Seriële ATA wordt gebruikt voor computeropslag. De standaardinterface zorgt voor een eenvoudige installatie en compatibiliteit tussen computers en opslagapparaten. Het ontwerp van geserialiseerde communicatie heeft zijn grenzen bereikt, met veel solid-state schijven die worden beperkt door de prestaties van de interface in plaats van de schijf. Nieuwe communicatiestandaarden tussen een computer en opslagstations, SATA Express genaamd, vullen de leemte op.
SATA- of PCI Express-communicatie
De bestaande SATA 3.0-specificaties zijn beperkt tot een bandbreedte van 6,0 Gbps, wat neerkomt op ongeveer 750 MB/s. Met overhead voor de interface zijn de effectieve prestaties beperkt tot 600 MB/s. Veel huidige generaties solid-state schijven hebben deze limiet bereikt en hebben een snellere interface nodig.
De SATA 3.2-specificatie, waar SATA Express deel van uitmaakt, is een nieuwe communicatiestandaard tussen de computer en apparaten. Hiermee kunnen apparaten de bestaande SATA-methode kiezen, waardoor achterwaartse compatibiliteit met oudere apparaten wordt gegarandeerd, of de snellere PCI Express-bus gebruiken.
De PCI Express-bus wordt vaak gebruikt om te communiceren tussen de CPU en randapparatuur, zoals grafische kaarten, netwerkinterfaces en USB-poorten. Onder de huidige PCI Express 3.0-standaarden kan een enkele PCI Express-lane tot 1 GB/s aan, waardoor het sneller is dan de huidige SATA-interface.
Apparaten gebruiken echter meer dan één rijstrook. Volgens de SATA Express-specificaties kan een schijf met de nieuwe interface twee PCI Express-lanes (vaak x2 genoemd) gebruiken om een potentiële bandbreedte van 2 GB/s te bereiken. Deze interface maakt de bandbreedte bijna drie keer zo snel als de vorige SATA 3.0-hardware.
De nieuwe SATA Express-connector
De nieuwe interface vereist een nieuwe connector. Het combineert twee SATA-gegevensconnectoren met een derde kleinere connector, die zich bezighoudt met de PCI Express-gebaseerde communicatie. De twee SATA-connectoren zijn volledig functionele SATA 3.0-poorten. Een enkele SATA Express-connector op een computer kan twee oudere SATA-poorten ondersteunen. Alle SATA Express-connectoren gebruiken de volledige breedte, of de schijf nu is gebaseerd op de eerdere SATA-communicatie of de nieuwere PCI-Express. Eén SATA Express kan dus twee SATA-schijven of één SATA Express-schijf aan.
Omdat een op SATA Express gebaseerde schijf beide technologieën kan gebruiken, moet hij met beide communiceren, dus gebruikt hij de twee poorten in plaats van een derde, alternatieve. Ook zijn veel SATA-poorten gekoppeld aan een PCI Express-baan om met de processor te communiceren. Als u de PCI Express-interface gebruikt met een SATA Express-schijf, wordt de communicatie met de twee SATA-poorten die aan die interface zijn gekoppeld, uitgeschakeld.
Beperkingen van de opdrachtinterface
SATA communiceert gegevens tussen het apparaat en de CPU. Naast deze laag loopt er een commandolaag bovenop. De opdrachtlaag verzendt de opdrachten over wat te schrijven naar en te lezen van het opslagstation. Jarenlang werd dit proces afgehandeld door de Advanced Host Controller Interface. Het is geschreven in elk besturingssysteem dat momenteel op de markt is, waardoor de SATA-schijven effectief plug-and-play zijn. Er zijn geen extra stuurprogramma's nodig.
Hoewel de technologie goed werkte met oudere, langzamere technologie zoals harde schijven en USB-flashstations, houdt het snellere SSD's tegen. Hoewel de AHCI-opdrachtwachtrij 32 opdrachten kan bevatten, kan deze slechts één opdracht tegelijk verwerken omdat er maar één wachtrij is.
