Serial ATA (SATA) là chuẩn giao diện lưu trữ phổ biến cho máy tính, cho phép cài đặt dễ dàng và tương thích giữa máy tính và thiết bị lưu trữ. Tuy nhiên, thiết kế truyền thông tuần tự đã đạt đến giới hạn hiệu năng, khiến nhiều ổ SSD bị chặn bởi băng thông giao diện thay vì bởi chính ổ cứng. Chuẩn giao tiếp mới mang tên SATA Express đã xuất hiện để lấp đầy khoảng trống này.
Giao tiếp SATA hay PCI Express?
Đặc điểm kỹ thuật SATA 3.0 hiện tại bị giới hạn ở băng thông 6,0 Gbps, tương đương khoảng 750 MB/s. Khi tính đến chi phí giao diện, hiệu năng thực tế chỉ đạt 600 MB/s. Nhiều thế hệ ổ SSD hiện nay đã chạm mốc này và cần giao diện nhanh hơn.
Đặc điểm kỹ thuật SATA 3.2, trong đó SATA Express là một phần, là chuẩn giao tiếp mới giữa máy tính và thiết bị. Nó cho phép thiết bị chọn phương pháp SATA hiện có (đảm bảo tương thích ngược) hoặc sử dụng bus PCI Express nhanh hơn.
Bus PCI Express thường được dùng để giao tiếp giữa CPU và các thiết bị ngoại vi như card đồ họa, card mạng, cổng USB. Theo chuẩn PCI Express 3.0, một lane đơn lẻ xử lý tới 1 GB/s, nhanh hơn giao diện SATA hiện tại.
Tuy nhiên, thiết bị sử dụng nhiều lane hơn. Theo đặc điểm kỹ thuật SATA Express, ổ cứng với giao diện mới có thể dùng hai lane PCI Express (thường gọi là x2) để đạt băng thông tiềm năng 2 GB/s. Giao diện này gần gấp ba lần tốc độ phần cứng SATA 3.0 trước đó.
Kết nối SATA Express mới
Giao diện mới yêu cầu kết nối mới. Nó kết hợp hai kết nối dữ liệu SATA với một kết nối thứ ba nhỏ hơn, xử lý truyền thông dựa trên PCI Express. Hai kết nối SATA là các cổng SATA 3.0 hoạt động đầy đủ. Một kết nối SATA Express đơn lẻ trên máy tính có thể hỗ trợ hai cổng SATA cũ. Tất cả kết nối SATA Express sử dụng toàn bộ chiều rộng, bất kể ổ cứng dựa trên truyền thông SATA trước đó hay PCI Express mới. Vì vậy, một SATA Express xử lý hai ổ SATA hoặc một ổ SATA Express.
Vì ổ cứng dựa trên SATA Express có thể dùng cả hai công nghệ, nó phải giao tiếp với cả hai, nên dùng hai cổng thay vì một cổng thay thế. Ngoài ra, nhiều cổng SATA liên kết với lane PCI Express để giao tiếp với bộ xử lý. Sử dụng giao diện PCI Express với ổ SATA Express sẽ tắt truyền thông đến hai cổng SATA liên kết với giao diện đó.
Hạn chế của giao diện dòng lệnh
SATA truyền dữ liệu giữa thiết bị và CPU. Ngoài lớp này, một lớp dòng lệnh chạy trên cùng. Lớp dòng lệnh gửi các lệnh đọc/ghi cho ổ lưu trữ. Nhiều năm qua, quy trình này được xử lý bởi Advanced Host Controller Interface (AHCI). Nó được tích hợp trong mọi hệ điều hành hiện nay, làm cho ổ SATA trở thành plug-and-play. Không cần driver thêm.
Mặc dù công nghệ hoạt động tốt với công nghệ chậm hơn như ổ cứng cơ và USB flash, nó kìm hãm SSD nhanh hơn. Hàng đợi lệnh AHCI chứa 32 lệnh nhưng chỉ xử lý một lệnh tại một thời điểm vì chỉ có một hàng đợi đơn lẻ.
