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SATA Express

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SATA Express (a veces abreviado extraoficialmente como SATAe ) es una interfaz de bus de computadora que admite dispositivos de almacenamiento Serial ATA (SATA) y PCI Express (PCIe), estandarizada inicialmente en la especificación SATA 3.2 . [ 1 ] El conector SATA Express utilizado en el lado del host es retrocompatible con el conector de datos SATA estándar , [ 2 ] mientras que también proporciona dos carriles PCI Express como una conexión PCI Express pura al dispositivo de almacenamiento. [ 3 ]

En lugar de continuar con el enfoque habitual de la interfaz SATA de duplicar su velocidad nativa con cada versión principal,  la especificación SATA 3.2 incluyó el bus PCI Express para lograr velocidades de transferencia de datos superiores al límite de velocidad de SATA 3.0 de 6 Gbit/s . Los diseñadores de la interfaz SATA concluyeron que duplicar la velocidad nativa de SATA llevaría demasiado tiempo para ponerse al día con los avances en la tecnología de unidades de estado sólido (SSD), [ 4 ] requeriría demasiados cambios en el estándar SATA y resultaría en un consumo de energía mucho mayor en comparación con el bus PCI Express existente. [ 5 ] [ 6 ] Como bus de computadora ampliamente adoptado, PCI Express proporciona suficiente ancho de banda al tiempo que permite una fácil escalabilidad mediante el uso de carriles más rápidos o adicionales . [ 7 ] 

Además de admitir la interfaz de controlador de host avanzado (AHCI) heredada a nivel de interfaz lógica, SATA Express también admite NVM Express (NVMe) como interfaz de dispositivo lógico para dispositivos de almacenamiento PCI Express conectados. Si bien la compatibilidad con AHCI garantiza la retrocompatibilidad a nivel de software con dispositivos SATA heredados y sistemas operativos heredados , NVM Express está diseñado para aprovechar al máximo los dispositivos de almacenamiento PCI Express de alta velocidad, sacando partido de su capacidad para ejecutar muchas operaciones de E/S en paralelo . [ 8 ]

Historia

Dos conectores SATA Express (gris claro) en la placa base de un ordenador ; a su derecha se encuentran los conectores SATA comunes (gris oscuro).

La interfaz Serial ATA ( SATA ) fue diseñada principalmente para la conexión con discos duros (HDD), duplicando su velocidad nativa con cada revisión importante: las velocidades máximas de transferencia SATA pasaron de 1,5  Gbit/s en SATA 1.0 (estandarizado en 2003), a 3  Gbit/s en SATA 2.0 (estandarizado en 2004), a 6  Gbit/s como lo proporciona SATA 3.0 (estandarizado en 2009). [ 9 ] SATA también ha sido seleccionada como la interfaz para las unidades de estado sólido ( SSD ) cada vez más adoptadas, pero la necesidad de una interfaz más rápida se hizo evidente a medida que la velocidad de las SSD y las unidades híbridas aumentó con el tiempo. [ 5 ] Por ejemplo, algunas SSD disponibles a principios de 2009 ya superaban con creces las capacidades de SATA  1.0 y se acercaban a la  velocidad máxima de transferencia de SATA 2.0, [ 10 ] mientras que en la segunda mitad de 2013 las SSD de gama alta para consumidores ya habían alcanzado el  límite de velocidad de SATA 3.0, lo que requería una interfaz aún más rápida. [ 11 ] [ 12 ]

Al evaluar diferentes enfoques para el aumento de velocidad requerido, los diseñadores de la interfaz SATA concluyeron que extender la interfaz SATA para duplicar su velocidad nativa a 12  Gbit/s requeriría más de dos años, lo que hacía que ese enfoque no fuera adecuado para ponerse al día con los avances en la tecnología SSD. [ 4 ] Al mismo tiempo, aumentar la velocidad nativa de SATA a 12  Gbit/s requeriría demasiados cambios en el estándar SATA, lo que resultaría en una solución más costosa y menos eficiente energéticamente en comparación con el bus PCI Express, ya disponible y ampliamente adoptado. Por lo tanto, los diseñadores de la interfaz SATA seleccionaron PCI Express, como parte de la revisión SATA 3.2 que se estandarizó en 2013; extender la especificación SATA para proporcionar también una interfaz PCI Express dentro del mismo conector retrocompatible permitió velocidades mucho más rápidas al reutilizar la tecnología ya existente. [ 6 ] [ 13 ]

