SATA、SCSI、SAS、FC硬碟

S現在的技術發展實在太快，很多人還沒弄清SATA到底有什麼好，SATA II又來了。在傳統的IDE、潮流的SATA與前衛的SATA II硬碟之間，到底有著什麼樣的區別？幾種不同的硬碟各自價格等方面又是怎麼樣？相信很多朋友都想知道。 

在深入瞭解新標準之前，有必要回顧一下原有的技術。長期以來，硬碟技術的進步，都著重於傳輸速度和容量兩個方面。基本上認識電腦以來，大家就一直在使用Ultra ATA。這種延用已久的介面技術，有好些方面都顯得過時而需要改進了： 
大家都知道，資料線太粗，安裝不方便，嚴重影響機箱內空氣流通，不利於機箱散熱，是傳統IDE介面即Ultra ATA硬碟的至命缺點。不過，IDE硬碟還有很多其它方面的侷限性，大概就不是很多人都清楚了。 
主從盤相互影響 
普遍情況下，一塊主機板只有兩個IDE介面，每個介面可以掛兩個IDE裝置。但同一個介面的兩個裝置是共用頻寬的，對速度的影響非常大。所以稍有常識的人，都會把硬碟和光碟機分開兩條IDE線連線到主機板上 
這樣，IDE有個很大的問題，就是雖然一塊主機板可以連線4個裝置，但事實上只要超過兩個，速度就大大下降。 
更大的問題是，同一條線上兩個裝置要嚴格按主/從設定才能正常執行。象圖中這種西數WD400 JB，主硬碟還有兩種不同設定，一條IDE線只接這塊硬碟的時候按右邊的設定，帶從盤的時候則要按中間的設定方式。據親身經驗，如果沒帶從盤而按中間的方式設了，會出現五花八門百思不得其解的問題——有時可以啟動，有時報告找不到硬碟，有時啟動過程中報告硬碟錯誤之類——每次啟動可能出現不同的問題。 
不支援熱拔插 
並行ATA在支援裝置熱插拔方面能力有限，這一點對伺服器方面的應用非常重要。因為伺服器通常採用RAID的方式，任何一塊硬碟壞了都可以熱拔插更換，而不影響資料的完整性，確保伺服器任何情況下都正常開著。具有熱插拔支援功能的SCSI和光纖通道佔據了企業級應用的幾乎全部市場，並行ATA空有價格優勢而不能獲得一席之地，主要原因就是它不支援熱拔插。 
不夠完善的錯誤檢驗技術 
Ultra DMA引入了基於CRC的資料包出錯檢測，該技術是ATA-3標準的組成部分。但是，沒有任何一種並行ATA標準提供命令和狀態包的出錯檢測。儘管命令和狀態包出錯的範圍和機率都小，但它們出錯的可能性也不容忽略。 
使用過時的5伏電壓 
處理器核心從幾個方面要求向低電壓過渡。較低電壓允許更快的訊號陡變，這對提高速度、降低熱耗至關重要。現在的CPU核心電壓基本上都小於2伏，為保持與系統主機板上其它晶片的互操作性，通常使用3.3伏的外部電壓分離出來，5伏電壓成為過時的標準。雖然大部分目前的 ATA/ATAPI-6標準為並行ATA裝置指定的直流電壓供應為3.3V （± 8%），但一些模式的接收器大於4伏，所以要使用過時的5伏電壓。 
介面速度的可升級性差 
另外，Ultra ATA是受並行匯流排特性的限制，頻寬容易受到限制，經過多次升級，目前最高傳輸率也只是133M位元組/秒。 
SATA比IDE優越在哪些地方？ 
SATA不再使用過時的並行匯流排介面，轉用序列匯流排，整個風格完全改變。 
SATA與原來的IDE相比有很多優越性，最明顯的就是資料線從80 pin變成了7 pin，而且IDE線的長度不能超過0.4米，而SATA線可以長達1米，安裝更方便，利於機箱散熱。除此之外，它還有很多優點： 
一對一連線，沒有主從盤的煩惱 
每個裝置都直接與主機板相連，獨享150M位元組/秒頻寬，裝置間的速度不會互相影響。 
支援熱拔插 
熱拔插對於普通家庭使用者來說可能作用不大，但對於伺服器卻是至關重要。事實上，SATA在低端伺服器應用上取得的成功，遠比在普通家庭應用中的影響力大。 
資料傳輸更加可靠 
SATA提高了錯誤檢查的能力，除了對CRC對資料檢錯之外，還會對命令和狀態包進行檢錯，因此和並行ATA相比提高了接入的整體精確度，使序列ATA在企業RAID和外部儲存應用中具有更大的吸引力。 
低電壓訊號 
SA他的訊號電壓最高只有0.5伏，低電壓一方面能更好地適應新平臺強調3.3伏的電源趨勢，另一方面有利於速度的提高。 
頻寬升級潛力大 
SATA不依賴於系統匯流排的頻寬，而是內建時鐘。剛推出的這一代SATA內建1500MHz時鐘，可以達到150M位元組/秒的介面頻寬。由於不再依賴系統匯流排頻率，每一代SATA升級頻寬的增加都是成倍的：下一代300M位元組/秒，再下一代可以達到600M位元組/秒 
