Serial ATA wird als Computerspeicher verwendet. Die Standardschnittstelle ermöglicht eine einfache Installation und Kompatibilität zwischen Computern und Speichergeräten. Serialisiertes Kommunikationsdesign hat seine Grenzen erreicht, da viele Solid-State-Laufwerke eher durch die Leistung der Schnittstelle als durch das Laufwerk begrenzt sind. Neue Kommunikationsstandards zwischen einem Computer und Speicherlaufwerken namens SATA Express schließen die Lücke.
SATA- oder PCI-Express-Kommunikation
Die bestehenden SATA 3.0-Spezifikationen sind auf eine Bandbreite von 6,0 Gbit/s beschränkt, was ungefähr 750 MB/s entspricht. Mit Overhead für die Schnittstelle ist die effektive Leistung auf 600 MB/s begrenzt. Viele aktuelle Generationen von Solid-State-Laufwerken haben diese Grenze erreicht und benötigen eine schnellere Schnittstelle.
Die SATA 3.2-Spezifikation, zu der SATA Express gehört, ist ein neuer Kommunikationsstandard zwischen Computer und Geräten. Es ermöglicht Geräten, die vorhandene SATA-Methode zu wählen, um die Abwärtskompatibilität mit älteren Geräten zu gewährleisten, oder den schnelleren PCI-Express-Bus zu verwenden.
Der PCI-Express-Bus wird üblicherweise zur Kommunikation zwischen der CPU und Peripheriegeräten wie Grafikkarten, Netzwerkschnittstellen und USB-Anschlüssen verwendet. Unter den aktuellen PCI Express 3.0-Standards verarbeitet eine einzelne PCI Express-Lane bis zu 1 GB/s und ist damit schneller als die aktuelle SATA-Schnittstelle.
Geräte verwenden jedoch mehr als eine Spur. Gemäß den SATA-Express-Spezifikationen kann ein Laufwerk mit der neuen Schnittstelle zwei PCI-Express-Lanes (häufig als x2 bezeichnet) verwenden, um eine potenzielle Bandbreite von 2 GB/s zu erreichen. Diese Schnittstelle macht die Bandbreite fast dreimal so schnell wie die vorherige SATA 3.0-Hardware.
Der neue SATA-Express-Anschluss
Die neue Schnittstelle erfordert einen neuen Anschluss. Es kombiniert zwei SATA-Datenanschlüsse mit einem dritten kleineren Anschluss, der sich mit der PCI-Express-basierten Kommunikation befasst. Die beiden SATA-Anschlüsse sind voll funktionsfähige SATA 3.0-Ports. Ein einzelner SATA-Express-Anschluss an einem Computer kann zwei ältere SATA-Ports unterstützen. Alle SATA-Express-Anschlüsse nutzen die volle Breite, unabhängig davon, ob das Laufwerk auf der früheren SATA-Kommunikation oder dem neueren PCI-Express basiert. Ein SATA Express verw altet also entweder zwei SATA-Laufwerke oder ein SATA Express-Laufwerk.
Da ein SATA Express-basiertes Laufwerk beide Technologien verwenden kann, muss es mit beiden Schnittstellen verbunden sein, also verwendet es die beiden Ports anstelle eines dritten, alternativen, einen. Außerdem sind viele SATA-Ports mit einer PCI-Express-Lane verbunden, um mit dem Prozessor zu kommunizieren. Die Verwendung der PCI-Express-Schnittstelle mit einem SATA-Express-Laufwerk sch altet die Kommunikation zu den beiden mit dieser Schnittstelle verbundenen SATA-Ports aus.
Einschränkungen der Befehlsschnittstelle
SATA kommuniziert Daten zwischen dem Gerät und der CPU. Zusätzlich zu dieser Schicht läuft eine Befehlsschicht darüber. Die Befehlsschicht sendet die Befehle darüber, was auf das Speicherlaufwerk geschrieben und von ihm gelesen werden soll. Dieser Prozess wurde jahrelang vom Advanced Host Controller Interface abgewickelt. Es ist in jedes Betriebssystem geschrieben, das derzeit auf dem Markt ist, und macht die SATA-Laufwerke effektiv Plug-and-Play. Es werden keine zusätzlichen Treiber benötigt.
Während die Technologie mit älteren, langsameren Technologien wie Festplatten und USB-Flash-Laufwerken gut funktionierte, hält sie schnellere SSDs zurück. Während die AHCI-Befehlswarteschlange 32 Befehle aufnehmen kann, kann sie nur einen einzigen Befehl gleichzeitig verarbeiten, da es nur eine einzige Warteschlange gibt.
