【導讀】SATA是一種基于行業標準的串行硬件驅動器接口，由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盤接口規范，現在已升級至SATA3.0,那么SATA是怎樣的發展路線，未來的SATA設備將是什么樣?如果整理一下SATA的發展路線，也許能從中找到一些線索。
SATA硬盤接口
昨天SATA-IO（串行ATA國際組織）發布了一條新聞，SATA標準接口的批準程序已經開始。這就意味著，不久之后SATA傳輸規范將有新的升級，預計最早在今年下半年就可能迎來新的規范。那么SATA是怎樣的發展路線，未來的SATA設備將是什么樣，這次變革究竟會用戶帶來哪些便利？如果整理一下SATA的發展路線，也許能從中找到一些線索。
SATA：并行與串行之爭
在2001年的時候，一種名叫ATA100的規范被ANSI(American National Standards Institute：美國國家標準學會)認證，讓對存儲有需求的用戶興奮不已。因為此前數據線的傳輸速度只有66MB/s，而一部分硬盤的內部傳輸速度已經快接近極限，這樣一旦遇到RAID等，外部傳輸速度就成為瓶頸。在后來，ATA接口的速度更是提升到了133MB/s的理論值，以進一步滿足用戶需要。
但是這種基于并行總線的傳輸技術發展已經到了極限，在ATA133之后并沒有更高規格的規范推出。同時也難以滿足用戶對性能和易用性的進一步需求。比如在一條線上安裝多個硬盤時要設置主從盤跳線、寬大的數據線不利于布線和系統散熱，不支持熱插拔讓系統不便于維護等等。從技術上來說，由于這種并行傳輸技術對于干擾缺乏良好的過濾機制，為了確保數據被正確傳輸，峰值傳輸電壓高達5V，這種方式已經讓傳輸標準失去了進一步提升性能的可能性。
圖1 SATA與PATA之爭的本質是串行與并行之爭
在ATA100通過ANSI認證的同時，由Intel、IBM、希捷等廠商牽頭，在2001年發布了另一種完全不同的數據傳輸規范，被稱為SATA1.0。這種傳輸技術在2000年被提出來，是一種從光纖傳輸衍生出來的串行傳輸技術，并在次年最終確立成為標準。與此前的PATA相比，數據線變得非常窄，安裝十分方便。同時每個存儲設備占用一條單獨通道，不必設置主從，并且具備了優秀的數據校驗和糾錯功能。更重要的是初始傳輸速度就達到了150MB/s，即使是相對于之后的ATA133來說，數據傳輸性能也已經大大超越了。因此SATA在傳輸標準競爭中處于絕對優勢，為以后的主流地位奠定了基礎。
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SATA2：開始走向成熟
現在回頭來看，SATA的出現是一個不小的進步。與之前從ATA33到ATA133的一步步傳輸性能提升相比，PATA轉換到SATA是從并行轉向串行，并不是簡單的規范升級，而是革命。但作為全新的標準，也存在一些不完善的地方，因此隨著時間的不同，會有1.0a、1.0、1.5等等逐步完善的版本。但總體上說，使用在服務器以及企業存儲設備上的時候，會出現對熱插拔支持不好、對多任務請求支持不好、高負荷下性能降低等問題。
其實在2002年，也就是SATA1規范制定的第二年，SATA2就發布了，并且對這些存在的問題進行了大規模修復，同時還增加了很多新的技術以進一步提升性能。SATA2最廣為人知的穩定版本是SATA2.5，將所有的優秀技術搜羅進來，并且規范了SATA2標識如何正確使用。
圖2 NCQ是讓硬盤大提速的實用技術
SATA2里面將傳輸速度從150MB/s提升到了300MB/s，并且增加了NCQ、端口選擇器、端口倍增器等技術。其中在性能提升上最引以為傲的就是NCQ技術，在某些情況下，通過優化算法對需要讀取的內容進行重新排序，將按照數據順序讀取改變為按照磁盤位置順序讀取，大大提升了性能。
另外對于數據線容易成為企業級存儲設備單一故障點的問題，端口選擇器允許一個硬盤占用2個SATA接口(通道)，這樣在一條線出現故障的時候切換到另一條傳輸，以確保重要業務正常運行。而端口倍增器允許一個SATA線連接兩個硬盤，提升了系統整體可以容納的存儲器數量。
更高速的SATA3已成主流
可以說SATA2是SATA接口走向成熟的一代，所有的規范都已經接近最終確定，暫時還沒有特別新的內容需要加入。目前的SATA已經升級到了3.0時代，相對于SATA2，新規范優化了NCQ的讀取機制，并且將速度提升到了600MB/s。
外部傳輸速度的升級，對于民用產品來說意義不大，因為在個人用戶的機器中磁盤內部傳輸速度才是最大的瓶頸。然而在企業級存儲領域，對存儲性能的渴求是令人發指的。不但各種高性能的磁盤陣列方案云集，并且很多磁盤本身的內部傳輸速度也都相當高，更不乏萬轉級、15000轉級的硬盤廣泛使用，一些存儲設備更是早早就提供了對SSD固態硬盤的完善支持，在這種情況下，通過磁盤產品的優化組合，很容易使原本看起來充裕的外部接口瞬間變成瓶頸，因此更高速率的規范勢在必行。
