本文將為您詳細(xì)介紹三種主要的SSD接口協(xié)議：SAS、SATA和NVMe。

1 SAS（Serial Attached SCSI）

1.1 SAS誕生背景

SAS，即串行連接SCSI（Serial Attached SCSI），是一種高性能接口協(xié)議，廣泛應(yīng)用于企業(yè)級(jí)存儲(chǔ)解決方案。SAS誕生于并行總線技術(shù)達(dá)到發(fā)展瓶頸的背景，當(dāng)時(shí)并行總線的帶寬已接近極限，而其他串行總線技術(shù)（如Fibre Channel、InfiniBand和Ethernet等）在存儲(chǔ)應(yīng)用中存在明顯不足：

• FC：價(jià)格昂貴，適用于復(fù)雜組網(wǎng)和遠(yuǎn)距離傳輸場(chǎng)景

• InfiniBand：組網(wǎng)復(fù)雜且價(jià)格昂貴

• iSCSI：時(shí)延高，傳輸速率慢

為克服這些問題，SAS協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供高帶寬、高可靠性和高擴(kuò)展性，通過采用串行技術(shù)以獲得更高的傳輸速率和更好的擴(kuò)充性，并兼容SATA硬盤。SAS采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)架構(gòu)，支持全雙工模式，傳輸速率高達(dá)3Gbps、6Gbps、12Gbps甚至更高，成為數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器環(huán)境的理想選擇。

1.2 SAS協(xié)議層次

下圖是一個(gè)帶有一個(gè)Narrow Port設(shè)備的SAS協(xié)議棧：

其中，

• SSP：Serial SCSI Protocol，串行SCSI協(xié)議，用于在串行連接上傳輸SCSI命令。它使得SAS系統(tǒng)能夠高效地與各種存儲(chǔ)設(shè)備通信，提供高性能、高可用性和高擴(kuò)展性。

• STP：Serial ATA Tunneled Protocol，SATA通道協(xié)議，允許SAS發(fā)起者（Initiator）通過擴(kuò)展器（Expander）與SATA設(shè)備通信。它使得SAS系統(tǒng)能夠與SATA設(shè)備無縫集成。

• SMP：Serial Management Protocol，串行管理協(xié)議，用于發(fā)現(xiàn)和管理SAS系統(tǒng)中的Expander擴(kuò)展器以及背板設(shè)備。

1.3 SAS協(xié)議特點(diǎn)

• 允許與多個(gè)設(shè)備進(jìn)行全速通信

• 支持多個(gè)窄端口捆綁形成寬端口

• 全雙工

• 可通過擴(kuò)展器（Expander）進(jìn)行接口擴(kuò)展，單個(gè)SAS域最多可以連接16384個(gè)磁盤設(shè)備，具有非常好的擴(kuò)展能力：

  

1.4 SAS物理接口形式

SAS驅(qū)動(dòng)器插頭連接器：

SAS驅(qū)動(dòng)器背板插座：

1.5 SAS應(yīng)用場(chǎng)景

• 企業(yè)級(jí)服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)

• 大型數(shù)據(jù)中心

• 高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用

2 SATA（Serial ATA）

2.1 SATA誕生背景

ATA（Advanced Technology Attachment）是一種歷史悠久的接口標(biāo)準(zhǔn)，用于定義硬盤等存儲(chǔ)設(shè)備與CPU的連接方式。ATA最初為并行接口（PATA），與許多其他IO接口一樣，PATA有一個(gè)高速串行的“表親”，稱為串行ATA（SATA）。SATA設(shè)計(jì)初衷是為與ATA/ATAPI 6規(guī)范的軟件兼容，同時(shí)解決以下問題：

• 減少引腳數(shù)量以降低成本
• 更小的芯片尺寸、更低的電壓

• 提高驅(qū)動(dòng)器和主機(jī)適配器之間的傳輸速度

• 增強(qiáng)可靠性

• 改進(jìn)電纜/連接器

• 將ATA應(yīng)用于服務(wù)器環(huán)境

以下是SATA和PATA物理接口對(duì)比圖：

目前，SATA仍是一種廣泛應(yīng)用于個(gè)人電腦和消費(fèi)級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備的接口協(xié)議，因其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低和兼容性良好而備受青睞。

2.2 SATA的演進(jìn)

SATA 自誕生以來，已經(jīng)發(fā)展到第三代，從 SATA I 演進(jìn)至 SATA III：

• SATA 1（版本1.x）接口，正式名稱為SATA 1.5Gbps，支持150MB/s帶寬。

• SATA II（版本2.x）接口，正式名稱為SATA 3Gbps，支持300MB/s帶寬。

• SATA III（版本3.x）接口，正式名稱為SATA 6Gbps，支持600MB/s帶寬。

SATA II具備向下兼容SATA I接口的功能，SATA III則向下兼容SATA I和SATA II接口。然而，由于接口速度的限制，驅(qū)動(dòng)器的最大速度會(huì)受到相應(yīng)影響。

