Различия интерфейсов SATA, SAS и NVMe для серверных SSD накопителей

Почему у SSD-накопителей разные интерфейсы?

Столь широкое многообразие интерфейсов подключения SSD-накопителей обусловлено в первую очередь тем, что каждый из них создавался с учетом специфики использования, совместимости, уровня производительности и экономической эффективности. Соответственно, каждый из них в чем-то хорош, а в чем-то может уступать своим конкурентам, и это важно учитывать при выборе.

Например, SATA создавался для массового рынка, где на первое место выходят такие важные для потребителя качества, как широкая применимость и сравнительно невысокая стоимость. Этот стандарт поддерживается практически всеми материнскими платами персональных компьютеров и ноутбуков, и демонстрирует базовый уровень производительности. Последнего достаточно для большинства повседневных задач обычного пользователя. Однако, когда потребности выходят за рамки стандартного применения, на первое место на фоне SATA выходят другие интерфейсы.

Интерфейс SAS изначально создавался как решение, ориентированное на использование не в домашнем (частном), а в корпоративном секторе, где на первое место выходят такие качества SSD-накопителя, как высокая надежность и возможность гибкого масштабирования системы.

SAS дает возможность подключать большое количество накопителей посредством RAID или HBA-контроллеров, и тем самым гарантирует стабильную работу системы хранения данных даже при условии постоянно высоких нагрузок. Но и у него есть недостаток: он плохо подходит для бытовых повседневных задач, так как является для них слишком сложным и дорогим инструментом.

Своего рода революцией в сфере SSD-накопителей стало появление интерфейса NVMe. Благодаря сочетанию отличной производительности, которая складывается из высокой скорости и низкой задержки, он быстро обрел заслуженную популярность. Низкий ping при работе с данными в этом случае обуславливается тем, что интерфейс опирается на высокоскоростную шину PCIe. Конечно, и у него есть свои недостатки, например, не такая широкая сфера применения, как у того же SATA.

Так как у всех перечисленных интерфейсов есть не только достоинства, но и ограничения, нельзя однозначно сказать, что из них лучше. Для повседневных задач это будет один инструмент, а для использования в составе сервера – совершенно другой. Именно поэтому все три варианта до сих пор активно применяются в компьютерном оборудовании и не собираются уступать свои ниши.

Какими бывают интерфейсы подключения SSD?

Как вы уже поняли, в центре внимания сегодня три интерфейса подключения SSD-накопителей: это упомянутые выше SATA, SAS и NVMe. Каждый из них – тема отдельного большого разговора, так как все они имеют несколько стандартов, различия между которыми достаточно серьезные. Далее мы поочередно рассмотрим каждый из трех типов интерфейсов со всеми подкатегориями.

Интерфейс SAS

Интерфейс Serial Attached SCSI был создан для использования в корпоративном сегменте, в том числе в серверах, центрах обработки данных и прочих объектах, которые можно отнести к критически важной инфраструктуре. Сегодня SSD накопители, использующие тип подключения SAS, представлены исключительно в форм-факторе 2,5 дюйма. Благодаря этому они компактные, а значит, их легко устанавливать в стандартные серверные стойки, как и вынимать, если это нужно.

Данный интерфейс стал своего рода логическим продолжением популярного стандарта SCSI, который широко применялся в корпоративных системах с 1980-х годов. Новое решение пришло на смену старому по причине острой необходимости отойти от старой параллельной архитектуры, у которой были проблемы как с возможностями масштабирования, так и со скоростью работы.

В начале 2000-х годов, когда объемы данных начали расти, а нагрузка на серверы стала расти в геометрической прогрессии, потребность в новом интерфейсе стала уже критически высокой.

Одной из ключевых особенностей SAS стал обязательный HBA или RAID-контроллер. Хотя с одной стороны это создавало определенные сложности при подключении и настройке хранилища, все же с другой – давало широкие возможности по созданию дисковых массивов. Создаваемые таким образом структуры демонстрируют высокую гибкость, масштабируемость и отказоустойчивость. В том числе благодаря этим преимуществам интерфейс заслужил популярность у многих компаний.