Hier kommt der Befehlssatz Non-Volatile Memory Express ins Spiel. Er verfügt über 65.536 Befehlswarteschlangen, von denen jede 65.536 Befehle pro Warteschlange aufnehmen kann. Dies ermöglicht eine parallele Verarbeitung von Speicherbefehlen an das Laufwerk. Dies ist für eine Festplatte nicht von Vorteil, da es aufgrund der Laufwerksköpfe auf einen einzigen Befehl beschränkt ist. Bei Solid-State-Laufwerken mit mehreren Speicherchips kann die Bandbreite jedoch erhöht werden, indem mehrere Befehle gleichzeitig auf verschiedene Chips und Zellen geschrieben werden.
Dies ist eine neue Technologie, die in den meisten Betriebssystemen auf dem Markt nicht integriert ist. Bei vielen Betriebssystemen müssen zusätzliche Treiber auf den Laufwerken installiert werden, damit die Laufwerke die neue NVMe-Technologie nutzen können. Die Bereitstellung der schnellsten Leistung für SATA-Express-Laufwerke kann einige Zeit dauern.
SATA Express unterstützt beide Methoden. Sie können die neue Technologie mit den AHCI-Treibern verwenden und möglicherweise später auf die neueren NVMe-Standards umsteigen, um die Leistung zu verbessern, was möglicherweise eine Neuformatierung des Laufwerks erfordert.
Weitere Funktionen in den SATA 3.2-Spezifikationen
Die neuen SATA-Spezifikationen bieten mehr als nur neue Kommunikationsmethoden und Anschlüsse. Die meisten zielen auf mobile Computer ab, können aber auch anderen nicht mobilen Computern zugute kommen.
Die bemerkenswerteste Energiesparfunktion ist der DevSleep-Modus. Es handelt sich um einen neuen Energiemodus, der es Systemen im Speicher ermöglicht, quasi in den Ruhezustand zu wechseln. Dieser Modus reduziert die Leistungsaufnahme im Energiesparmodus, um die Laufzeit spezieller Laptops zu verbessern, einschließlich der Ultrabooks, die auf SSDs und einen geringen Stromverbrauch ausgelegt sind.
Solid-State-Hybridantriebe profitieren ebenfalls von den neuen Standards, da die Standards eine Reihe neuer Optimierungen hinzugefügt haben. In den aktuellen SATA-Implementierungen bestimmt der Laufwerkscontroller, welche Elemente zwischengespeichert werden sollen und welche nicht, basierend auf dem, was er als Anforderung ansieht. Mit der neuen Struktur teilt das Betriebssystem dem Laufwerkscontroller mit, welche Elemente es im Cache h alten soll, wodurch der Overhead des Laufwerkscontrollers reduziert und die Leistung verbessert wird.
Schließlich gibt es eine Funktion zur Verwendung mit RAID-Laufwerkskonfigurationen. Ein Zweck von RAID ist die Datenredundanz. Bei einem Laufwerksausfall wird das Laufwerk ausgetauscht und die Daten aus der Prüfsumme neu aufgebaut. Ein neuer Prozess in den SATA 3.2-Standards verbessert den Wiederherstellungsprozess, indem erkannt wird, welche Daten beschädigt sind und welche nicht.
Implementierung und warum sie sich nicht sofort durchgesetzt hat
SATA Express ist seit Ende 2013 ein offizieller Standard. Bis zur Veröffentlichung der Intel H97/Z97-Chipsätze im Frühjahr 2014 hat es seinen Weg in Computersysteme nicht gefunden. Obwohl Mainboards das Neue enthielten Benutzeroberfläche wurde zum Zeitpunkt des Starts von keinem Laufwerk verwendet.
Der Grund, warum sich die Schnittstelle nicht schnell durchgesetzt hat, ist die M.2-Schnittstelle. Es wird ausschließlich für Solid-State-Laufwerke verwendet, die einen kleineren Formfaktor verwenden. Laufwerke mit Magnetplatte haben es schwer, die SATA-Standards zu übertreffen. M.2 bietet mehr Flexibilität, da es nicht auf die größeren Laufwerke angewiesen ist. Es kann auch vier PCI-Express-Lanes verwenden, was schnellere Laufwerke bedeutet als die zwei Lanes von SATA Express.
AMD hat seine Ryzen-Mikroprozessoren Anfang März 2017 herausgebracht und bringt integrierte Unterstützung für SATA Express auf die AMD Socket AM4-Plattform.