SATA仍然存在的幾點不足 
在國內，現在買IDE的人恐怕比買SA他的人多很多。主要有三個方面的原因： 
首先，SA他的諸多先進性總體上對個人電腦使用者意義不是太大，它最大的意義的反而是適應了入門級企業應用的需要。 
其次，nForce4、915之前的那些主機板使用SATA硬碟，在安裝作業系統的時候需要用到軟盤，就象SCSI硬碟那樣，增添了使用者的麻煩。 
另外，國內使用者的電腦配置相對落後，很多人都是舊電腦升級大容量硬碟，稍老點的主機板還不支援SATA硬碟。 
所以，SATA最大的成功在於吸引了很多低端入門級伺服器的使用者。但在企業級應用方面，它又仍然在很多方面有待改進： 
單執行緒的機械底盤 
SATA畢竟只是ATA，它的機械底盤是為8x5執行緒設計的，而SCSI的機械底盤是24x7多執行緒設計，能更好地滿足伺服器多工的需要。所以SATA雖然在單任務的測試中不比SCSI差，但面對大資料吞吐量的伺服器，還是有差距的。除了速度之外，面對多工資料讀取，硬碟磁頭頻繁地來回擺動，使硬碟過熱是SATA最大的問題。 
形同虛設的熱拔插功能 
在實際應用中，RAID硬碟陣列是由多個硬碟組成的，必須知道具體哪一塊硬碟壞了，熱拔插更換才有意義。SATA硬碟雖然可以熱拔插，但SATA組成的陣列在某塊硬碟損壞的時候，不能象SCSI、FC和SAS那樣，具有SAF-TE機制用指示燈顯示，知道具體壞的是哪一塊，熱拔插替換的時候，如果取下的是好硬碟，就容易使資料出錯。所以在實際應用中，SA他的熱拔插功能有點形同虛設的味道。 
速度慢 
SATA相對於SCSI和FC速度慢，主要原因是機械底盤不同，不適應伺服器應用程式大量非線性的讀取請求。所以SATA硬碟用來做影片下載伺服器還不錯，用在網上交易平臺則力不從心。 
SATA 1.0控制器的傳輸速度效率不高，雖然標稱具有150MB/s的峰值速度，事實上最快的SATA硬碟速度也只有60MB/s。 
整個解決方案價格不 
雖然SATA硬碟相對於SCSI硬碟來說很便宜，但整個的SATA方案並不便宜。主要原因是SATA 1.0控制器的每個介面只能連線一個硬碟，8個硬碟組成的陣列需要8個介面，把每個介面300多元的花費算進去，就不便宜了。 
SATA II與準SATA II 
很多人到現在都還不是太清楚SATA與Ultra ATA相比有什麼區別與好處，這也難怪。因為連Intel剛推出SA他的時候，也沒想到這個為個人使用者而改進的方案，結果會在入門級伺服器和工作站等企業應用的前前景更為廣大——也正因為這樣，2004年才專門成立了SATA IO（SATA國際組織）。 
前面那麼多介紹，是結合現實情況與SATA官方白皮書整理的，從中已經可以發現，說到SATA優缺點，更多的是從企業應用而不是個人與家庭應用的角度考慮的。 
現在經常聽到“NCQ硬碟”和“SATA II硬碟”這兩個名詞，它們是SATA向下一代——SATA II發展的兩個不同階段的產品： 
第一階段是在SA他的基礎上加入NCQ原生指令排序、儲存裝置管理（Enclosure Management）、底板互連、資料分散/集中這四項新特性。 
第二階段是在第一階段的基出上作進一步改進，加入了雙宿主主動式故障替換、與多個硬碟高效連線、3.0Gb（即300MB/s）介面頻寬等特性。 
“NCQ硬碟”的改進：不僅僅是NCQ這麼簡單 
由於SATA II的第一階段幾項改進中，NCQ原生指令排序技術對個人使用者意義比較大，所以也只有這一項技術比較多人瞭解。其實SATA II第一階段加入的技術包括如下幾項： 
NCQ原生指令排序 
Native command queuing：什麼是NCQ呢？這是SCSI早就使用的一種技術，只是最近才應用於SATA硬碟。 
傳統桌上型電腦硬碟都用線性形式處理請求，這種方式潛在很不好的方面，要理解其中原理，必須對硬碟物理結構有個基本瞭解。硬碟裡面是圓盤狀的，很象CD光碟。每一個圓盤由許多同心圓劃分為一條條磁軌，磁軌又分出扇區。每個圓盤由一個或多個磁頭負責讀取。如果資料分佈在同一磁軌，尋找資料的速度是最快的。在不同磁軌之間移動則消耗很多時間。假設要讀取三塊資料，其中一塊在圓盤最外邊的磁軌上，一塊在圓盤最裡面的磁軌上，還有一塊在圓盤最外邊的磁軌上。傳統的硬碟，會依次先讀取圓盤最外面的資料，然後讀取最裡面的資料，最後再回頭讀取最外面的資料。這樣一來，磁頭移來移動消耗的尋道時間多，效率就低了。如果把磁頭移動減到最少，尋道時間就會相應減少。這就是NCQ的目的所在——NCQ可以重新編排指令，不讓磁頭從外移到內再移到外，而是在移向圓盤內圈之前就讀取外圈的兩塊資料。 