SAS 2.0

SAS 2.0 стал первым значительным шагом в популяризации SSD накопителей для серверных систем. Сразу после своего появления он демонстрировал скорость передачи данных вплоть до 6 Гбит/сек, что эквивалентно порядка 550 Мб/сек. Хотя сегодня это не кажется впечатляющим, для тех лет, когда появилась версия SAS 2.0, такая скорость обеспечивала внушительный прирост производительности. Тем не менее, требования к накопителям росли высокими темпами, из-за чего версия 2.0 быстро уступила свое место более производительным решениям. О них далее.

SAS 3.0

С выходом стандарта SAS 3.0 интерфейс достиг своего пика популярности. Вероятно, с этим были бы серьезные проблемы, если бы в это время был доступен более быстрый NVMe, но последний только начинал свое становление и не помешал росту востребованности интерфейса SAS 3.0.

Скорость передачи данных с обновлением увеличилась ровно в два раза, что составило около 12 Гбит/сек – значение, эквивалентное 1100 Мб/сек. Это сделало его еще более востребованным инструментом для критически важной корпоративной инфраструктуры. Особенно часто SSD с этим стандартом подключения использовались для работы серверов, в том числе за счет надежности.

Интересно, что версия 3.0 не растратила своей популярности даже после появления первых NVMe накопителей, которые хоть и начинали развиваться, демонстрировали весьма большую скорость.

SAS 4.0

С очередным обновлением интерфейс 4.0 стал еще в два раза быстрее, чем предыдущий вариант. Теперь SAS может обеспечить пропускную способность в размере 24 Гбит/сек или 2200 Мб/сек, и это сделало его еще более востребованным у корпоративных пользователей. В то же время, из-за быстрого развития интерфейса NVMe популярность SAS 4.0 начала понемногу сходить на нет.

Несмотря на отставание на фоне более быстрого конкурента, четвертая версия интерфейса SAS все еще довольно широко используется в корпоративных системах и серверах. К причинам его столь большой востребованности можно отнести надежность, отказоустойчивость, удобство в создании RAID-массивов. Он до сих пор остается неплохим решением для ряда специфических задач.

Интерфейс SATA III

SATA III до сих пор остается одним из самых популярных и универсальных стандартов в мире для подключения SSD-накопителей. Его можно найти не только в персональных компьютерах, но еще и в корпоративных системах и даже серверах, хотя в последнем случае он уступает конкурентам.

Краткая история

SATA III появился в 2008 году как вполне логичный результат эволюции интерфейса SATA, который, в свою очередь, создавался как альтернатива уже устаревшему на тот момент PATA. Введение этого стандарта стало ответом на растущие потребности в скорости передачи данных и адаптации к требованиям твердотельных накопителей (SSD), которые начали активно внедряться на рынке.

Ранние версии SATA, такие как SATA I (2003 год выхода) и SATA II (2004 год), были ориентированы в первую очередь на работу с жесткими дисками. Однако с развитием SSD накопителей стало очевидно, что их потенциал серьезно ограничен пропускной способностью интерфейса. В ответ на это SATA III предложил удвоенную скорость передачи данных по сравнению с SATA II.

Создание третьей версии интерфейса стало важным шагом для поддержки более быстрых накопителей и повышения общей производительности систем. Этот стандарт гарантировал 100% совместимость с предыдущими версиями SATA, что позволило производителям и пользователям легко переходить на новое оборудование без полной и дорогой замены инфраструктуры.

Таким образом, появление интерфейса SATA III стало знаковым моментом в истории стандартов подключения. Несмотря на то, что с тех пор появились более современные стандарты, такие как NVMe, третья версия SATA до сих пор остается важной частью экосистемы хранения данных.

Характеристики

SATA III демонстрирует пропускную способность для данных в размере до 6 Гбит/сек или 550 Мб/сек. Ключевое преимущество, за счет которого интерфейс стал таким популярным – это совместимость с любым современным компьютером или сервером. Этот интерфейс поддерживается практически всеми материнскими платами, что делает его универсальным выбором как для бюджетных систем, так и для небольших серверных конфигураций.

SSD накопители, использующие SATA III, представлены в двух основных форм-факторах:

• 2.5 дюйма. Это классический вариант, который крайне широко применяется в ноутбуках, настольных персональных компьютерах и серверах. Эти диски легко устанавливаются в соответствующие отсеки, а их конструкция делает их удобными для замены и обновления.
• M.2. Это еще более компактный форм-фактор по сравнению с 2.5 дюйма, ориентированный на небольшие, но производительные системы, в первую очередь на ноутбуки, игровые консоли и другие ультратонкие устройства, где мало места.

