SATA oder Serial ATA war ein großer Erfolg, wenn es um Computerspeicherung geht. Die Standardisierung der Schnittstelle ermöglicht eine einfache Installation und Kompatibilität zwischen Computern und Speichergeräten. Das Problem ist, dass das Design der serialisierten Kommunikation an ihre Grenzen gestoßen ist, da viele Solid-State-Laufwerke durch die Leistung der Schnittstelle und nicht durch das Laufwerk begrenzt werden. Aus diesem Grund mussten neue Kommunikationsstandards zwischen einem Computer und Speicherlaufwerken entwickelt werden. Hier setzt SATA Express an, um die Leistungslücke zu schließen.
SATA- oder PCI-Express-Kommunikation
Die bestehenden SATA 3.0-Spezifikationen waren auf eine Bandbreite von nur 6,0 Gbit / s beschränkt, was etwa 750 MB / s entspricht. Jetzt mit Overhead für die Schnittstelle und allem bedeutet dies, dass die effektive Leistung auf nur 600 MB / s beschränkt war. Viele der aktuellen Generationen von Solid-State-Laufwerken haben diese Grenze erreicht und benötigen eine schnellere Schnittstelle. Die SATA 3.2-Spezifikation, an der SATA Express beteiligt ist, führte neue Kommunikationsmittel zwischen Computer und Geräten ein, indem die Geräte auswählen können, ob sie die vorhandene SATA-Methode verwenden möchten, die Abwärtskompatibilität mit älteren Geräten sicherstellen oder die schnellere PCI verwenden -Express Bus.
Der PCI-Express-Bus wird traditionell für die Kommunikation zwischen der CPU und Peripheriegeräten wie Grafikkarten, Netzwerkschnittstellen, USB-Ports usw. verwendet. Unter den aktuellen PCI-Express 3.0-Standards kann eine einzige PCI-Express-Spur bis zu 1 GB verarbeiten / s macht es schneller als die aktuelle SATA-Schnittstelle. Dies ist, was eine einzelne PCI-Express-Spur erreichen kann, aber Geräte können mehrere Spuren verwenden. Gemäß den SATA-Express-Spezifikationen kann ein Laufwerk mit der neuen Schnittstelle zwei PCI-Express-Lanes (oft als x2 bezeichnet) verwenden, um eine potenzielle Bandbreite von 2 GB / s zu erreichen, wodurch es fast dreimal so schnell ist wie die vorherigen SATA 3.0-Geschwindigkeiten.
Der neue SATA Express Connector
Nun benötigte die neue Schnittstelle auch einen neuen Stecker. Es kann etwas ähnlich aussehen, da der Connector tatsächlich zwei SATA-Datenconnectors mit einem dritten etwas kleineren Connector kombiniert, der die PCI-Express-basierte Kommunikation behandelt. Die zwei SATA-Anschlüsse sind eigentlich voll funktionsfähige SATA 3.0-Anschlüsse. Dies bedeutet, dass ein einzelner SATA Express-Anschluss an einem Computer zwei ältere SATA-Anschlüsse unterstützen kann. Das Problem tritt auf, wenn Sie ein neueres SATA Express-basiertes Laufwerk an den Connector anschließen möchten. Alle SATA Express-Anschlüsse verwenden die volle Breite, unabhängig davon, ob das Laufwerk auf der älteren SATA-Kommunikation oder dem neueren PCI-Express basiert. So kann ein SATA Express entweder zwei SATA-Laufwerke oder ein SATA Express-Laufwerk verarbeiten.
Warum verwendet ein PCI-Express-basiertes SATA-Express-Laufwerk nicht einfach den einzigen dritten Anschluss anstelle der zwei SATA-Anschlüsse? Dies hängt mit der Tatsache zusammen, dass ein SATA Express-basiertes Laufwerk beide Technologien verwenden kann. Daher muss die Schnittstelle mit beiden ausgestattet sein. Darüber hinaus sind viele SATA-Ports für die Kommunikation mit dem Prozessor mit einer PCI-Express-Spur verbunden. Durch die direkte Verwendung der PCI-Express-Schnittstelle mit einem SATA-Express-Laufwerk wird die Kommunikation zu den beiden mit dieser Schnittstelle verbundenen SATA-Anschlüssen auf jeden Fall unterbrochen.
Einschränkungen der Befehlsoberfläche
Mit SATA können Daten zwischen dem Gerät und der CPU im Computer übertragen werden. Zusätzlich zu dieser Schicht gibt es eine Befehlsschicht, die darüber hinaus ausgeführt wird, um die Befehle zu senden, auf die geschrieben und von dem Speicherlaufwerk gelesen werden soll. Dies wird seit Jahren von AHCI (Advanced Host Controller Interface) erledigt. Dies ist so standardisiert, dass es im Wesentlichen in jedes derzeit auf dem Markt befindliche Betriebssystem geschrieben wird. Dadurch werden die SATA-Laufwerke effektiv Plug-and-Play. Es sind keine zusätzlichen Treiber erforderlich. Während die Technologie mit älteren, langsameren Technologien wie Festplatten und USB-Flashlaufwerken gut funktionierte, hält sie schnellere SSDs wirklich zurück. Das Problem ist, dass die AHCI-Befehlswarteschlange zwar 32 Befehle in der Warteschlange enthalten kann, jedoch immer nur einen einzelnen Befehl gleichzeitig verarbeiten kann, da nur eine einzige Warteschlange vorhanden ist.
