有SATA設備、數據線，唯一的不同就是它可以連接PCI-E固態硬盤。

SATAe同時支持PCI-E 2.0/3.0，不過現階段它需要依賴芯片組(其實是南橋)提供PCI-E通道，
所以在Intel將芯片組擴展升級到PCI-E 3.0之前，SATAe最多只能得到PCI-E 2.0 x2，
實際可用帶寬約780MB/s，即便這也明顯高於SATA 6Gbps 515MB/s，
而一旦有了PCI-E 3.0，帶寬立馬就可以翻番達到1.5GB/s。

當然這也需要固態硬盤主控支持PCI-E 3.0。
Surface、Marvell、三星目前都是PCI-E 2.0，OCZ倒是正在開發PCI-E 3.0的。

華碩是第一個試驗SATAe接口的，之前測試用的就是華碩主板，確切地說是一個特別版的Z87 Deluxe。
這塊板子配備了兩個SATAe，其實就是四個普通的SATA加上兩個輔助接口，
平常可以安裝標準SATA設備，只有遇到了SATAe設備和數據線才有用。

華碩也提供了數據線，但表示還是樣品，最終零售版可能會有所不同，
也就是說應該不會使用現在這樣三條分開的線纜，而是整合成一條。

由於現在還沒有SATAe的設備，這條數據線兩頭是一模一樣的，
其中一端插在主板上，另一端則連接一個轉接子卡，然後才是PCI-E硬盤。
最終的數據線設備端應該和現在的SATA類似，也是數據加供電兩部分，直接插入硬盤。

需要特別注意的是，SATAe並不支持供電。

這很奇怪，PCI-E是有供電能力的，x2/x4設備最高可以有25W，SATAe卻沒有引入這一點。

具體原因沒有官方解釋，最大的可能性就是成本，
因為加入供電能力會讓數據線變得更複雜，自然更貴。
事實上，現在的SATAe數據線批發價就要大約1美元，而普通SATA數據線只需0.3美元。

因此，SATAe設備將直接從電源取電，也即是需要額外的供電輸入，
所以我們最終看到的SATAe設備端大概會是這個樣子(很大很複雜)：

注意這只是SATA-IO目前設計的草案，還沒有定型，選擇15針SATA供電還是Molex四針供電都有可能。
不管哪一種，SATAe子系統將會是這樣的(走線會很頭疼)：

【SATAe實戰：確實很快】

測試平台使用Core i7-4770K處理器(開啟Turbo Boost)、
海盜船Vengeance DDR3-1866 8GB×2內存、
海盜船RM750電源、Windows 7 64位旗艦版系統。

固態硬盤是Plextor M6e 256GB，系統接口PCI-E 2.0 x2，
主控是Marvell 88SS9183，性能標稱持續讀寫最高770MB/s、580MB/s，
那差不多正好用上PCI-E 2.0 x2的全部潛力。

此外還在SATA 6Gbps接口上插了一塊OCZ Vertex 450 256GB。
華碩主板上的倆SATAe接口一個來自Z87芯片組，另一個則來自祥碩ASM106SE主控芯片。
後者還沒有發佈，華碩也守口如瓶，不清楚具體情況。

存儲系統的結構大致是這樣的：

有四條PCI-E 2.0通道專供SATAe，支持最多倆設備(或者四個SATA 6Gbps)，此外四個獨立的SATA 6Gbps。

臨時擴展子卡，上有一個SATAe、一條PCI-E、兩個大四針供電接口。

安裝好是這樣的。黑紅線是外部時鐘用的，也是臨時的，正式的SATAe方案不需要它。

測試項目很簡單，只有倆，128KB持續讀寫，不過隊列深度加到了32，以考驗最大吞吐量環境。

持續讀取：
無論是來自芯片組的還是來自第三方主控的，
SATAe都跑出了和主板PCI-E接口完全相同的高速度，而且完全用光了PCI-E 2.0 x2的可用帶寬。

而如果單獨使用SATAe接口裡的SATA，通過芯片組的時候速度完全一樣，
但是祥碩主控的差很多，慢了足有四分之一，但是這也和祥碩此前的SATA 6Gbps主控表現基本一樣。

持續寫入：基本同上。

AnandTech表示，他們其實還做了更多測試，但是結果和這裡都是一樣的，所以就不再贅述了。( Links )

【我們真的需要SATAe麼？】
這個問題縈繞在整個測試過程中。
它的確很快，但是現在的方案完全可以做到啊。

桌面上，我們有足夠的PCI-E插槽，不需要如此麻煩地繞一大圈，
而且SATAe需要至少兩條PCI-E通道，
還得專門供給硬盤，普通的PCI-E插槽可是歡迎任何設備的。

