SATA的爆发—前言

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前言

硬盘作为PC系统当中容量最大，数据保留时间最长的存储媒质，其重要性是不言而喻的。相信没有什么事比一刹那间失去数十GB宝贵的数据资料来得更加痛苦的了。正因为硬盘在电脑系统中扮演着一个特殊重要的角色，所以即使硬盘一直以来的发展没能给大家太多的惊喜，但人们关注的目光始终没有在硬盘市场上离开过。

相对于CPU一类的主要依靠半导体技术的产品，硬盘是一个技术交融的产物。机械技术、材料技术、电磁技术和半导体技术等更方面的顶尖技术在硬盘身上得到了完美的融合，它们之间互相影响，互相推动，但同时也互相制约。个别技术的突破可以让硬盘的这个技术融合体得到一定层次的提升，但也正是由于制约因素太多，所以要想在整体上取得飞跃，不得不经历一个相对漫长的技术积累过程。比如材料技术的进步可以提升硬盘碟片的数据存储密度，磁头技术的发展让硬盘的寻道能力进一步得到增强，主轴电机的改进在提高了硬盘转速改善性能的同时也降低了硬盘的工作噪声，正是这一点一滴的技术积累一步一步地推动着硬盘的发展。虽然硬盘的发展是漫长而艰辛的，但人们对硬盘发展的要求却从来未变，就是要追求容量更大，性能更高，数据稳定性更佳的硬盘。



II.技术与发展

正如前面所提到的，技术的积累推动着硬盘发展，而这个发展过程又相对缓慢，一年之中我们所能看到的新技术的应用往往屈指可数。在过去一年里，硬盘技术并没有突破性的发展，只是沿着一定的发展方向稳步前进。

－关于主轴转速和容量－

转速

沉寂了多年的桌面硬盘主轴转速终于在今年获得了提升，7200转不再是桌面硬盘的最高转速，西数的Raptor“猛禽”将这一记录提高到了10000转。高转速对提高性能的帮助是显而易见的，就像过去硬盘转速从5400转提升到7200转那样，更高的主轴速度可以缩减硬盘的寻道时间并提高数据传输率，为进一步提升桌面硬盘的性能奠定了基础。不过需要指出的是，西数的这款万转硬盘主要是基于SCSI的磁盘技术，即采用SCSI的盘体加上先进的SATA界面实现高端硬盘的桌面化，因此应和传统意义上的万转IDE硬盘区别开来。我们都知道，早在IDE硬盘踏步于7200转之际，SCSI硬盘的转速已经达到了10000转甚至是15000转，因此我们对“猛禽”的万转硬盘并没有感到太多的惊喜，反倒是惊叹于西数前卫的思路和大胆的尝试。



就目前硬盘的发展情况来看，采用传统IDE技术的硬盘要想突破7200转条件还不成熟。首先我们必须明白，性价比是桌面硬盘的首要之义，在较低的成本之下，桌面硬盘不可能达到高端硬盘的机械性能。另一方面，要想桌面硬盘达到高端硬盘的转速和性能，硬盘的单碟容量不能过大，目前高性能的SCSI硬盘的单碟容量只有36.7GB；而目前主流桌面硬盘的容量在80GB到120GB之间，这就意味着需要采用多碟封装，成本难以得到控制。其次，若不采用SCSI技术，传统的IDE技术又难以负荷更高的转速，硬盘的安全性和耐用性势必面临严峻的挑战，这正是桌面硬盘迟迟未能在主轴转速上取得突破的原因。但不管怎么说，西数还是将桌面硬盘的最高转速推向了10000RPM，相信不用多久其他厂商都会作出回应，至于是借鉴西数的做法还是为我们带来一款采用传统IDE技术的真正的万转硬盘，绝对是未来一段时间内值得关注的话题。

容量

要标记硬盘的发展速度，容量恐怕是最直观的标准。1980年，希捷(Seagate)公司制造出了个人电脑上的第一块温彻斯特硬盘，这个硬盘的容量仅有5MB，而目前市场上容量最大的硬盘则是Maxtor的MaxLine II 300GB，短短23年间，硬盘的容量增长了6万倍！然而对比起当初DOS的容量与目前WindowsXP的容量，你就会发现这种增长并不是没有必要的。随着图像、视频以及软件的大型化，主流硬盘的容量在不断刷新：



