SATA Express

Storage

30. 6. 2014

Odjakživa jsem byl fascinován úložnými technologiemi od disků přes RAID až po různé konektory. V těchto dnech se začíná poprvé objevovat SATA Express u mainstreamové platformy Intelu, tak jsem se začal zajímat o podrobnosti. A je to tolik informací, že jsem se rozhodl je shromáždit a pro přehlednost sepsat.


Úvod

Dosud jsme tu měli SATA 6Gbit pro maximální rychlosti kolem 550MB/s. Protože ale současná SSD jsou už tímto limitem omezená, je potřeba pokročit. Jednou možností by bylo opět zdvojnásobit rychlost na 12Gbit, ale to by znamenalo léta vývoje, zvýšení spotřeby a nejspíš i zkrácení maximální délky kabelů. Organizace SATA se tedy rozhodla, že nepotřebuje objevovat Ameriku, když už tady rychlejší rozhraní máme. Tím rozhraním je PCI Express (PCIe), které je součástí všech současných počítačů, je velmi rychlé, navíc škáluje s počtem linek a to při minimálním nárůstu spotřeby.
Během přechodové doby ze SATA na plně PCIe řešení tu máme SATA Express (SATAe), který umožňuje zapojit SATA nebo PCIe disk společným konektorem.

Současná situace

Nedávno uvedený chipset Intel Z97/H97 přišel s novinkou v podobě SATAe konektoru, ten se na základních deskách vyskytuje ve dvou formách:
1) M.2 - miniaturní konektor, do kterého se dá pustit buď SATA, nebo až čtyři linky (x4) PCIe.
2) SATAe - konektor standardní velikosti, do kterého se dají zapojit dva konektory SATA, nebo konektor SATAe pro dvě linky (x2) PCIe.

Naprostá většina současných základních desek obsahuje jeden konektor M.2 a jeden SATAe, které mají sdílené linky a je tedy možné mít zapojené jen jedno PCIe zařízení zároveň.
Navíc naprostá většina základních desek s M.2 konektorem nepoužívá maximální čtyři linky, ale zatím jen dvě.


nahoře M.2, dole SATAe


Konektory

Jak už jsem psal, tak současná situace je přechod ze SATA na PCIe. V současné době tedy SATAe konektor umožňuje zapojit obojí (ne zároveň) a řadič sám pozná, zda se jedná o SATA, nebo PCIe a podle toho funguje.

SATAe

Velký SATAe konektor na základních deskách fyzicky vypadá jako dva SATA konektory a tomu takový malý konektůrek vedle.

Existují dvě možnosti, jak se na tento konektor základní desky připojit.
1) Využijete běžné SATA zařízení se SATA konektorem a spojíte ho SATA kabelem s jedním ze dvou SATA konektorů na základní desce. Vzhledem k tomu, že na straně desky jsou SATA konektory dva, můžete připojit až dva SATA disky.
2) Využijete PCIe zařízení se SATAe konektorem a spojíte ho SATAe kabelem s celou trojicí konektorů na základní dese (SATA+SATA+čudlík). V takovém případě je možné použít jen jeden SATAe disk.


prototyp SATAe kabelu



M.2

M.2 je relativně nový univerzální miniaturní konektor pro přídavné karty. Není tedy omezen jen na PCIe, ale je možné pomocí něj připojit i SATA, USB, zvuk nebo třeba modul pro bezdrátovou komunikaci.

Zařízení do M.2 můžou mít několik délek od 30mm do 110mm.

U rozhraní M.2 existuje několik verzí podle zářezů (A, B, E, M, A+E, B+M), my budeme řešit jen PCIe využití pro rychlá SSD, která využívají verze B, M a B+M.
Varianta B umožňuje použít dvě linky PCIe.
Varianta M umožňuje jako jediná využití čtyř PCIe linek pro maximální rychlost.
Varianta B+M umožňuje použití dvou linek jako varianta B, ale je možné toto zařízení zasunout i do konektoru M.



SFF-8639

Cílová podoba velkého konektoru je SFF-8639. Tento konektor je již plně PCIe a není možné na něj zapojit SATA zařízení, zato jím prochází čtyři linky PCIe pro maximální rychlost a obsahuje i napájení.



PCIe

Aby byl výčet PCIe připojení kompletní, nemůžu opomenout PCIe, jak ho většina z nás zná, ve formě velkých slotů pro rozšiřující karty.
Tyto karty nejsou omezené kompaktními konektory, tak si můžeme užít i plné x16 PCIe 3.0 spojení pro teoreticky až 16GB/s.