Algunos proveedores también utilizan interfaces lógicas propietarias para sus productos de almacenamiento basados ​​en memoria flash , conectados a través del bus PCI Express. Dichos productos de almacenamiento pueden utilizar un enlace PCI Express de múltiples carriles, mientras interactúan con el sistema operativo a través de controladores propietarios e interfaces de host. [ 14 ] [ 15 ] Además, a partir de junio de 2014 Existen productos de almacenamiento similares que utilizan NVM Express como interfaz lógica no propietaria para una tarjeta de expansión PCI Express. [ 16 ]

Disponibilidad

La compatibilidad con SATA Express se anunció inicialmente para los chipsets Intel Serie 9, los concentradores de controlador de plataforma (PCH) Z97 y H97 , ambos compatibles con los procesadores Intel Haswell y Haswell Refresh ; la disponibilidad de estos dos chipsets estaba prevista para 2014. [ 17 ] [ 18 ] En diciembre de 2013, Asus presentó un prototipo de placa base " Z87 -Deluxe/SATA Express" basado en el chipset Intel Z87, compatible con procesadores Haswell y que utiliza un controlador ASMedia adicional para proporcionar conectividad SATA Express; esta placa base también se mostró en el CES 2014, aunque no se anunció ninguna fecha de lanzamiento. [ 19 ] [ 20 ]

En abril de 2014, Asus también demostró compatibilidad con el llamado reloj de referencia separado con sincronización de espectro ensanchado independiente (SRIS) en algunos de sus prototipos de hardware SATA Express. SRIS elimina la necesidad de un blindaje complejo y costoso en los cables SATA Express necesarios para transmitir señales de sincronización PCI Express, al proporcionar un generador de reloj independiente en el dispositivo de almacenamiento con soporte adicional del firmware de la placa base . [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]

En mayo de 2014, se lanzaron los chipsets Intel Z97 y H97, que ofrecían compatibilidad con SATA Express y M.2 , una especificación para dispositivos de almacenamiento flash en forma de tarjetas de expansión internas . Los chipsets Z97 y H97 utilizan dos carriles PCI Express 2.0 para cada uno de sus puertos SATA Express, proporcionando un ancho de banda de 1 GB/s a los dispositivos de almacenamiento PCI Express. [ 18 ] [ 24 ] [ 25 ] El lanzamiento de estos dos nuevos chipsets, destinados principalmente a ordenadores de sobremesa de gama alta, fue seguido poco después por la disponibilidad de placas base basadas en Z97 y H97. [ 26 ] [ 27 ] 

A finales de agosto de 2014, se lanzó el chipset Intel X99  , que incorporó compatibilidad con SATA Express y M.2 a la plataforma de Intel para entusiastas. Cada puerto SATA Express del X99 requiere dos líneas PCI Express 2.0 proporcionadas por el chipset, mientras que las ranuras M.2 pueden usar dos líneas 2.0 del propio chipset o hasta cuatro líneas 3.0 tomadas directamente de la CPU LGA 2011-v3 . Como resultado, el X99 proporciona anchos de banda de hasta 3,94 GB/s para dispositivos de almacenamiento PCI Express conectados. Tras el lanzamiento del chipset X99, se comercializaron numerosas placas base basadas en X99. [ 28 ] 

A principios de marzo de 2017, AMD Ryzen estuvo disponible, brindando soporte nativo para SATA Express a la plataforma AMD Socket AM4 , mediante el uso de sus chipsets X370, X300, B350, A320 y A300. Ryzen también admite dispositivos de almacenamiento M.2 y otros tipos de PCI Express, utilizando hasta un total de ocho  carriles PCI Express 3.0 proporcionados por el chipset y la CPU AM4. [ 29 ] Como resultado, Ryzen proporciona anchos de banda de hasta 7,88  GB/s para dispositivos de almacenamiento PCI Express conectados.

Como formato, SATA Express se considera un estándar fallido , ya que cuando se introdujo, también se lanzaron los estándares M.2 y NVMe , que alcanzaron mucha más popularidad que Serial ATA y SATA Express. No se lanzaron muchos dispositivos de almacenamiento para el consumidor que utilizaran la interfaz SATA Express, y los puertos SATA Express desaparecieron rápidamente de las nuevas placas base.

