Technikalia
PCI Express zamiast SATA
Wydajność nośników SSD zaczyna już przerastać możliwości interfejsu SATA 6 Gb/s. Jak niedawno wspominaliśmy (w teście Plextora M6e), maksymalna przepustowość, jaką można praktycznie osiągnąć przy użyciu SATA 6G, to około 555 MB/s. Producenci skupieni w komitecie SATA-IO, postawieni przed koniecznością zaprojektowania szybszego połączenia, rozważyli różne opcje...
...i postanowili porzucić łącze SATA. Jego dalsze rozwijanie dałoby interfejs dwa razy szybszy i nieco bardziej prądożerny od SATA 6G. Tymczasem standard PCI Express zapewnia większą przepustowość przy mniejszym zużyciu energii, a do tego ma szereg innych zalet. Na przykład w razie potrzeby wygodnie się skaluje dzięki zwiększeniu szerokości łącza (jeden, dwa, cztery i więcej pasów), jest już rozpowszechniony w chipsetach i procesorach i będzie dalej rozwijany (specyfikacja PCI Express 4.0, przewidująca podwojenie przepustowości, ma zostać opublikowana w ciągu roku).
Zdecydowano się zatem na przejście z SATA na PCI Express; SATA Express ma umożliwić korzystanie ze starych nośników w okresie przejściowym.
Oczywiście, problem podłączenia nośników danych do reszty systemu nie jest ograniczony do komputerów biurkowych. To samo zadanie w laptopach, tabletach i innych malutkich pecetach ma standard M.2 (dawniej NGFF). M.2 określa złącze, które może posłużyć do zestawienia połączenia SATA lub PCI Express – podobnie jak SATA Express, ale bez kabli.
Dziś nieco szybciej, w przyszłości...
Standard SATA Express przewiduje maksymalnie dwupasowe łącze PCI Express po jednym kablu, do jednego urządzenia. To oznacza, że maksymalna przepustowość przy dwóch pasach PCI Express 2.0 (obecna implementacja w chipsecie Z97) wyniesie około 985 MB/s, a przy dwóch pasach PCI Express 3.0 (w przyszłości) – 1970 MB/s, czyli trzy razy więcej, niż zapewnia SATA 6G. Można się spodziewać, że kiedyś w ramach SATA Express zostaną wykorzystane łącza PCI Express 4.0, co ponownie podwoi przepustowość. M.2 ma tu przewagę, bo złącze M.2 typu 3 zapewnia cztery pasy PCI Express, czyli dwa razy większą przepustowość niż SATA Express tej samej generacji. SATA Express jest jednak standardem przejściowym i pewnie za jakiś czas ten niedostatek zniknie, o czym piszemy na dalszych stronach.
Co ciekawe, standard PCI Express od samego początku przewidywał użycie kabli, nie tylko połączeń na płytce drukowanej. Jednak w praktyce inne połączenia były zwykle łatwiejsze w użyciu, a okablowania PCI Express używano głównie w środowiskach inżynieryjnych. Na przykład w jednej z pierwszych demonstracji techniki Lucid Hydra wykorzystano dwie obudowy: w jednej znajdowały się komputer i przejściówka ze slotu PCI Express na kable PCI Express, a w drugiej – układ Hydra i karty graficzne. Pewne podobieństwo do kablowego PCI Express widać w interfejsie Thunderbolt (to połączenie protokołów PCI Express i DisplayPort przy użyciu nowego łącza), a jego nikła popularność pokazuje, że zapotrzebowanie na taką technikę nie jest duże.
Podłączenie nośników danych przez PCI Express ma ważne zalety niezwiązane z samą przepustowością tego interfejsu. Najważniejszą jest to, że nie ma potrzeby budować nowych kontrolerów dla płyt głównych: PCI Express jest dziś w każdym systemie z procesorem x86, wliczając w to najmniejsze APU AMD (Kabini, Beema, Mullins) i Intela (Atom, Quark), do których nawet nie ma potrzeby podłączać tak szybkich nośników.
Po drugie, PCI Express jest dziś główną metodą komunikacji między procesorem a urządzeniami wejścia-wyjścia. Interfejsy takie, jak USB i SATA, wymagają dodatkowego kontrolera w oddzielnym czipie.
Wykorzystanie PCI Express pozwala pozbyć się pośredniczącego kontrolera, a zatem zmniejszyć opóźnienie w komunikacji, uprościć konstrukcję płyty głównej/ chipsetu i uprościć programową warstwę abstrakcji, która pozwala programom korzystać z nośników danych.
Należy pamiętać, że sam port nie określa, jakie łącze jest wykorzystywane. Nośnik M.2 może być wyposażony w kontroler i łącze SATA, a pasować do portu M.2. Użycie standardu M.2 nie gwarantuje, że dostajemy szybszy nośnik SSD!
Druga strona medalu
Interfejsów nie da się przyspieszać w nieskończoność bez konsekwencji. Jak wspomnieliśmy, obecna generacja SATA Express jest znacząco szybsza, a tylko marginalnie bardziej prądożerna od SATA. Co więcej, pozbycie się dodatkowego kontrolera SATA oszczędza nieco energii. Jednak przyspieszanie tego interfejsu do poziomu kolejnych wersji PCI Express będzie kosztowało więcej energii. W testach laboratoryjnych przeprowadzonych na nośniku podłączonym przez 4 × PCI Express 3.0 (około 3,94 GB/s) sam kontroler PCI Express przejadał maksymalnie 15 W. To o wiele więcej, niż potrzebuje podłączona do niego pamięć; taka konsumpcja energii stanowi już problem z punktu widzenia chłodzenia i zasilania, szczególnie w ciasnych maszynach (laptopy, serwery). Oczywiście, takie prędkości są poza zasięgiem dzisiejszej pamięci flash, ale w przyszłości, kiedy rozpowszechnią się inne typy pamięci nieulotnej, trzeba będzie się pochylić nad tym zagadnieniem.
Drugim problemem są typowe kontrolery PCI Express. Popularne platformy Intela i AMD do komputerów biurkowych mają ograniczoną liczbę pasów PCI Express; na wielu płytach głównych gniazd z łączem PCI Express jest więcej niż pasów PCI Express. Na przykład na platformie LGA1150 już jedna karta graficzna zajmuje wszystkie podłączone bezpośrednio do procesora pasy. Pozostaje połączenie przez mostek południowy, które ma mniejszą przepustowość. Nawet o przepustowość pasów PCI Express 2.0 z chipsetu nośniki muszą rywalizować, na przykład z dodatkowymi kontrolerami USB 3.0. To powoduje, że nie da się wykorzystać jednocześnie wszystkich złączy peryferyjnych: niektóre albo będą całkowicie wyłączone, albo będą rywalizować o przepustowość z innymi. Lepszą wydajność podsystemu wejścia-wyjścia da się osiągnąć na przykład na platformie LGA2011, gdzie bezpośrednio do procesora podłączonych jest 40 linii PCI Express.