SATA, SAS und NVMe

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Dieser Artikel zeigt nicht nur die Unterschiede zwischen den Übertragungstechniken SATA und SAS auf und gibt Empfehlungen, welche Technik sich für welche Anwendungszwecke lohnt. Zudem versuchen wir auch einen etwas tieferen Einblick zu vermitteln, wie diese Schnittstellen mit dem restlichen Server-System kommunizieren und auf welche Komponenten man noch einen Blick haben sollte, wenn man beispielsweise auf ein performantes RAID-System viel Wert legt. Zuletzt werfen wir einen kurzen Blick auf die NVMe Technik und beurteilen für wen sich die Investition lohnt.

 

Worin wir unterscheiden

Wenn man sich SATA, SAS und andere Schnittstellen ansieht ist es wichtig zwischen dem Controller, der mechanischen Schnittstelle selbst (also dem, was man sehen kann) und dem genutzten Übertragungs-Protokoll (also die softwareseitige Übertragungs-Technik) zu unterscheiden.

 

1. Anbindung der Schnittstellen an das System

Hier ein Beispiel anhand des Intel Server Boards S2600WTT:

Der SATA-Controller steckt hier im Intel C612-Chipsatz, welcher wiederum mit vier PCIe 3.0 Lanes mit dem Prozessor verbunden ist. Somit ergibt sich ein theoretisch maximaler Datendurchsatz zwischen Controller und Prozessor von ca. 3,9GB/s. Der Controller wiederum spricht die Platten per ATAPI oder AHCI an. Sein 6G Interface erlaubt eine theoretisch maximale Datentransferrate von 600MB/s für jede einzelne Platte. Obwohl die Bandbreite zwischen Chipsatz und Prozessor noch mit über den Chipsatz angeschlossene Pheripherie-Geräten wie z.B. USB geteilt werden muss reicht sie für den Betrieb von herkömmlichen SATA Festplatten völlig aus. Beachten sollte man jedoch, das selbst eine Teilbestückung mit weniger als acht SATA-SSDs diese Konfiguration allein schon aufgrund der eingeschränkten Bandbreite zwischen Onboard-Controller und Prozessor an Ihre Grenzen bringt.

Alternativ können wir bei diesem Board einen Intel-RAID-Controller wie zum Beispiel den RS3DC080 oder RMS3CC080 verwenden, beide Modelle unterstützen SAS 12G für jeden ihrer acht Ports. Ihnen stehen acht PCIe 3.0 Lanes zur Verfügung, über die Sie mit maximal 7,8GB/s mit dem Prozessor kommunizieren. Auch wer noch 6G-Festplatten einsetzt profitiert von der höheren Bandbreite und dem erweiterten Featureset der 12G Controller, vor allem wenn es sich um Serversysteme mit mehr als 8 Laufwerken handelt.

Die traditionelle Anbindung von SSDs und HDDs kann man wie folgt anhand des Intel Server Boards S2600WTT vereinfacht visualisieren:ATAPI SATA SAS

In Zukunft werden wir immer mehr direkt per PCIe angebundene SSDs sehen. Die oben genannten Controller erreichen zwar schon Werte von 750.000 IOPS im RAID, können aber aufgrund der erforderlichen Umrechnung von PCIe Signalen in AHCI oder SCSI die geringe Latenz von hochperformanten Server-SSDs nicht voll weitergeben.

Die Trend: Der Controller der SSD selbst beherrscht PCIe und ist wahlweise als Steckkarte oder per speziellem Interface (SFF-8693) direkt mit der CPU verbunden. Das Schaubild verdeutlicht den Performance-Sprung allein aufgrund der kürzeren Wege bzw. der verringerten Latenz. Weiter unten im Artikel sind ein paar Intel-SSDs aufgeführt, die Sie beispielsweise für den Einsatz in hoch performanten Datenbankservern direkt von uns erwerben können. (*In der Grafik sehen Sie auch HDDs, weiter unten im Artikel wird dieser Umstand mit einem vereinheitlichtem Interface erklärt).NVMe

2. Die unterschiedlichen Schnittstellen

 

Seriell attached ATA     (SATA)

SATA 22 Pins

Seriell ATA (SATA) ist der Nachfolger von Parallel ATA (PATA). Auch wenn sich in der Namensbezeichnung nicht viel geändert hat, so ist nicht nur die Schnittstelle stark angepasst worden. Wie der Name schon sagt werden die Datenpakete nicht mehr parallel (gleichzeitig) sondern seriell (nacheinander) übertragen. Ferner wurde das Übertragungsprotokoll um Mindest-Standards zur Fehlererkennung, um eine Warteschlangen-basierte Befehls-Abarbeitung (Native Command Queing [NCQ]) und ein paar weiteren kleineren Optimierungen erweitert. Das Übertragungs-Protokoll nennt man nun allgemein AHCI.