Características

Descripción general de alto nivel de la arquitectura de software SATA Express, que admite dispositivos de almacenamiento SATA heredados y PCI Express, con AHCI y NVMe como interfaces de dispositivos lógicos [ 8 ] : 4

La interfaz SATA Express admite dispositivos de almacenamiento PCI Express y SATA al exponer dos  carriles PCI Express 2.0 o 3.0 y dos puertos SATA  3.0 (6  Gbit/s) a través del mismo conector SATA Express del host (pero no ambos simultáneamente). Los carriles PCI Express expuestos proporcionan una conexión PCI Express pura entre el host y el dispositivo de almacenamiento, sin capas adicionales de abstracción de bus . [ 3 ] [ 6 ] La especificación SATA revisión 3.2 , en su versión final a partir de agosto de 2013 , estandariza el SATA Express y especifica su diseño de hardware y parámetros eléctricos. [ 1 ] [ 30 ]

La elección de PCI Express también permite aumentar el rendimiento de la interfaz SATA Express mediante el uso de múltiples carriles y diferentes versiones de PCI Express. En detalle, el uso de dos  carriles PCI Express 2.0 proporciona un ancho de banda total de 1000  MB/s (tasa de datos sin procesar de 2  × 5 GT /s y codificación 8b/10b ), mientras que el uso de dos carriles PCI Express 3.0 proporciona 1969 MB/s (tasa de datos sin procesar de 2 × 8 GT/s y codificación 128b/130b ). [ 3 ] [ 7 ] En comparación, el ancho de banda sin procesar de 6 Gbit/s de SATA 3.0 equivale efectivamente a 600 MB/s (tasa de datos sin procesar de 6 GT/s y codificación 8b/10b).       

Hay tres opciones disponibles para las interfaces de dispositivos lógicos y los conjuntos de comandos utilizados para la interfaz con dispositivos de almacenamiento conectados a un controlador SATA Express: [ 6 ] [ 8 ]

SATA heredado
Se utiliza para garantizar la compatibilidad con versiones anteriores de dispositivos SATA y se conecta mediante el controlador AHCI y los puertos SATA  3.0 (6  Gbit/s) heredados proporcionados por un controlador SATA Express.
PCI Express mediante AHCI
Se utiliza para unidades SSD PCI Express y se interconecta mediante el controlador AHCI , proporcionando carriles PCI Express y ofreciendo compatibilidad con versiones anteriores gracias al amplio soporte SATA en los sistemas operativos, aunque a costa de no ofrecer un rendimiento óptimo al usar AHCI para acceder a las unidades SSD PCI Express. AHCI se desarrolló en una época en la que el propósito de un adaptador de bus de host (HBA) en un sistema era conectar el subsistema de CPU/memoria con un subsistema de almacenamiento mucho más lento basado en medios magnéticos rotatorios ; como resultado, AHCI presenta algunas ineficiencias inherentes cuando se aplica a dispositivos SSD, que se comportan mucho más como DRAM que como medios giratorios.
PCI Express mediante NVMe
NVMe , utilizado para unidades SSD PCI Express y con interfaz a través del controlador NVMe y carriles PCI Express proporcionados, funciona como una interfaz de controlador de host de alto rendimiento y escalable, diseñada y optimizada específicamente para la interfaz con unidades SSD PCI Express. NVMe se ha diseñado desde cero, aprovechando la baja latencia y el paralelismo de las unidades SSD PCI Express, y complementando el paralelismo de las CPU, plataformas y aplicaciones actuales. En términos generales, las principales ventajas de NVMe sobre AHCI radican en su capacidad para explotar el paralelismo en el hardware y software del host, gracias a sus ventajas de diseño, que incluyen transferencias de datos con menos etapas, mayor profundidad de las colas de comandos y un procesamiento de interrupciones más eficiente .

Conectores

El conector SATA Express del lado del host, conocido formalmente como "conector de host", acepta cables de datos SATA Express y SATA estándar heredados. [ 13 ] [ 31 ]

Los conectores utilizados para SATA Express se seleccionaron específicamente para garantizar la retrocompatibilidad con dispositivos SATA heredados siempre que fuera posible, sin necesidad de adaptadores o convertidores adicionales. [ 2 ] El conector del lado del host acepta una unidad SSD PCI Express o hasta dos dispositivos SATA heredados, proporcionando carriles PCI Express o  puertos SATA 3.0 según el tipo de dispositivo de almacenamiento conectado. [ 13 ]

Hay cinco tipos de conectores SATA Express, que se diferencian por su posición y propósito: [ 2 ]