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SATA3：讓人疲勞的提速
SATA-IO組織最新的標準將會做怎樣的升級呢？先看一張最新的Intel服務器主板芯片組布局圖。
圖3 Intel最新Xeon E5平臺芯片組結構圖
在這張布局圖中我們要注意的就是SATA的部分。在芯片組中，Intel為服務器提供了4個SATA2接口和2個SATA3接口，這兩種接口分別能夠提供300MB/s和600MB/s的傳輸速度。雖然目前對于單個存儲器來說，目前還很難對這種規格造成沖擊。但是各種磁盤陣列方案，尤其是SSD的引入，讓存儲設備的內部傳輸速度能夠成倍增加，即使最新的SATA3，外部傳輸速度也能很容易成為瓶頸。這讓SATA-IO感到了壓力。SATA-IO總裁Mladen Luksic去年的采訪中，談到SATA升級問題就曾經表示，雖然雖然企業級用戶所占的市場份額并不多（企業級有太多解決方案可用了），但SATA的目標是要滿足所有情況的應用。
圖4 詭異的新接口
以往無論是ATA33/66/100/133，還是SATA1/2/3(傳輸速度分別為150/300/600)，其實都是在防止這種外部瓶頸出現而進行的升級。但是到了后SATA3時代該如何升級？這樣純粹提速的升級之路能走多遠？作為規范的制定者，SATA-IO組織權衡之后改變了這種單純提速的思路。一種看起來相似，但是又很“怪異”的接口出現了。
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后SATA時代：升級是為了不再升級
下一代SATA升級的切入點指向了另一個同樣使用串行總線的近鄰：PCI Express。先做一下科普：在主板上可以看到各種不同長度的PCI Express接口，對應了x1，x4，x8，x16四種規格。每一個x代表一條PCI Express通道，每一條PCI Express通道帶寬是固定的，硬件制造商研發產品時，根據自己產品所需要的帶寬情況，把產品設計成需要占用幾條PCI Express通道就可以了。也就是說PCI Express的帶寬純粹是用通道數量堆積起來的。
圖5 PCI Express的通道堆疊圖示
既然PCI Express可以，為什么SATA不可以？帶著這樣的思路，早在2011年下半年，一種新的理念被提了出來，叫做SATA Express。如今經過各方討論和完善，SATA Express正在逐步成型，現在正等待被SATA-IO批準使用，不出意外的話，今年年底將正式成為規范。其理念很簡單，概括來說，就是把SATA硬盤全部連接到PCI Express上去。
但是PCI Express如何與存儲設備連接呢？解決的方法是摒棄芯片組內置SATA控制器的方式，轉而將SATA控制器放到每個存儲設備上——就是讓每個SATA接口的硬盤自帶SATA控制器。這樣不論多少個設備，都會有一個自己獨占的SATA通道，外部接口速度達到600MB/s，對于單個存儲設備而言在很長一段時間內都不可能出現瓶頸。
下一步，在主板上繼續提供SATA接口，但這些SATA接口只是繼續保持SATA接口的形狀，已經不再連入主板的SATA控制器，而是直接與PCI Express通道連接。在PCI Express 2.0規格中，每個通道可以提供500MB/s帶寬，比SATA3略低。但是未來的PCI Express 3.0規格中，每個通道的帶寬將達到1GB/s，遠遠超過了SATA3規格。
即使PCI Express停留在2.0時代也沒關系，因為500MB/s是PCI Express每個通道的帶寬，如果存儲器占用2條PCI Express通道，外部傳輸速度就達到1GB/s，如果占用4條，就達到2GB/s，……以此類推，即使存儲設備的數量特別多，只要逐步增加PCI Express通道的占用量，存儲設備外部的數據傳輸也不會出現任何瓶頸。（以Xeon E5-2600為例，每顆CPU可以提供40條PCI Express通道，雙路平臺達到80條）
圖6 未來主板上的硬盤接口是這樣形狀
SATA-IO已經發布了全新的SATA Express接口規范，新的接口可以同時兼容現有的SATA存儲設備(連接到SATA控制器)以及未來的SATA Express存儲設備(連接到PCI Express總線)。
圖7 新的控制芯片幫助用戶平滑切換存儲設備
另外，根據資料顯示，一款SFF-8639的總線控制器也已經出爐，這款控制器同時支持現有的SATA設備和未來的SATA Express設備，是一種在兩種設備都存在時使用的過渡方案，可以有效幫助用戶在過渡時期切換不同規格的存儲設備。
可以看出，在一次次速度提升之后，SATA-IO最終放棄了為SATA通道進一步提速的打算，轉而憑借串行總線可以多通道連接的優勢，對主板上的閑置資源進行充分整合，以更直接更激進的方式進行提速，預計從明年開始，很長一段時間之內都看不到SATA再做任何升級了。
