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为什么不出SATA4?

 金刚光 2023-08-20 发布于辽宁


搜了一下,压根没看到相关问题和回答,所以来问一下。
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38 个回答

沈万马
编程话题下的优秀答主

直接原因简单说就是SATA的物理接口已经被榨干净了。印象里,SATA3的物理链路理论上最大承载能力是~8Gbps,当然可以上很多高级手段来大大提高,但这基本上意味着需要做一套新的PHY。

做全新的PHY的一个替代选择则是换别的PHY。如果开始考虑换PHY的话……剩下的事情就是一种很经典的工程笑话了。比如说,用PCIe来传输可好?成熟稳定并且可以直接接入现行主流CPU的数据总线。那么既然换了PHY,那软件层面也应当作出一些改变,尽量和PHY解耦,并且兼容未来,应该在继承ATA的核心思想的前提下兼容固态、半静态等媒体,直接兼容目前人类所知的所有Non-Volatile Memory好了。最后,既然PHY换成了PCIe,软件层面解耦了,那也就是说物理接口可以相当随便,所有兼容PCIe的都可以用了,比如普通的PCIe接口,或者M.2、U.2、U.3之类的新兴接口………咦?

这特么不就是NVMe了么…


当然如果单纯考虑更新PHY而不替换,也不是完全不行,只是这样的升级意义很小。全新开发一套PHY很显然就要面临一个关键问题——为什么不直接换成NVMe。在这个前提下,新的PHY必须拥有某些特性远超NVMe,不然无法证明自身的存在意义。然而不幸的是SATA本身存在价值都很稀薄了,现在USB都能和它分庭抗礼,即便新的SATA PHY能做出什么精彩绝伦的东西,也不太会有人愿意去做这件事。

而且,实际上之前SATA就尝试了只把PHY换成PCIe,搞出了SATA Express。这个接口就面临了之前的笑话里的真实的问题——如果PHY换了,却不搞别的升级,成本会很高,于是推广困难。

为什么不出SATA4?

因为已经出过了,只不过接口设计的贼失败,导致没人用。

SATA3的下一代接口叫SATA Express,Z97时代的产物。

SATA Express接口
SATA Express接头

这个接口本质上就是两个SATA3接口加一个PCIEX2,可以合起来用也可以分着用。

SATA-E接口之所以没有大范围推广,是因为他遇到了一个十分强力的对手,即M.2接口。

使用nvme协议的M.2接口无论在哪个方面都远超SATA-E,再加上SATA-E普及过晚,使用SATA-E接口的存储设备几乎买不到。

因此SATA-E在家用领域算是彻底失败了。

十年前SATA曾经将辉煌一时的IDE接口拉下神坛,现在长江后浪推前浪,历史又再一次重演,只是角色互换了位置。

当年SATA能将IDE淘汰,靠的是先进的串行传输机制,如今也落后于时代,尤其是ahci协议并不适合固态硬盘,就算使用PCIE方案,依旧无力回天。

SATA工作组应该也意识到接口的缺陷,所以自从2016年以后再也没有发布过新版本,估计以后再也没有新SATA了。

科技在发展,时代在进步,老旧事物被新生事物所取代是必然的结局,SATA接口的衰落,标志着一个时代即将落幕。

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可能是,没啥必要吧……

SATA3诞生于10年前,可能具体时间还要更早,其技术已经非常成熟。限制SATA发展的不仅仅是接口的最高传输速率,其较低的IO队列数量和队列深度,使其并不适合当今高性能的应用场景。放一张AHCI协议与NVMe协议的对比图,SATA的最高IO队列数量为1,最高队列深度为32,对比PCIe的65535度列数量以及每队列64K深度,相差天差地别。

这直接影响了硬盘的4K随机性能,如,SATA SSD最高4K随机性能可以到几万,而PCIe SSD(NVMe SSD)的4K随机性能已经高达百万以上,即使是2011年最早出现的PCIe SSD PBlaze1,其4K随机也已经达到了40万 IOPS。

而回到机械硬盘,受其工作原理,磁头寻道等机械运动因素限制,机械硬盘的4K随机性能,恐怕只有几十到几百……

因此,对于更加注重性能的应用场景,则一般使用基于PCIe接口的SSD,也就是今天我们熟知的NVMe SSD。

回到问题本身,即使推出SATA4,速度翻倍,达到12Gbps,对于随机性能的提升,也几乎没有帮助,只是最大顺序传输速度提升了而已。而这个场景,和SAS 12Gbps、PCIe又都有重合,更何况PCIe性能更强。

