固態硬盤 (SSD) 很快對這些接口提出了新的重大性能要求，因為 SSD 的數據速率已經從幾十 MB/sec 增加到GB/sec 。除了數據速率的增長，SSD 中缺乏機械運動也導致了每秒鐘輸入和輸出操作的數量(IOPS) 增加，即存儲設備能夠實現的 IOPS 數量。這篇文字討論了不同的接口，并且對所遇到的各種性能和兼容性權衡進行了比較。

《企業級和消費級SSD匯總》1、企業級SSD：三大替代構筑行業高增長，國產替代空間廣闊2、中國企業有機會在3D NAND Flash領域實現彎道超3、消費級閃存指南4、企業級SSD接口比較5、中國企業級SSD行業發展洞察

SATA 接口

SATA 是為點到點連接設計的一種低成本接口，可以通過線纜或者印刷線路板 (PCB) 走線實現。主機連接面向高級主機控制器接口 (AHCI)，通常駐留于主機芯片集上面，如同主機適配器位于 PCIe 總線上面。這個接口有幾個設計問題，可能使得每個指令產生 1μs 或更多總線開銷。對于一個 4KB 傳輸需要 10μs 的 HDDs 來說，這不是主要的問題，但是 SSD 能夠在 2μs 或者更少之內傳輸 4KB 數據——因而這個開銷變得更值得注意，SATA 接口無興趣成為一個高性能海量存儲接口。

SATA 仍然適合用作低成本 SSD 接口，在這里，成本 而非性能是主要的決定因素。SATA 架構也可以合并到一個管理 SATA 指令集的主機適配器中，并不會真正包含物理的 SATA 接口 (PHY) (圖 1)。

SAS 接口

SAS 也是一個串聯接口，通過一個主機適配器添加到主機中，但是也有明顯的區別，使其成為一個適當的 SSD 接口：? 更少的硬件開銷? 更快的傳輸速率? 寬端口? 有效的硬盤控制器接口

另外，SAS 包括 SATA 所不具備的功能，這些功能能夠提升連接到接口的設備的可靠性和可用性：? 健壯的串口協議? 支持多主機? 端到端數據整合? 雙端口容量? 高度并發和聚合

SAS 沒有一個可等同于 SATA AHCI 控制器的通用主機接口。相反，SAS 主機適配器市場中有多個供應商相互競爭，在這里性能是主要的決定因素——并不僅僅是對于單個的 HDDs 接口，也面向不同的 RAID 系統，在這些系統中多個 HDD主軸的傳輸速率將會聚合到一起，從而提高傳輸速率。另外，SAS 主機適配器是為管理高性能SSD 和 HDDs 而設計(例如短擊15K-RPM 硬盤)。因為硬件主機適配器和管理該主機適配器的硬盤被設計為一個系統，為 SSD 設計的產品經過優化，開始變得可用，并且進一步提升了傳輸速率以及 IPOS。

寬端口是 SAS 架構固有的理念——多個連接被聚合到一起，從而允許一個或多個主機與設備之間存在多個同步路徑。目前的 SAS 設備連接器為設備定義兩個端口。作為一種設計選擇，目前的 HDDs 不支持寬端口——只有雙端口，每個端口擁有不同的 SAS 地址，阻止其配置成為一個寬端口。

接受的SAS-3(12Gb/秒)協議允許硬盤上面的端口增加到 4 個，所有這些都連接到相同的域，或者成對連接到不同的域。非常受限的 SSD 數量可能在雙端口設備上面支持寬端口(除了雙端口以外)。

SAS 串口協議為串行傳輸者和接收者提供訓練。通過對信道長度、阻抗失配和信號間干擾進行補償，提升了線纜或者背板上面的信號質量。SAS 串口協議也管理硬件級別的錯誤檢測和重傳。從而使得間斷信號可以迅速得到恢復。

SAS 目標設備支持雙端口操作。這樣能夠創建兩個故障域，并提供更高的可用性。即使故障發生在一個連接到端口的路徑，并且該端口阻止通過該路徑訪問，還是可以通過第二個端口訪問該設備。

從歷史的觀點來說，希捷從市場中采購硬盤接口。希捷與 SCSI (STA) 同業公會以及其他行業領導者合作，充分利用已經廣泛部署的 SAS 基礎設施(圖 2)。表 1 顯示了 12Gb/秒 SAS 和多鏈接為系統構建者和最終用戶組織帶來的好處。

PCI Express接口

PCI Express (PCIe) 是連接外圍設備和主機處理器的主要接口，通過存儲控制器連接到系統中的存儲架構。SATA 和之前討論的 SAS 接口都是通過PCIe 接口(或者主機適配器)連接到主機處理器和內存中。