从上表我们可以看到主流硬盘的容量每年都在翻倍，发展速度之快让人咋舌。目前桌面硬盘最大单碟容量已经超越了80GB，但仍未能进一步提升到下一个容量的分水岭，因此更大的单碟容量目前还没有正是公布。IBM，西数和迈拓使用3碟封装技术已经将桌面主流7200转硬盘的容量提升到了250GB。诚然，从来没有人会嫌硬盘空间太多的，伴随速度的提升，硬盘容量的提升让人们可以尽情享受这个数字世界的精彩。

说到硬盘的机械结构，有一个部件最为重要但又最容易被人忽略，那就是主轴轴承。从滚珠轴承到油浸轴承再到液态轴承，硬盘轴承处于不断的改良当中。自从希捷在酷鱼IV身上开创液态轴承马达的先河之后，各大厂商纷纷仿效，迈拓、三星都在它们的新产品中采用了液态轴承马达。这种马达由于采用液体作为轴承，所以金属之间不直接摩擦，这样一来除了延长了主轴点解的寿命、减少发热之外，最重要一点是实现了硬盘噪声控制的突破。目前酷鱼和三星的N系列几乎可以在工作中实现零噪声，避免了早期硬盘噪声给用户带来的滋扰。液态轴承马达相信在今后一段时间内都会成为硬盘的必备部件。

SATA的爆发—2003年度硬盘发展

市场状况

用“千呼万唤始出来”形容SerialATA绝不为过。早在 2001年8月29日，Serial ATA工作小组（Working Group）在正于美国圣诺塞市举行的Intel Developer Forum （IDF）Fall 2001上发表了制订中的I/O规格“Serial ATA 1.0”。时至今天，SerialATA在众人关注的目光下走过了两载，但令人遗憾的是，SerialATA仍未能最终走上告诉发展的快车道。也许是由于服役了17年之久的并行ATA界面实在太过根深蒂固了，因此SerialATA组织当初规划SerialATA发展蓝图的时候早已为并行ATA向SerialATA过渡预留了一段漫长的过渡期：



从规划中我们可以看到，从2002年底SerialATA硬盘产品诞生开始，2003年和2004年都是传统并行ATA向SerialATA过渡的时期。在2003年，SerialATA所占出货产品的比重不会超过10％，2004年预期将超过30％。SerialATA取代并行ATA将是一个漫长而曲折的过程，究其原因主要有四点：第一、传统并行ATA经历了17年的发展，市场占有率占据了绝对的优势，要让并行ATA完全退出市场需要相当长的时间；第二、SerialATA作为新生技术，消费者要接受和认同需要一段适应时间；第三，SerialATA全面抢占市场需要主板等周边设备的支持，周边设备需要一个准备就绪的过程；第四，SerialATA作为先进的存储界面，目前所能发挥的技术优势还相当有限，需要硬盘设备的性能规范进一步提高。以目前的发展速度，预期要到2005年，SerialATA才有望全面超越并行ATA硬盘而成为市场的真正主流。

技术优势

为什么SerialATA一诞生就注定要取代并行ATA呢？原因在于SerialATA先进的技术更有利于数据传输的速度和稳定性。目前广泛使用的并行ATA标准采用的是16位并行连接方式，使用源同步时钟，即数据信号与时钟信号同步发送，其缺陷在于当数据带宽即时钟频率增大之后信号很容易产生串扰、反射或扭曲等诸多不稳定因素。也正因为并行ATA对信号质量的要求高，所以对数据线缆的要求比较严格。为进一步提高UltraATA接口的速度，从ATA66规格开始就必须使用80芯的硬盘数据线（UltraATA/33数据线为40芯），除了传输数据和时钟信号所必须的信号线之外还增加了更多能起到屏蔽作用的地线，以防止信号串绕。另外为了确保数据传输的稳定性，线缆的长度最大不能超过18英寸（约46厘米）。