Hier komt de Non-Volatile Memory Express-commandoset om de hoek kijken. Het beschikt over 65.536 commandowachtrijen, elk met de mogelijkheid om 65.536 commando's per wachtrij vast te houden. Dit maakt parallelle verwerking van opslagopdrachten naar de schijf mogelijk. Dit is niet gunstig voor een harde schijf, omdat het vanwege de schijfkoppen beperkt is tot een enkele opdracht. Voor solid-state schijven met meerdere geheugenchips kan het echter de bandbreedte vergroten door meerdere opdrachten tegelijkertijd naar verschillende chips en cellen te schrijven.
Dit is nieuwe technologie en is niet ingebouwd in de meeste besturingssystemen op de markt. Veel besturingssystemen hebben extra stuurprogramma's nodig die in de schijven zijn geïnstalleerd, zodat de schijven de nieuwe NVMe-technologie kunnen gebruiken. Implementatie van de snelste prestaties voor SATA Express-schijven kan enige tijd duren.
SATA Express ondersteunt een van de twee methoden. U kunt de nieuwe technologie gebruiken met de AHCI-stuurprogramma's en mogelijk later overstappen op de nieuwere NVMe-standaarden voor betere prestaties, waarbij de schijf mogelijk opnieuw moet worden geformatteerd.
Andere functies in de SATA 3.2-specificaties
De nieuwe SATA-specificaties voegen meer toe dan de nieuwe communicatiemethoden en connectoren. De meeste zijn gericht op mobiele computers, maar kunnen andere niet-mobiele computers ten goede komen.
De meest opvallende energiebesparende functie is de DevSleep-modus. Het is een nieuwe energiemodus waarmee systemen in de opslag in quasi-slaapstand kunnen gaan. Deze modus vermindert het stroomverbruik in de slaapstand om de looptijd van speciale laptops te verbeteren, inclusief de Ultrabooks die zijn ontworpen rond SSD's en een laag stroomverbruik.
Solid-state hybride schijven profiteren ook van de nieuwe normen, aangezien de normen een nieuwe reeks optimalisaties hebben toegevoegd. In de huidige SATA-implementaties bepa alt de schijfcontroller welke items wel en niet in de cache moeten worden opgeslagen op basis van wat hij ziet gevraagd. Met de nieuwe structuur vertelt het besturingssysteem de drivecontroller welke items het in de cache moet hebben, wat de overhead op de drivecontroller vermindert en de prestaties verbetert.
Ten slotte is er een functie voor gebruik met RAID-schijfopstellingen. Een van de doelen van RAID is gegevensredundantie. In het geval van een schijfstoring, wordt de schijf vervangen en worden de gegevens opnieuw opgebouwd op basis van de controlesom. Een nieuw proces in de SATA 3.2-standaarden verbetert het wederopbouwproces door te herkennen welke gegevens beschadigd zijn en welke niet.
Implementatie en waarom het niet meteen aansloeg
SATA Express is sinds eind 2013 een officiële standaard. Het kwam pas in de computersystemen terecht met de release van de Intel H97/Z97-chipsets in het voorjaar van 2014. Hoewel moederborden de nieuwe interface, geen schijven gebruikt op het moment van lancering.
De reden dat de interface niet snel aansloeg, is de M.2-interface. Het wordt uitsluitend gebruikt voor solid-state schijven die een kleinere vormfactor gebruiken. Magnetische schijven hebben het moeilijk om de SATA-normen te overtreffen. M.2 heeft meer flexibiliteit omdat het niet afhankelijk is van de grotere schijven. Het kan ook vier PCI Express-lanes gebruiken, wat snellere schijven betekent dan de twee lanes van SATA Express.
AMD bracht begin maart 2017 zijn Ryzen-microprocessors uit, waardoor ingebouwde ondersteuning voor SATA Express naar het AMD Socket AM4-platform werd gebracht.