現在大家應該明白了，CPU的速度對硬碟效能影響微乎其微，但NCQ技術則可以明顯改善硬碟效能，特別是對前面提到的SATA多執行緒效能差、容易磁頭頻繁來回擺動、硬碟容易過熱這些方面有很大改善。 
機架管理（Enclosure Management） 
前面提到SA他的熱拔插技術，由於陣列中有一塊硬碟出現故障的時候，不知道具體壞的是哪一塊而形同虛設。SATA II第一階段即擁有NCQ技術的SATA硬碟，加入了機架管理技術，正是用來解決這一問題的。 
背板互連(Backplane Interconnect) 
SATA用於資料傳送的導線數量很小，因而出現了為外部RAID使用而部署的底板。 
該底板是一塊物理線路板，通常整合到機架的後皮膚上，上面嵌入了透過刻線上路板上的導線連線到中心控制器外掛的多個裝置接頭。值得注意的是，中心控制器與主機的介面可以按任意一種協議來設計，可以是SCSI、光纖通道或iSCSI。底板的使用可使裝置咬住接頭並緊密結合。 
當然，受到FR4材質訊號衰減的限制，中心控制器和SATA裝置接頭之間蝕刻線路的最大長度必須限制在18英寸以內。雖然這種限制表面上侷限了底板端子和SATA機架的設計，而事實上，標準機架為19英寸寬，因此，在一個1U到3U的機架內，為SATA而蝕刻的最大導線長度足以從一個位置適中的中心控制器連線到所有裝置接頭。 
SATA II不等於300MB/s 
首先，是介面頻寬從原來的150MB/s擴充套件到了300MB/s。但SATA II不能與300MB/s劃等號，因為它包含了SATA II第一階段的NCQ等技術，以及更多的其它技術： 
其次，SATA II可以透過Port Multiplier，讓每一個SATA介面可以連線4-8個硬碟，即主機板有4個SATA介面，可以連線最多32個硬碟。 
另外，還有一個非常有趣的技術，叫Dual host active fail over。它可以透過Port Selector介面選擇器，讓兩臺主機同時接一個硬碟。這樣，當一臺主機出現故障的時候，另一臺備用機可以接管尚為完好的硬碟陣列和資料，這就確保伺服器不管在某塊硬碟損壞，或是某壞CPU之類的其它配件損壞的情況下，仍能正常運作。 
結語：給個人電腦使用者的特別提示 
最後，相信大家對IDE、SATA、NCQ、SATA II已經有了比較整體的認識。或許很多關於伺服器方面的技術還不太明白，其實這沒關係，最重要的是獲得這樣一個概念：SATA、SATA II的改進，大多數不是為個人電腦使用者而設的。 
SATA對個人電腦使用者真正有意義的地方，也就是讓機箱散熱更加良好。但與此同時，如果你的主機板不支援SATA II，在獲得這樣一個好處的同時，安裝windows作業系統會比較麻煩——需要插入SA他的驅動軟盤。所以IDE使用者千萬別以為SATA更先進，改用更先進的SATA硬碟會有多大的效能提升。 
使用支援NCQ技術的硬碟，對喜歡同時執行很多個程式的使用者可能會有速度上的改進，而且由於磁頭比較少來回擺動，硬碟會比較長壽，溫度也會比較低。但前面沒有提到的一個必要前提是，必須主機板和硬碟都支援NCQ技術才起作用。 
至於SATA II，唯一對個人電腦使用者有意義的就是300MB/s的頻寬——當然，SATA II全都是支援NCQ的。不過千萬別指望頻寬比原來增加了一倍，就可以獲得接近於SATA兩倍的速度，因為目前硬碟的速度主要是受硬碟內部資料傳輸率的限制，而不在於介面頻寬，介面頻寬的增加對個人使用者帶來的速度改善，是微乎其微的。同樣，SATA II的好處——支援NCQ和300MB/s的頻寬，必須要主機板支援，在只支援SATA I的主機板上使用SATA II硬碟，就連“微乎其微”的改善也不會有。 
總體來說，SATA、NCQ以至完整的SATA II，對一般個人電腦使用者的意義不是非常大，它們最大的意義在於為企業應用提供了SCSI、FC之外的廉價儲存解決方案——當然如果幾種硬碟的價格相差很小的話，儘可能選最先進的SATA II是沒錯的。如果擔心新技術會不成熟存在某些未知缺陷，繼續選擇SATA I硬碟甚至是IDE硬碟，也是相當不錯的方案。