Интересно, что М.2 накопители, подключаемые через интерфейс SATA III, ограничены той же скоростью, что и 2.5-дюймовые варианты. Это важно учитывать при выборе таких SSD-дисков, так как их визуальная схожесть с NVMe-накопителями может ввести потребителя в заблуждение.

Преимущества

Несмотря на ограниченную пропускную способность, интерфейс SATA III остается востребованным стандартом благодаря нескольким причинам:

• Относительно низкая стоимость. Накопители на базе этого стандарта подключения остаются одними из самых дешевых на рынке. Это делает их идеальным выбором для пользователей, которым не важна максимальная скорость передачи данных.
• Универсальность. Поддержка SATA III присутствует практически в каждом устройстве, будь то персональный компьютер, сервер или ноутбук. Это упрощает процесс модернизации и настройки системы, снижает порог вхождения в самостоятельный апгрейд техники.
• Широкий ассортимент. SSD-накопители на основе данного интерфейса представлены в огромном разнообразии моделей с разными объемами и характеристиками. Это дает возможность выбрать оптимальный вариант для любой задачи и уложиться в бюджет.

Несмотря на многочисленные достоинства, SATA III имеет свои ограничения. Его пропускная способность в 6 ГБ/сек давно перестала соответствовать требованиям высокопроизводительных систем. Это делает накопители с поддержкой этого интерфейса подключения менее подходящим для задач, связанных с обработкой больших объемов данных или интенсивным чтением/записью.

Не спадающая популярность SATA III обусловлена его простотой и надежностью. Для большинства пользователей, которым не нужна максимальная скорость, этот интерфейс остается отличным выбором. Кроме того, его совместимость с устаревшим оборудованием и стабильность работы делают стандарт особенно ценным в ситуациях, где важны экономичность и универсальность.

Интерфейс NVMe

Технология PCIe в сочетании с протоколом NVMe перевернул представление о системах хранения данных, предложив невероятно высокую на тот момент скорость и обеспечив вместе с этим минимальные задержки. Необходимость их появления продиктована ростом требований к производительности современных вычислительных систем, которые уже никак не могли быть удовлетворены традиционными интерфейсами, такими как упомянутые ранее SATA и SAS.

История появления

Шина PCIe представлена в начале 2000-х годов как высокоскоростная технология подключения периферийных устройств, таких как видеокарты и сетевые адаптеры. Позже, с развитием твердотельных накопителей, ее начали применять для передачи данных. Однако ранние решения без использования специализированного протокола были значительно ограничены в скорости из-за устаревшего AHCI, который изначально разрабатывался для жестких дисков.

Интерфейс NVMe, представленный в 2012 году, стал революцией. Он был создан специально для работы с твердотельной памятью, устранив ограничения старых стандартов. NVMe позволил накопителям на базе PCIe раскрыть потенциал, предоставив высокую пропускную способность и минимальные задержки. Первые коммерческие накопители начали активно внедряться в середине 2010-х годов, быстро став предпочтительным вариантом в том числе и для серверов.

О преимуществах

NVMe быстро обрел высокую популярность как в повседневных, так и в коммерческих задачах благодаря целой плеяде преимуществ:

• Высокая скорость передачи данных. Шина PCIe обеспечивает значительно большую пропускную способность, чем SATA и SAS. Накопители NVMe достигают скоростей чтения и записи в гигабайтах в секунду, многократно превышая показатели традиционных решений.
• Минимальные задержки. Интерфейс NVMe минимизирует задержки при доступе к данным, что особенно важно для критически важных задач, таких как работа с базами данных и анализ больших массивов информации.
• Поддержка параллельной обработки. Интерфейс позволяет обрабатывать тысячи команд одновременно благодаря оптимизации, рассчитанный на многоядерные процессоры. Это повышает производительность в системах с интенсивной многозадачностью.
• Компактность и разнообразие форм-факторов. Многочисленные форм-факторы, включая M.2 и U.2, предлагают потребителям компактность и высокую производительность, что идеально подходит для серверов и компактных устройств.
• Гибкость и масштабируемость. Накопители NVMe легко интегрируются в современные системы, что делает их подходящими для различных задач – от оснащения персональных компьютеров до комплектации серверных и достаточно крупных дата-центров.