安德鲁橙
老头子数码玩家和DIYer

如果说SATA的技术演进本身,那SATA3后面的就是SATA Express,这属于"官方版"的“下一个版本”。但即便是SATA Express,也已经是十年前发布的了。

之所以这个接口更新、演进的慢,主要原因有两个:

  • 现有的接口形态和性能满足了基本需求
  • 新的接口被其他接口替代

现在咱们日常使用的主板上,除了RAM的插槽以外,哪个的性能最强?自然是PCIe,所以当一个接口形态可以用上PCIe通道的时候,基本都不太需要自己再在协议上去费劲。

SATA最主要接的东西,就是机械硬盘,但是机械硬盘其实从SATA2接口开始,对接口的需求就已经极其的小,毕竟也就百八十MB/s的速度,连续读写和4K都没啥大的改进,要什么新接口?SATA3 已经是6Gb/s,b=bit,换算成MB,就是差不多理论700MB/s。

一开始机械硬盘确实远用不到SATA3的瓶颈,但是后来有了固态硬盘,嗖嗖的就把接口带宽用到了顶。那怎么办呢?两个办法:更新老的SATA接口和换别的接口。

于是SATA Express应运而生。因为有了PCIe通道(PCIe×2),所以SATA Express的带宽达到了16Gb/s(其实以2023年的眼光来看,它也很容易用到上限的)。因为同时兼容AHCI和NVMe,所以它其实可以同时走SATA协议或者PCIe协议,并且为了向下兼容,它可以接两个SATA设备或者一个SATA Express设备。

这整个看下来,似乎兼容性又好,在那个时代,性能也说的过去,按说是个不错的接口对吧?但是这向下兼容的代价不可谓不大,您瞅瞅SATA Express接口长什么样子:

SATA Express接口和两种插法

我个人觉得正是这个接口形态,阻碍了它在普通主板上的应用。兼容SATA和NVMe这件事是不是很耳熟?没错,后来实际上是NGFF(Next Generation Form Factor)接替了这项工作,后来改名叫M.2,其实俩是一个意思,因为它们所描述的,都是这个物理接口的。

SATA Express是沿用的工程设计的那一套,M.2就主要是为了小型化而生。但你看,总之都是走PCIe通道,我们需要的其实就是那十来个触点,而且小型化肯定是趋势,于是SATA Express还未普及就被M.2替代成为了主流。

虽然它一开始的PCIe×2有点一般,但是毕竟只是在那时,而且接口还可以再演进,所以性能不是大问题,大问题是它大且复杂,又占地方。加上几乎就没出现过SATA Express接口的固态硬盘(基本都是SATA为主)所以SATA Express的使用率相当的低。而随着M.2固态的兴起,SATA Express就逐渐彻底没用了。所以很多低端主板本来也不会有SATA Express,也就直接从来没碰过。高端板子加了看到SATA Express彻底失势,也就取消掉了,大多只在原来的9系~100系列主板上出现过。

厂商们如今都是4或6个SATA3+1-3个M.2接口,这样既能保证械硬盘的兼容,又能保证新接口的性能和小型化。比如装个ITX主机,如果不需要机械硬盘,则已经不需要机箱有专门的硬盘位了。

而真正需要像SATA这样臃肿的物理接口来保证稳定的服务器平台,则进化到了U.2,虽然没直接叫SATA5,但我觉得它就是事实上的SATA5(你瞅它的样子,跟它爹SATA Express和爷爷SATA没有血缘关系谁信)。它也是用到了PCIe×4,所以PCIe3.0下就也能封顶达到4000MB/s。

U.2接口的形态

到如今,就形成了民用SATA+M.2,服务器用U.2+PCIe/M.2的这么一个结构。

SATA其实最大的缺点就是半双工以及数据和供电分开,半双工就同一时间始终只有单向传输,数据供电分开就导致还需要从电源单独接一根12V的SATA供电线。但是因为机械硬盘躺平,导致很长一段时间主板上都不能不配备SATA,所以虽然SATA3按理都该被淘汰了,但这种共生会依然持续下去。大概过几年都会有人问“为什么有SATA这么大却性能这么弱的接口?”

pansz
知乎十年新知答主

因为只有机械硬盘需要这么大的接口。而机械硬盘连SATA2的速度都显得过剩。

SSD的话,哪怕放到2.5寸硬盘中也只占了极其微小的空间(拆开便知)。完全只是为了兼容性而存在的过渡产品。所以在SSD普及的今天,根本没必要继续研发新款SATA接口。

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