Đây là lúc bộ lệnh Non-Volatile Memory Express (NVMe) xuất hiện. Nó có 65.536 hàng đợi lệnh, mỗi hàng đợi chứa 65.536 lệnh. Điều này cho phép xử lý song song các lệnh lưu trữ đến ổ. Điều này không có lợi cho ổ cứng cơ, vì nó bị giới hạn ở một lệnh do đầu đọc. Tuy nhiên, đối với SSD có nhiều chip nhớ, nó tăng băng thông bằng cách ghi nhiều lệnh đến các chip và ô khác nhau cùng lúc.
Đây là công nghệ mới chưa được tích hợp sẵn trong hầu hết hệ điều hành. Nhiều hệ điều hành cần cài đặt driver thêm vào ổ để sử dụng công nghệ NVMe. Việc triển khai hiệu năng nhanh nhất cho ổ SATA Express có thể mất thời gian.
SATA Express hỗ trợ cả hai phương pháp. Bạn có thể dùng công nghệ mới với driver AHCI và chuyển sang chuẩn NVMe mới hơn sau để cải thiện hiệu năng, có thể yêu cầu format lại ổ.
Các tính năng khác trong đặc điểm SATA 3.2
Đặc điểm SATA mới thêm nhiều hơn phương thức truyền thông và kết nối mới. Đa số nhắm đến máy tính di động nhưng cũng có lợi cho máy để bàn.
Tính năng tiết kiệm năng lượng đáng chú ý nhất là chế độ DevSleep. Đây là chế độ nguồn mới cho phép hệ thống lưu trữ "ngủ đông" gần như. Chế độ này giảm tiêu thụ điện khi ngủ để cải thiện thời gian chạy của laptop đặc biệt, bao gồm Ultrabook được thiết kế quanh SSD và tiêu thụ điện thấp.
Ổ cứng lai SSD (SSHD) cũng hưởng lợi từ các tiêu chuẩn mới, vì các tiêu chuẩn thêm bộ tối ưu hóa mới. Trong triển khai SATA hiện tại, bộ điều khiển ổ quyết định mục nào nên cache dựa trên những gì thấy được yêu cầu. Với cấu trúc mới, hệ điều hành báo cho bộ điều khiển ổ mục nào nên giữ trong cache, giảm tải cho bộ điều khiển và cải thiện hiệu năng.
Cuối cùng, có chức năng cho thiết lập RAID. Mục đích của RAID là dự phòng dữ liệu. Khi ổ lỗi, ổ được thay thế và dữ liệu được xây dựng lại từ checksum. Quy trình mới trong chuẩn SATA 3.2 cải thiện việc xây dựng lại bằng cách nhận diện dữ liệu nào bị hỏng so với dữ liệu nào không.
Triển khai và lý do không phổ biến ngay lập tức
SATA Express đã là chuẩn chính thức từ cuối 2013. Nó chỉ xuất hiện trong hệ thống máy tính khi chipset Intel H97/Z97 ra mắt vào mùa xuân 2014. Dù bo mạch chủ có giao diện mới, thời điểm ra mắt không có ổ cứng nào sử dụng nó.
Lý do giao diện không phổ biến nhanh là giao diện M.2. Nó được dùng độc quyền cho SSD dạng nhỏ. Ổ cứng từ tính khó vượt qua chuẩn SATA. M.2 linh hoạt hơn vì không phụ thuộc vào ổ lớn. Nó cũng có thể dùng bốn lane PCI Express, nghĩa là ổ nhanh hơn hai lane của SATA Express.
AMD phát hành vi xử lý Ryzen đầu tháng 3 năm 2017, mang lại hỗ trợ tích hợp SATA Express cho nền tảng Socket AM4.