NVMe требует современного оборудования, такого как материнские платы с поддержкой PCIe и специализированные драйверы, что может затруднить их использование в старых системах.

Также накопители с поддержкой этого интерфейса выдвигают более высокие требования к охлаждению, так как при интенсивной нагрузке они могут значительно перегреваться. Несмотря на это, они остаются востребованным решением, которое вряд ли заменят в ближайшие годы.

PCIe Gen 2

PCIe Gen 2 стал первым шагом в использовании шины PCIe для серверных SSD накопителей. Этот стандарт, появившийся в конце 2000-х годов, заложил основу для дальнейшего развития высокоскоростных систем хранения данных. Накопители на его основе были представлены в форм-факторе HHHL. Это платы расширения, подключаемые к слотам PCIe материнской платы.

Главной особенностью PCIe Gen 2 стало разнообразие конфигураций с точки зрения количества линий PCIe. Накопители могли оснащаться от 4 до 8 линий, что определяло их пропускную способность. Максимальная скорость передачи данных для лучших устройств того времени достигала 4 ГБ/с, что значительно превосходило возможности SATA и SAS интерфейсов. Это сделало PCIe Gen 2 настоящим прорывом для серверных систем, требующих высокой скорости.

Однако, несмотря на свои преимущества, Gen 2 быстро устарел. С ростом требований к скорости и появлением новых поколений PCIe, его пропускной способности стало мало для современных задач. Сегодня SSD-накопители на базе PCIe Gen 2 практически не используются, уступив место более совершенным решениям, таким как NVMe на основе PCIe Gen 3 и выше. Тем не менее, роль PCIe Gen 2 в становлении высокопроизводительных накопителей все-таки трудно переоценить.

NVMe PCIe 3.0

Интерфейс NVMe на базе PCIe 3.0 стал настоящим прорывом в мире твердотельных накопителей, изменив представление о скорости и эффективности систем хранения данных. Впервые представленный в начале 2010-х годов стандарт быстро стал массовым благодаря своим плюсам.

До появления PCIe 3.0 накопители с подключением NVMe уже начали демонстрировать потенциал высокоскоростных технологий. Однако именно третье поколение шины PCIe позволило этим устройствам выйти на новый уровень производительности. Пропускная способность одной линии PCIe 3.0 достигала 1 ГБ/с, а использование нескольких линий (x4 или x8) обеспечивало скорости передачи данных до 7 ГБ/с. Это стало революцией в сравнении с ограничениями SATA и ряда SAS.

Одной из ключевых особенностей NVMe PCIe 3.0 стало появление новых форм-факторов, которые удовлетворяли потребности широкой аудитории:

• M.2. Компактный форм-фактор, который быстро стал популярным благодаря универсальности. Такие накопители использовали до 4 линий PCIe, что давало скорость передачи данных до 3.5 ГБ/с. M.2 подходил как для персональных компьютеров, так и для серверов с ограниченным пространством.
• U.2. Корпоративный аналог M.2, который отличался от оригинала дополнительной надежностью и долговечностью. Он тоже использовал до 4 линий PCIe и предлагал аналогичную производительность, но был лучше адаптирован к интенсивным нагрузкам в серверных системах.
• HHHL. Более крупный вариант для серверов и рабочих станций. Эти накопители использовали до 8 линий PCIe, достигая максимальной скорости передачи данных до 7 ГБ/с, и при этом показывали максимальную отказоустойчивость, что было важно для серверов.

NVMe PCIe 3.0 открыл дорогу новым приложениям, где высокая скорость и параллельная обработка данных играли ключевую роль. Виртуализация, базы данных, работа с большими данными и машинное обучение – все эти задачи стали проще благодаря этому стандарту.

NVMe PCIe 4.0

С появлением NVMe PCIe 4.0 мир SSD накопителей сделал еще один огромный шаг вперед. Этот интерфейс стал логическим продолжением своего предшественника PCIe 3.0, предлагая удвоенную пропускную способность и новые возможности. Его внедрение открыло путь к еще более высокопроизводительным решениям, которые стали незаменимыми в IT-индустрии.