PCIe 接口是原始的 PCI 接口的串行實現，該原始接口在外圍設備和主機處理器/內存之間提供并行的地址/數據連接。PCIe 接口通信是通過一條或者多條線路實現的，每條線路具有一個傳輸和接收串行接口。最多可以使用 32 條線路來連接主機和設備。每條線路上面的串行數據速率取決于所采用的 PCIe 標準的版本，當前的版本是3.0，數據速率大約為 1GB/s。

對于一個 1U 用戶，PCIe 接口設計為，使用一個(客戶)母板上面的單一連接器，或(服務器)母板上面的兩個連接器，直角適配器。布線系統也是可用的(盡管很少使用)。一個 2U、4U 或7U 服務器具有多個 PCIe 插槽，類似于客戶端應用。PCIe 規格也采用傳輸端(及接收端)訓練以適應配置的阻抗變化，但是它目標是作為比SAS 更短的傳輸信道。

PCIe 開關支持單根 I/O 虛擬化 (SR-IOV) 和多根I/O 虛擬化 (MR-IOV)——這些方法用于提升虛擬系統(管理程序)中的控制器性能。這些虛擬帶有單主機或多主機。SR-IOV 剛剛在適配器中開始成為普遍可用的;不過，VMware 可能還沒有充分利用它的優勢。MR-IOV 在適配器上面通常是不被支持的。

使用 PCIe 接口連接的存儲設備通過直接注冊器連接，或者通過主機適配器連接，該主機適配器接下來通過額外的線纜或者背板型接口連接到設備。

目前，這兩種架構都有很多不同的實現。SATA 在系統芯片集(南橋)中使用主機總線適配器實現—— Intel 或 AMD AHCI——需要不同的 AHCI，但是映射到兼容的 IDE 遺產實現。這些接口也應用不同的 RAID 管理功能。

SAS 具有多個 HBAs 供應商，具有額外的擴展卡和可用的 RAID 控制器，所有這些都使用專有的設備驅動器和 BIOS 以滿足不同的性能和配置需求。

PCIe 驅動控制器接口通過 NVM Express 規格和推薦的 SCSI over PCIe (SOP) 規格實現。SATA 合并下文中描述的架構，是 PCIe 直接注冊器連接的又一個實例。

SOP 和 NVMe 兩種方法的架構是類似的。不過，NVMe 正在由一個產業工作組開發，而SOP 是由公認的開放式標準論壇開發。NVMe僅僅以非易失內存設備的應用為目標，而 SOP也以使用主機總線適配器和 RAID 控制器(帶有不同的 SOP 設備之間的橋接功能)為宗旨。

另外，SOP 著重體現現有的產業架構和功能，而 NVMe 使用一個新的受限制的指令集和排隊接口。

上述的每一種存儲架構都具有各自的優勢，也存在一定的問題。取決于總體的系統設計，使用特定架構的好處可能比該架構帶來的問題更加明顯，因此，需要仔細分析才能做出適當的決定。

這個決定也必須考慮兼容現有的系統設計。例如，使用 SSD 升級一個具有 2.5-inch SATAHDD 的筆記本電腦，并且該 SSD 具有相同的物理大小和相同的(或更新)SATA 接口。在這種情況下，對于 SSD 速度有多快將會有一個限制;超出現有主機 SATA 接口速度則不會提升系統的性能。

在一個類似的情境中，一臺使用短擊 15K-RPM SAS HDD 存儲數據索引的企業級服務器可以進行升級，使用 SAS SSD，從而提升系統的整體性能，但是只能達到其他系統因素成為新的瓶頸的程度(CPU、內存、網絡、適配器等)。

在一個新的系統架構中，增加固態存儲能夠明顯提高系統性能，但是最多只能達到系統架構的其他部分能夠支持的數據速率和帶寬。SSD 中的快速數據傳輸速率也需要有更多的電能提供給設備，并且還有更多的熱量被消耗，不管 SSD 安裝在哪里。

在探討什么因素造成延遲，以及在真實環境下如何影響應用性能這些問題時，存在很多誤解。當考慮這方面的問題時，聚集于整體狀況是相當重要的，而不僅僅是其中的一部分。

在 SSD 中，大部分延遲是由 flash 部分本身造成的。SLC 訪問時間是 25μs+;MLC 訪問時間是50μs+，兩者均假設沒有訪問競爭。隨著隊列深度增加，爭奪 flash 部分的訪問資源可能導致延遲明顯增加。

一但一個 flash 部分開始訪問，其他請求相同部分的則必須等待。多達 8 個 flash die 共享一條公用的總線，這樣使得 die 一直等待，直到輪到該 die 使用總線。家務活動增加了額外的延遲(地址轉換、垃圾收集、損耗平衡等)。

另外一個方面是操作系統，它添加了延遲，無論訪問協議和互連如何。這些包括文件系統、卷管理器、類驅動器和上下文交換開銷。協議和互連差異對延遲的影響非常有限，應用程序可以忽略此影響。

審核編輯：湯梓紅