  • El conector host se utiliza en placas base y controladores adicionales. Este conector es compatible con versiones anteriores , ya que acepta cables de datos SATA estándar antiguos, lo que permite la conectividad de hasta dos dispositivos SATA.
  • El conector del cable host es el conector del lado del host en los cables SATA Express. Este conector no es compatible con versiones anteriores.
  • El conector del cable del dispositivo es el conector del lado del dispositivo en los cables SATA Express, compatible con versiones anteriores al aceptar un dispositivo SATA.
  • El conector del dispositivo se utiliza en dispositivos SATA Express. Este conector es parcialmente compatible con versiones anteriores, ya que permite conectar dispositivos SATA Express a placas base U.2 [ 32 ] [ a ] o a receptáculos MultiLink SAS ; [ b ] sin embargo, un dispositivo SATA Express conectado de esa manera solo funcionará si el host admite dispositivos PCI Express.
  • El conector host se utiliza en placas base para la conexión directa con dispositivos SATA Express, lo que permite conexiones inalámbricas. Este conector es compatible con versiones anteriores, ya que admite un único dispositivo SATA.

Los conectores SATA Express mencionados anteriormente ofrecen solo dos carriles PCI Express, como resultado de un diseño general centrado en una transición rápida a una plataforma de bajo costo. Esta elección facilitó la compatibilidad con versiones anteriores de dispositivos SATA, además de permitir el uso de cables sin blindaje más económicos. (Datos de marzo de 2015) Algunos dispositivos NVM Express en forma de unidades de 2,5 pulgadas utilizan el conector U.2 (originalmente conocido como SFF-8639 , cuyo nombre cambió en junio de 2015 [ 33 ] ), [ 35 ] [ 36 ] que se espera que tenga una mayor aceptación. El conector U.2 es mecánicamente idéntico al conector del dispositivo SATA Express, pero proporciona cuatro carriles PCI Express mediante un uso diferente de los pines disponibles. [ 32 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]

La tabla que aparece a continuación resume la compatibilidad de los conectores implicados.

Compatibilidad

La retrocompatibilidad a nivel de dispositivo para SATA Express está garantizada por el soporte completo de los dispositivos de almacenamiento SATA  3.0 (6  Gbit/s) heredados, tanto a nivel eléctrico como a través del soporte del sistema operativo requerido . Mecánicamente, los conectores en el lado del host mantienen su retrocompatibilidad de manera similar a como lo hace USB 3.0 : el nuevo conector SATA Express del lado del host se crea "apilando" un conector adicional sobre dos conectores de datos SATA estándar heredados, que son puertos SATA 3.0 (6 Gbit/s) regulares que pueden aceptar dispositivos SATA heredados. [ 2 ] [ 13 ] Esta retrocompatibilidad del conector SATA Express del lado del host, que se conoce formalmente como conector de host, garantiza la posibilidad de conectar dispositivos SATA heredados a hosts equipados con controladores SATA Express.   

La retrocompatibilidad a nivel de software, proporcionada para sistemas operativos heredados y controladores de dispositivos asociados que pueden acceder solo a dispositivos de almacenamiento SATA, se logra manteniendo la compatibilidad con la interfaz del controlador AHCI como una interfaz de dispositivo lógico heredada, tal como se ve desde la perspectiva del sistema operativo. El acceso a dispositivos de almacenamiento que utilizan AHCI como interfaz de dispositivo lógico es posible tanto para SSD SATA como para SSD PCI Express, por lo que los sistemas operativos que no brindan compatibilidad con NVMe pueden configurarse opcionalmente para interactuar con dispositivos de almacenamiento PCI Express como si fueran dispositivos AHCI heredados. [ 8 ] Sin embargo, debido a que NVMe es mucho más eficiente que AHCI cuando se usa con SSD PCI Express, la interfaz SATA Express no puede ofrecer su máximo rendimiento cuando se usa AHCI para acceder a dispositivos de almacenamiento PCI Express; consulte más arriba para obtener más detalles.

Véase también

Notas

  1. 1 2 El conector U.2 se conocía originalmente como SFF-8639, y el cambio de nombre tuvo lugar en junio de 2015. [ 33 ]
  2. 1 2 El receptáculo MultiLink SAS también se conoce como conector SFF-8630. [ 34 ]
  3. 1 2 El conector del dispositivo SATA Express se acopla con los conectores U.2 (SFF-8639) y SAS MultiLink (SFF-8630), pero solo funcionará si el host admite dispositivos PCI Express.
  4. 1 2 El conector del dispositivo SATA se acopla con los conectores U.2 (SFF-8639) y SAS MultiLink (SFF-8630), pero solo funcionará si el host admite dispositivos SATA.

Referencias

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