Главным преимуществом PCIe 4.0 стало удвоение скорости передачи данных на каждую линию. Если PCIe 3.0 демонстрировал пропускную способность в 1 ГБ/с на линию, то PCIe 4.0 увеличил этот показатель до 2 ГБ/с. Для накопителей, использующих 4 линии PCIe (x4), это означало скорость до 8 ГБ/с, а для более мощных устройств с 8 линиями (x8) – вплоть до 16 ГБ/с.

Достигнутое таким образом удвоение пропускной способности позволило лучше раскрыть потенциал современных процессоров и высокоскоростной оперативной памяти.

Что касается форм-факторов, с внедрением PCIe 4.0 знакомые ранее варианты SSD-накопителей были дополнены новым решением – U.3. Он стал гибридным форматом, способным работать как с SAS, так и с NVMe интерфейсами, что давало использовать один диск в разных конфигурациях.

Основные форм-факторы PCIe 4.0 включают:

• M.2. Вариант для пользовательских и серверных систем. Использует до 4 линий PCIe, что обеспечивает пропускную способность до 8 ГБ/с.
• U.2. Корпоративное решение с аналогичной скоростью, но с улучшенной надежностью и возможностью горячей замены.
• U.3. Новый гибридный стандарт, SAS и NVMe в одном устройстве. Подключение через 4 линии PCIe ограничивает его скоростной потенциал до 8 ГБ/с.

Сохранился и форм-фактор HHHL, который использовал до 8 линий шины и развивал скорость до 16 ГБ/с. Этот форм-фактор остался оптимальным выбором для серверов и рабочих станций.

NVMe PCIe 4.0 стал очередным этапом в эволюции твердотельных накопителей, предложив пользователям высокую производительность, новые форм-факторы и гибкость в использовании. Этот стандарт завоевал популярность среди корпоративных клиентов, которые ценят его скорость, масштабируемость и возможность интеграции с современными и устаревшими системами.

NVMe PCIe 5.0

Интерфейс NVMe PCIe 5.0 стал очередным, но важным шагом в эволюции производительных SSD накопителей. Внедрение PCIe 5.0 удвоило пропускную способность по сравнению с PCIe 4.0, что сделало этот стандарт актуальным для задач, требующих максимальной скорости обработки данных. Его появление укрепило позиции NVMe в качестве решения для систем хранения.

PCIe 5.0 демонстрирует пропускную способность в 4 ГБ/с на каждую линию, что в два раза превышает возможности PCIe 4.0. Для накопителей, использующих 4 линии PCIe (x4), максимальная скорость передачи данных достигает 16 ГБ/с, а для более мощных устройств с 8 линиями (x8) – до 32 ГБ/с.

Эта невероятная скорость делает PCIe 5.0 идеальным выбором для приложений, требующих мгновенного отклика и интенсивной обработки данных, таких как машинное обучение, искусственный интеллект, анализ больших данных и высокопроизводительные вычисления.

Какой интерфейс выбрать?

Выбор интерфейса подключения серверных SSD накопителей зависит от задач, требуемой производительности и бюджета. Например, SATA подходит для задач, где не нужна высокая скорость, но важны доступность и совместимость. Это идеальный вариант для:

• бюджетных серверов и рабочих станций;
• резервного копирования и архивирования;
• комплектации устаревшего оборудования.

SAS рекомендуется для систем, где на первое место выходят надежность и масштабируемость. Этот интерфейс будет оптимальным в случае, если нужно оснастить следующие объекты:

• корпоративные серверы, работающие с большими объемами данных;
• системы хранения с RAID-массивами, где важная отказоустойчивость;
• центры обработки данных и объекты критической инфраструктуры.

NVMe – оптимальный выбор для систем, требующих максимальной производительности и минимальной задержки. Этот интерфейс стоит рассмотреть, если:

• вы работаете с задачами, требующими большой вычислительной мощности;
• ставите на первое место мгновенный доступ к данным и высокую скорость чтения/записи;
• требуете от накопителя минимальной задержки (например, это важно для облачных платформ).

SATA, SAS и NVMe – каждый из этих интерфейсов адаптирован под определенные задачи и требования. SATA остается доступным и универсальным стандартом, SAS обеспечивает масштабируемость и надежность, а NVMe задает новый уровень производительности и скорости. Понимание особенностей каждого интерфейса помогает выбрать оптимальное решение для любых систем хранения данных, от небольших серверов до мощных корпоративных систем.