更嚴重的是，主流桌面平台上的PCI-E通道數量並不多，
一般也就處理器16條、芯片組8條，經常還得靠橋接芯片來擴展，實在浪費不起。

普通用戶可能用不到太多PCI-E通道，
但是高端用戶很容易就不夠用，高端主板上額外的SATA、USB 3.0、以太網、聲卡、雷電可都是走PCI-E。

當然了，可以用橋接芯片來擴展，
但第一這會增加成本和複雜度，第二難以保證性能，第三兼容性也經常不好說。

或許只能期待Intel、AMD芯片組增加更多原生PCI-E通道。
對於筆記本和其他小型設備而言，
SATAe更是不靠譜，因為已經有了很迷你的M.2，SATAe這麼大個兒太難受了。

或許，唯一的用途就是在只有2.5吋硬盤位的筆記本裡升級到2.5吋的PCI-E固態硬盤。
不過迷你化的時代，M.2才是未來方向。

還有就是，OEM廠商願意接受又一種新接口麼？
2.5吋SATA、半高半長PCI-E、mSATA、M.2，已經四種很流行的固態硬盤接口方案了，
而一個新的、好處不是特別明顯的方案是很沒有吸引力的。

更多的接口就意味著更多的產品型號，
不管是設計、製造、銷售都會增加很多麻煩，特別是需要消耗更多閃存。

這一點上，M.2和PCI-E就很友好，廠商要做的只是造好M.2規格的，
有需要就通過簡單的適配轉接即可搖身變成PCI-E規格的，就像浦科特M6e。

唯一幸運的是，SandForce SF-3700新主控已經把SATA、PCI-E合二為一，OCZ等也在開發新的主控，

這樣一來廠商只需要造一個2.5吋硬盤，就可以根據需要支持SATA、PCI-E，
不過這個完全依賴主控的進展，需要很長一段時間，
而且即便是SATA/PCI-E二合一硬盤，也需要更多內部面積和更多研發資源，成本自然更高。

就目前看，SATAe的前景還是有些迷茫，
SATA-IO甚至還沒有完成全部相關規範的設計，
比如說設備供電，想看到實際產品還不定啥時候。

最糟糕的是，Intel 9系列芯片組一度說要集成支持SATAe，
但後來又取消了，這就使SATAe會推遲至少一年才能面世，到時候說不定其他接口方案已經更加優秀了。

mSATA、M.2小巧高速惹人愛

                              NVMe vs AHCI: Another Win for PCIe
      Improving performance is never just about hardware. Faster hardware can only help to reach the limits of software and ultimately more efficient software is needed to take full advantage of the faster hardware. This applies to SSDs as well. With PCIe the potential bandwidth increases dramatically and to take full advantage of the faster physical interface, we need a software interface that is optimized specifically for SSDs and PCIe.
      AHCI (Advanced Host Controller Interface) dates back to 2004 and was designed with hard drives in mind. While that doesn't rule out SSDs, AHCI is more optimized for high latency rotating media than low latency non-volatile storage. As a result AHCI can't take full advantage of SSDs and since the future is in non-volatile storage (like NAND and MRAM), the industry had to develop a software interface that abolishes the limits of AHCI.
      The result is NVMe, short for Non-Volatile Memory Express. It was developed by an industry consortium with over 80 members and the development was directed by giants like Intel, Samsung, and LSI. NVMe is built specifically for SSDs and PCIe and as software interfaces usually live for at least a decade before being replaced, NVMe was designed to be capable of meeting the industry needs as we move to future memory technologies (i.e. we'll likely see RRAM and MRAM enter the storage market before 2020).
                                                            NVMe                               AHCI
                              Latency                               2.8 µs                               6.0 µs
                              Maximum Queue Depth                               Up to 64K queues with
                              64K commands each                               Up to 1 queue with
                              32 commands each
                              Multicore Support                               Yes                               Limited
                              4KB Efficiency                               One 64B fetch                               Two serialized host
                              DRAM fetches required

      Source: Intel
      The biggest advantage of NVMe is its lower latency. This is mostly due to a streamlined storage stack and the fact that NVMe requires no register reads to issue a command. AHCI requires four uncachable register reads per command, which results in ~2.5µs of additional latency.


      Another important improvement is support for multiple queues and higher queue depths. Multiple queues ensure that the CPU can be used to its full potential and that the IOPS is not bottlenecked by single core limitation.

      Source: Microsoft

      Obviously enterprise is the biggest beneficiary of NVMe because the workloads are so much heavier and SATA/AHCI can't provide the necessary performance. Nevertheless, the client market does benefit from NVMe but just not as much. As I explained in the previous page, even moderate improvements in performance result in increased battery life and that's what NVMe will offer. Thanks to lower latency the disk usage time will decrease, which results in more time spend at idle and thus increased battery life. There can also be corner cases when the better queue support helps with performance.

      Source: Intel

      With future non-volatile memory technologies and NVMe the overall latency can be cut to one fifth of the current ~100µs latency and that's an improvement that will be noticeable in everyday client usage too. Currently I don't think any of the client PCIe SSDs support NVMe (enterprise has been faster at adopting NVMe) but the SF-3700 will once it's released later this year. Driver support for both Windows and Linux exists already, so it's now up to SSD OEMs to release compatible SSDs.