Rychlost

Dosavadní SATA končí reálně kolem 550MB/s a proto přichází PCIe s dvěma nebo čtyřmi linkami, které navíc nemusí fungovat jen na dosud běžném PCIe 2.0, ale není problém provozovat je na dvojnásobných rychlostech PCIe 3.0 (v budoucnu snad i na dalších revizích).
Jedna linka PCIe 2.0 je schopná přenést teoreticky až 500MB/s, v současnosti běžný dvojlinkový SATAe tedy až 1GB/s (reálně viz níže). Už tato úplně základní verze SATAe tedy dosahuje rychlostí skoro dvojnásobku SATA.
Ještě rychlejší SATAe je možné vytvořit buď napojením na dvojnásobně rychlé PCIe 3.0, nebo napojením na čtyři linky PCIe 2.0, případně ještě rychlejší na čtyři linky PCIe 3.0.

SATAe řadič je u Intelu v současnosti součástí PCH (Z97/H97), který má k dispozici osm PCIe 2.0 linek, a je většinou aktivní jeden SATAe konektor s dvěma linkami PCIe 2.0.

Srovnejme si přibližný reálný maximální datový tok v závislosti na připojení:
SATA 6G = 550MB/s
PCIe 2.0, 2 linky = 800MB/s
PCIe 2.0, 4 linky = 1600MB/s
PCIe 3.0, 2 linky = 1600MB/s
PCIe 3.0, 4 linky = 3200MB/s


Software

NVMe (Non-Volatile Memory express) je způsob komunikace moderních SSD připojených přes PCIe. Tento systém využívá faktu, že má procesor přímější přístup k datovému úložišti proti dosud používanému AHCI a neobsahuje zbytečné latence, které nebyly pro běžné HDD zásadní, ale pro SSD už to zásadní je. Reálně je nyní možné pomocí NVMe proti AHCI dosáhnou snížení latencí na polovinu, v budoucnu se očekává dokonce pouhá pětina.
Navíc došlo k zásadnímu rozdílu v paralelizaci, kdy AHCI dokáže přijmout jednu frontu s 32 příkazy, zatímco NVMe umí 216 front každou s 216 příkazů. Z uživatelského pohledu naprosto nesrovnatelné.
NVMe vyžaduje ovladač, ten je již integrován ve Windows 8.1. Díky tomu je možné NVMe zařízení prostě připojit a jedete. Dosud to bez standardu fungovalo tak, že jste pro PCIe zařízení museli dodat operačnímu systému ovladač proprietární.


Zařízení

SATAe

Dostáváme se k pravé legraci. Ona totiž zatím nejsou v prodeji žádná SATAe zařízení pro koncové uživatele.
Zatím jediný produkt pro SATAe byl propagován Asus Hyper Express, který je stále ve fázi prototypu. Nejedná se navíc o nativní SATAe disk, ale je to RAID0 dvou SSD pověšený na PCIe. Tento prototyp se rychlostmi pohybuje kolem 800MB/s.
Ovšem, když už SATAe konektory v mainstreamu jsou, tak je jasné, že největší výrobci SSD začnou na trh svá řešení pumpovat v řádu měsíců.

M.2

V oblasti malých konektorů je situace kvůli nutnosti miniaturizace do ultrabooků dále a M.2 zařízení na trhu už jsou. A to nejen v SATA variantách, ale byly uvedeny už i PCIe x4 (PCIe 2.0). Současné rychlosti už přesahují 1GB/s.


512 GB Samsung XP941 M.2

SFF-8639

Čtyřlinkové PCIe rozhraní se zatím rozšiřuje jen v enterprise oblasti, kde například Samsung předvedl své 1,6TB SSD na x4 PCIe 3.0 s NVMe s rychlostí čtení až 3GB/s. Takovýchto přenosových rychlostí v současnosti můžeme jinak dosáhnout jen osmidiskovým RAID0 polem z rychlých SATA SSD na pořádném řadiči.


Závěr

Intel nám nadělil chipset s nativní podporou SATAe, ovšem zařízení pro toto rozhraní je zatím málo. Objevují se M.2 SSD a největší výrobci hlásí, že vyvíjí nativní SATAe disky. Tipuji, že během letoška budou uvedena SATAe zařízení jen v množství, které byste spočítali na prstech jedné ruky. Zajímavější to určitě bude v roce 2015, kdy už bude mít SATAe ve svých chipsetech i AMD. Postupně se také přesuneme z dvoulinkového PCIe 2.0 na dvoulinkové PCIe 3.0 a tam očekávám, že přechodové SATAe skončí a následovat bude čistě PCIe konektor (snad konečně včetně napájení ve společném kabelu).

Chcete být víc v obraze? Sledujte X-COMputers.eu na Facebooku nebo Twitteru.