Hier setzt der Befehlssatz NVMe (Non-Volatile Memory Express) an. Er verfügt über insgesamt 65.536 Befehlswarteschlangen mit jeweils 65.536 Befehlen pro Warteschlange. Dies ermöglicht effektiv die parallele Verarbeitung von Speicherbefehlen zum Laufwerk. Dies ist für eine Festplatte nicht vorteilhaft, da sie aufgrund der Laufwerkköpfe immer noch effektiv auf einen einzelnen Befehl beschränkt ist. Bei Solid-State-Laufwerken mit mehreren Speicherchips kann sie jedoch ihre Bandbreite effektiv erhöhen, indem sie mehrere Befehle auf verschiedene Chips schreiben Zellen gleichzeitig.
Das hört sich toll an, aber es gibt ein Problem. Dies ist eine neue Technologie und daher nicht in die meisten auf dem Markt vorhandenen Betriebssysteme integriert. In den meisten Fällen müssen zusätzliche Treiber installiert werden, damit die Laufwerke die neue NVMe-Technologie verwenden können. Dies bedeutet, dass die Bereitstellung der schnellsten Leistung für SATA Express-Laufwerke einige Zeit in Anspruch nehmen kann, da die Software ähnlich der ersten Einführung von AHCI ausgereift sein muss. Glücklicherweise erlaubt SATA Express die Verwendung einer der beiden Methoden für Laufwerke. Sie können die neue Technologie auch jetzt mit den AHCI-Treibern verwenden und möglicherweise später auf die neueren NVMe-Standards übergehen, um die Leistung zu verbessern.
Weitere mit SATA Express über SATA 3.2-Spezifikationen hinzugefügte Funktionen
Jetzt bieten die neuen SATA-Spezifikationen mehr als nur die neuen Kommunikationsmethoden und Konnektoren. Die meisten von ihnen richten sich an mobile Computer, sie können jedoch auch von anderen nicht mobilen Computern profitieren.Die bemerkenswerteste Energiesparfunktion ist ein neuer DevSleep-Modus. Dies ist im Wesentlichen ein neuer Energiemodus, durch den Systeme im Speicher fast vollständig abgeschaltet werden können, wodurch der Stromverbrauch im Ruhemodus reduziert wird. Dies sollte dazu beitragen, die Laufzeiten spezieller Laptops einschließlich der Ultrabooks, die für SSDs entwickelt wurden, und einen niedrigen Stromverbrauch zu verbessern.
Anwender von SSHD (Solid State Hybrid Drives) werden ebenfalls von den neuen Standards profitieren, da sie neue Optimierungen vorgenommen haben. In den aktuellen SATA-Implementierungen würde der Laufwerkscontroller festlegen, welche Elemente basierend auf dem, was sie für erforderlich hält, im Cache gespeichert werden sollen und nicht. Mit der neuen Struktur könnte das Betriebssystem dem Laufwerkcontroller im Wesentlichen mitteilen, welche Elemente im Cache gespeichert werden sollen, wodurch der Aufwand für den Laufwerkcontroller reduziert und die Leistung verbessert wird.
Schließlich gibt es eine Funktion für die Verwendung mit RAID-Laufwerkseinstellungen. RAID dient unter anderem der Datenredundanz. Im Falle eines Laufwerkfehlers könnte das Laufwerk ersetzt werden, und dann werden die Daten aus den Prüfsummendaten neu aufgebaut. Im Wesentlichen haben sie einen neuen Prozess in den SATA 3.2-Standards entwickelt, der dazu beitragen kann, den Wiederherstellungsprozess zu verbessern, indem erkannt wird, welche Daten beschädigt sind und welche nicht.
Implementierung und warum hat es nicht geklappt?
SATA Express ist seit Ende 2013 ein offizieller Standard, der jedoch erst mit der Veröffentlichung der Intel H97 / Z97-Chipsätze im Frühjahr 2014 Einzug in Computersysteme gehalten hat Zum Zeitpunkt des Starts gibt es keine Laufwerke, die die neue Schnittstelle verwenden können. Dies ist wahrscheinlich auf die Probleme im Zusammenhang mit der Betriebssystemunterstützung für die neue Befehlswarteschlange zurückzuführen, um SATA Express voll auszunutzen. Zumindest ermöglichen die derzeitigen Implementierungen die Verwendung der SATA-Express-Anschlüsse mit vorhandenen SATA-Laufwerken. Dies sollte die Implementierung für diejenigen erleichtern, die die Technologie kaufen, sobald die Laufwerke verfügbar sind.
Der Grund, warum sich die Schnittstelle nicht wirklich durchgesetzt hat, liegt in der M.2-Schnittstelle. Dies wird ausschließlich für Solid-State-Laufwerke verwendet, die einen kleineren Formfaktor verwenden, der in Laptop-Computern, aber auch in Desktop-Systemen verwendet wird. Festplatten haben es immer noch schwer, die SATA-Standards zu übertreffen. M.2 ist etwas flexibler, da es nicht auf die größeren Laufwerke angewiesen ist, sondern auch vier PCI-Express-Lanes verwenden kann, was schnellere Laufwerke bedeutet als die beiden Lines von SATA Express. Zu diesem Zeitpunkt wird der SATA Express möglicherweise nie von den Verbrauchern angenommen.
