SATA 6Gb/s 接班人 SATA Express 頻寬翻倍，解救 SSD 發展瓶頸

固態硬碟性能不斷提升，卻無法跳脫一個問題，那就是 SATA 6Gb/s 頻寬已經不敷使用。SATA-IO 考量設計難度與成本問題，改採用 PCI-Express 介面為基礎，制定出全新 SATA Express 規範。其頻寬可達8Gb/s、16Gb/s，預定最快將在今年內正式頒布，將能解決固態硬碟技術發展的燃眉之急。

時間越來越接近 6 月，一年一度的 Computex 國際電腦展也即將到來，可預期今年最受矚目產品其中之一，是 Intel 下一代處理器暨其平台 Haswell。如同以往，Intel 未來新平台規劃藍圖消息，在這時間點前已經陸續外流。Haswell 預定在 2014 年上半年，將會由 Broadwell 取而代之，其中 9 系列晶片組（Z97 、H97、……）支援 SATA Express 這點讓格外吸引人注意。

SSD 秒殺 SATA 6Gb/s 頻寬

現行 SATA 6Gb/s 介面傳輸頻寬如其名稱，由於使用 8b/10b 編碼傳輸，因此傳輸頻寬換算為 600MB/s。SATA 定位和 PATA 相同，都是針對個人用戶端設計的低成本介面，真實可用頻寬難免受到先天體質限制。SATA-IO 先前曾指出，SATA 3Gb/s（300MB/s）傳輸速度上限約為 270MB/s，SATA 6Gb/s 則是落在 570MB/s上下，即效能折損接近 10％。

SATA 6Gb/s 自 2009 年下半年起，陸續進入個人電腦平台，對於固態硬碟的普及之路幫助頗深。2010 年 Crucial 率先推出全球首款 SATA 6Gb/s 介面產品 C300，此時還看不出哪兒不對勁，但是相隔數個月之後的 2011 年，新機種傳輸速度陸續攻破 500MB/s。短短不到 2 年光景，SATA 6Gb/s 就露出頻寬不足的跡象，甚至成為固態硬碟效能發展瓶頸。

▲ 現行 SATA 6Gb/s 介面固態硬碟，能跑進 500 分（MB/s）俱樂部的，都是在壓榨傳輸介面真實可用頻寬。

SATA-IO 轉向 PCIe 架構

過去這段時間，SATA-IO 與產業界，都在尋求更高速的解決方案，甚至由廠商反向聯手推出新規範。像是以 Intel 為首的 NVM Express 與 NGFF，皆採用PCI-Express 介面做為基礎，以求突破 SATA 6Gb/s 頻寬限制。PCI-Express具有合併通道的配置彈性，以目前普遍使用的 PCI-Express 2.0 為例，合併 2 條即可得到 10GT/s（1GB/s）頻寬，較 SATA 6Gb/s 的 600MB/s高出一截。

▲ NVM Express 主要是針對工作站、伺服器應用環境開發，效能堆砌在價格上。（圖例為 PCI-Express 介面固態硬碟）

面對諸多挑戰，SATA-IO 著手研擬出 SATA Express 草案規範，同樣捨棄傳統 SATA 架構轉向採用 PCI Express 介面，會這樣遽然轉變事出必有因。推出 SATA 12Gb/s 固然是個選擇，然而在 SAS 12Gb/s 開發經驗上可看到，訊號傳遞控制、控制器設計、線材要求等，複雜性與設計難度只會墊高成本。這有違 SATA 低成本與向下相容性的核心精神，因此必須尋求其他出路，最終落腳越來越舉足輕重的 PCI-Express。

▲ NGFF 相當於 mSATA 的延伸，主要目標市場為筆電，桌機應用倒是其次。

向下相容性策略不改變

▲ 黃色為 PCIe Device 架構示意方塊圖，亦為 SATA Express 架構的代表。

SATA Express 基於 PCI-Express 3.0規範設計，核心架構為純 PCI-Express 訊號傳遞，沒有傳統 SATA 的傳輸層（transport layer）、鏈結層（link layer）等元素，不會多支香爐多隻鬼，造成訊號傳遞延遲進而影響到速度。SATA-IO 目前擬定傳輸速度分為2個版本，和通道配置具有連動關係式，8Gb/s（1GB/s）配置 1 條，而16Gb/s（2GB/s）需要動用 2 條通道。

▲ SATA Express 主控端的連接器示意圖，可設計為兼容 SATA 訊號，用來連接 2 個舊規範裝置。

相較於競爭方案，SATA Express 最大優勢是保留向下相容性，其中關鍵是連接器的型式與腳位定義。如同 USB 3.0，SATA-IO 也是在既有 SATA 連接器上，另外加入 PCI-Express 腳位來達成一定互換相容性。以其規範來說，裝置端連接起可支援 2 個 PCI-Express 通道配置設計，至於主控端相仿，而且另外可支援 2 個傳統 SATA 裝置。此外，SATA Express 和 SF-8639 多功能連接器相容，得以延伸觸角進企業儲存應用市場。

▲ 包含線材的 SATA Express 硬體示意圖。

如同 Intel 主導的方案，SATA-IO 也是和 PCI-SIG 互動合作，整個方案正在加緊研擬當中，預定今年內會發布 SATA 3.2 版本正式規範。現在Intel 率先透露將納入 Broadwell 平台內，接下來最為需要的，是 Marvell、LSI 等固態硬碟控制器加入行動。有這些廠商勇於接受採用，才有加快普及的可能性，因此 SATA Express 未來發展值得拭目以待。

▲ SATA Express 哥們 SFF-8639，企業應用介面可配置 4 條 PCI-Express 通道，提供更高傳輸頻寬。