2.3 SATA協(xié)議層次

2.4 SATA物理接口

SATA數(shù)據(jù)及電源連接器，如下圖所示：

2.5 SATA的特點(diǎn)

• 低成本：相較于SAS和NVMe硬盤，SATA硬盤成本更低，適用于普通用戶和中小企業(yè)。

• 中等性能：SATA硬盤的數(shù)據(jù)傳輸速度和IOPS低于SAS和NVMe硬盤，但可滿足大多數(shù)日常應(yīng)用需求。

• 單設(shè)備連接：SATA接口一般只支持單設(shè)備的連接。

3 NVMe（Non-Volatile Memory Express）

3.1 NVMe誕生背景

為提升性能，SATA II引入了AHCI（Advanced Host Controller Interface）協(xié)議，支持NCQ（Native Command Queuing）功能和熱插拔技術(shù)。NCQ最大隊(duì)列深度為32，即主機(jī)最多可以向HDD或者SSD發(fā)送32條命令執(zhí)行。相較于傳統(tǒng)硬盤逐條執(zhí)行命令的方式，這種改進(jìn)顯著提升了硬盤性能。AHCI能夠滿足HDD和早期SSD的性能需求，系統(tǒng)性能的瓶頸集中在硬盤端（低速和高延時(shí)）。

隨著SSD技術(shù)的飛速發(fā)展，SSD盤性能飆升，底層閃存的帶寬越來越寬，介質(zhì)訪問延時(shí)越來越低，系統(tǒng)性能瓶頸已經(jīng)由存儲(chǔ)介質(zhì)本身轉(zhuǎn)移到了上層的接口和協(xié)議。于是，專為SSD設(shè)計(jì)的NVMe協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。

NVMe（Non-Volatile Memory Express）是一種基于PCIe接口的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。它在設(shè)計(jì)之初就充分考慮了PCIe SSD的低延時(shí)和高并行性，同時(shí)也針對(duì)當(dāng)代處理器、平臺(tái)以及應(yīng)用的并行特性進(jìn)行了優(yōu)化。

3.2 NVMe相對(duì)AHCI的優(yōu)勢(shì)

3.3 NVMe協(xié)議架構(gòu)及命令集

NVMe協(xié)議由一個(gè)龐大的家族組成，包括基礎(chǔ)規(guī)范、I/O命令集、傳輸規(guī)范和管理規(guī)范等，具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

其中，命令集規(guī)范包含如下類型：

在2024.01.16新加入了Subsystem Local Memory Command Set和Computational Programs Command Set規(guī)范，可見，NVMe協(xié)議仍在持續(xù)演進(jìn)發(fā)展中。

3.4 NVMe協(xié)議特點(diǎn)

• 高帶寬：NVMe支持高達(dá)32Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，遠(yuǎn)超SAS和SATA。

• 低延遲：NVMe協(xié)議優(yōu)化了命令隊(duì)列和處理機(jī)制，顯著降低數(shù)據(jù)傳輸延遲。

• 多隊(duì)列支持：NVMe支持多個(gè)命令隊(duì)列，提高并發(fā)處理能力，顯著提升系統(tǒng)性能。

• 靈活的擴(kuò)展性：NVMe支持多種物理接口，包括M.2、U.2和PCIe插槽，提供了靈活的安裝選項(xiàng)。

4 三種協(xié)議的選擇

SAS、SATA和NVMe接口的SSD在性能上有顯著差異：

選擇合適的SSD接口協(xié)議需要根據(jù)您的具體需求和應(yīng)用場(chǎng)景來決定：

• 企業(yè)級(jí)應(yīng)用：如果您需要高性能、高可靠性和高擴(kuò)展性的存儲(chǔ)解決方案，SAS和NVMe是理想選擇。SAS適合傳統(tǒng)的服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)，而NVMe則更適合需要極致性能的高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用。

• 個(gè)人和消費(fèi)級(jí)應(yīng)用：如果您需要高性價(jià)比、安裝和維護(hù)簡(jiǎn)便的存儲(chǔ)解決方案，SATA是理想選擇。SATA接口的廣泛兼容性和使用簡(jiǎn)易性使其成為個(gè)人電腦和消費(fèi)級(jí)存儲(chǔ)設(shè)備的首選。

• 高性能需求：如果您對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率和低延遲有極高要求，NVMe是理想選擇。

NVMe協(xié)議憑借其出色的性能和低延遲特性，在高性能計(jì)算和數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

無論您是企業(yè)用戶還是個(gè)人用戶，選擇合適的SSD接口協(xié)議都是確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)性能和可靠性的重要一步。SAS、SATA和NVMe協(xié)議各具優(yōu)勢(shì)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。希望本文能幫助您更好地了解這些接口協(xié)議，從而根據(jù)存儲(chǔ)需求做出明智的選擇。

---

關(guān)于云海芯科

四川云海芯科微電子科技有限公司是一家業(yè)界領(lǐng)先的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案提供商，團(tuán)隊(duì)核心成員深耕存儲(chǔ)行業(yè)15+年，擁有成熟的存儲(chǔ)產(chǎn)品研發(fā)上市經(jīng)驗(yàn)。 公司扎根國(guó)產(chǎn)存儲(chǔ)，堅(jiān)持產(chǎn)品和技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，擁有閃存管理、數(shù)據(jù)保護(hù)、硬件設(shè)計(jì)等多項(xiàng)SSD關(guān)鍵技術(shù)專利，具備存儲(chǔ)產(chǎn)品設(shè)計(jì)到開發(fā)的全流程交付能力，已推出NVMe和SATA全系列SSD產(chǎn)品，在HPC/HPDA、云計(jì)算、數(shù)據(jù)中心、虛擬化、人工智能等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為金融、交通、通信、智能制造、互聯(lián)網(wǎng)、能源等行業(yè)提供高穩(wěn)定、高可靠的存儲(chǔ)解決方案。