Serial ATA的出现解决了并行ATA在高数据传输率之下时钟和数据同步的问题。Serial ATA使用嵌入式时钟信号（从数据信号中提取时钟同步信号），采用串行方式传输数据，由于没有并行通道，因此不必担心时钟歪曲现象的出现。此外，串行ATA的CRC（循环冗余效验）机制能同时对命令和数据字符码位进行效验（并行ATA并不对命令进行效验），使误码率进一步降低，大大增加了总线的可靠性 。SerialATA的数据线只有7芯，其中4芯是信号线，另外3芯是地线，用来降低线路阻抗并减少串绕。SerialATA数据线的接口面积只有常见40针硬盘线的1/6，并且线缆的最大长度可达1米，细长的数据线给安装带来不少方便。

实现方式

众所周知，SerialATA采用串行方式传输数据，但在并行技术仍大行其道的今天，目前的串行技术主要有4种实现方式。

SATA的爆发—SATA硬盘技术实现原理

2003-9-13 19:51:00

由于基于并行ATA的硬盘技术已经相当成熟，所以在磁盘系统串行化的过程中出现了过渡型的产品，就是在原来使用并行硬盘处理器的并行硬盘中或在主板的并行磁盘控制器上增加并－串转换的SATA桥芯片已实现的串行界面。


（Marvell 88i8030是常见于主板和硬盘的SATA桥芯片）

在这种方式下，硬盘内部或桥芯片与磁盘控制器之间实际上仍以并行方式传输数据，只是到了SATA桥才将数据串行化（如上图方式1，2，3）。采用这种方式组建的磁盘系统只在数据线传输的一段利用了串行技术，并且数据要经过串－并、并－串转换的开销，所以SerialATA的CRC技术优势和150MB/s的理论界面速度未能完全发挥；但由于并行技术已十分成熟，简单的改造可以降低成本并加快新品的上市速度，所以早期的SerialATA硬盘（如酷鱼V和金钻9）以及部分使用Marvell 88i8030桥芯片的主板普遍采用了这种方式。

磁盘系统的真正串行化是先从主板方面开始的，早在串行硬盘正式投放市场以前，主板的SATA接口就已经就绪了。但在Intel ICH5，SiS964以及VIA VT8237这些真正支持SATA的南桥芯片出现以前，主板的SATA接口是通过第三方芯片实现的。这些芯片主要是SiliconImage的SiI 3112和Promise的PDC20375以及PDC20376，它们能够从PCI总线上扩展出SATA界面，实现串行传输。有众多产品可供选择，目前主板方面的串行接口已经不成问题，反倒是硬盘向串行过渡表现得比较迟缓。直至酷鱼7200.7 Plus的出现才产生了上图中第4种系统方式，这才是真正的串行数据传输方式。由于酷鱼7200.7直接采用了串行硬盘处理器，所以无须并－串转换就能直接提供串行界面，在减少了不必要的转换开销的同时也实现了硬盘数据的真正串行传输。往后的SerialATA硬盘都会向这种模式靠拢。

发展进程



目前使用的SerialATA为1.0标准，时钟频率为1.5GHz，除去以8b/10b形式对数据进行编码所消耗的大约20%的带宽外，用于数据传输的有效带宽峰值达到了150MB/s，这个速度略高于Ultra ATA/133的133MB/s。而事实上，SerialATA组织当初制定SerialATA 1.0标准时就一并规划出SerialATA 2.0和SerialATA 3.0标准。就在SerialATA 1.0方兴未艾之际，Serial ATA Ⅱ工作组已经策划着第二代SerialATA的升级工作，预计分两步走——第一步是实现对SATA 1.0的功能扩展，即扩展SerialATA 1.0；第二步将实现传输速率达3.0Gbps（300MB/s）真正的SerialATA II，这一升级预计会在2005年底完成。

而在高端SCSI领域，串行技术也在影响着未来磁盘界面的发展，采用串行技术的SAS（Serial Attached SCSI）串行附属SCSI将成为下一代的SCSI标准，不过与SerialATA不同，SAS的起跳速率是3Gbps（300MB/s），与目前的Ultra SCSI 320相当。目前SAS处于产品设计阶段，并计划兼容SerialATA II，使Serial ATA Ⅱ进入企业级市场作为Serial Attached SCSI在低端的补充，ATA和SCSI交汇之处不再泾渭分明。最终的合作标准尚未达成，但可以肯定的是串行技术将在未来十年内大行其道。