Trotz der neuen Befehle ist AHCI-SATA weiterhin kompatibel zum ATAPI-Übertragungsprotokoll, im BIOS lässt auswählen in welchem Modus der Host-Controller arbeiten soll. Der aktuelle und letzte SATA-Standard heißt SATA 6G und überträgt theoretisch 6,0Gbit/s. Rechnet man diesen Wert in Mbyte/s um und zieht noch den Protokoll-Overhead ab bleiben im besten Fall 600 MB/s.

An einem SATA-Controller lassen sich auch SAS-Festplatten betreiben – jedoch nur mit den eingeschränkten Features des AHCI-SATA Übertragungs-Protokolls. Eine Erweiterung der vorhandenen Ports ist nur über einen Port-Multiplier möglich.

 

Einsatz im Unternehmen

Mit SATA-Platten lässt sich sehr kostengünstig ein viele Terabyte  oder sogar Petabyte umfassendes Speichersystem aufbauen. Zu beachten ist jedoch, dass das SATA-Interface trotz einiger Optimierungen Für Server-Systeme hauptsächlich für den Desktop-Bereich ausgelegt ist und somit nicht über die Performance und die ausgeklügelten Fehlererkennungs-Mechanismen vom SAS-Interface verfügt.  Vor allem die Protokoll-Abwärtskompatibilität mit ATAPI sorgt dafür, dass Server-SSDs mit SATA-Interface die Schnittstelle mit Ihren hohen IOPS bis an ihre Grenzen bringen.

In einem mehrstufigem Speichersystem (tiered Storage) stellen große Festplatten mit SATA-Interface die letzte Stufe dar. Auf Ihnen werden Daten abgelegt, auf die nur sehr selten zugegriffen wird. Bei der Verwendung von SATA-Festplatten für Backup Archive, Referenzdaten etc. eines „Custom-Backup-Servers“ empfiehlt es sich auf ein spezielles Dateisystem zu setzen, um die stille Korruption der Daten zu verhindern. Einen Lösungsansatz für kleine und mittlere Unternehmen stellen wir in diesem Artikel vor.

 

Seriell attached SCSI     (SAS)

SAS 29 PinsSAS 43 Pins

SAS basiert auf dem für Serversysteme optimierten SCSI-Übertragungsprotokoll (SCSI steht für Small Computer System Interface). Im Gegensatz zu AHCI verfügt das SCSI-Übertragungsprotokoll bereits über ausgeklügelte Strategien um Fehler bei der Datenübertragung zu entdecken und zu beheben.

Nur SAS ist Dual-Port oder aber Wide-Port fähig, ein Controller kann also über mehrere Pfade mit einer SAS-Festplatte kommunizieren. Alternativ lassen sich so auch Hochverfügbarkeitsszenarien mit mehreren Controllern realisieren. Der aktuelle SAS-Standard erlaubt 12Gbit/s, zieht man Protokoll-Overhead und rechnet den Wert um so ergibt sich eine theoretisch maximale Übertragungsrate von  1.200Mbyte/s.

An einem SAS-Controller lassen sich auch SATA-Festplatten betreiben – jedoch nur mit den eingeschränkten Features des AHCI-SATA Übertragungs-Protokolls. Eine Erweiterung der vorhandenen Ports ist über einen oder auch mehrere Expander möglich.

 

Einsatz im Unternehmen

Das SAS-Interface ist speziell für Server entworfen worden, Festplatten mit SAS-Interface verfügen nicht nur über die Interface- und Übertragungs-Protokoll bedingten Vorteile sondern sind auch Allgemein zuverlässiger und leistungsfähiger als ihre SATA-Pendants.

Typische Anwendungen sind Terminal-Server, Datenbank-Server oder aber virtualisierte Server-Umgebungen.

SAS-HDDS nehmen in einem mehrstufigem Speichersystem (tiered Storage) meist den zweiten, manchmal aber auch den letzten Platz ein, wenn keine SATA-HDDs eingesetzt werden. Auf ihnen werden Daten abgelegt, die regelmäßig abgerufen und genutzt werden. An erster Stelle stehen SAS-SSDs, auf denen nur die am häufigsten abgefragten Daten abgelegt werden.

 

SATA Express / SCSI Express / NVMe

Multi 68 Pins

Abgesehen von ein paar Spezial-Lösungen wird es für die meisten Server für kleinere und mittlere Unternehmen in Zukunft diese vereinheitlichte Schnittstelle geben, über die nicht nur die vorgestellten bestehenden SATA- und SAS- Festplatten angeschlossen werden können.

Zusätzlich werden noch 4 PCIe-Lanes weitergereicht, denn sowohl SATA Express als auch SCSI Express werden ihre eigenen Übertragungs-Protokolle in Zukunft über PCIe übertragen.

Update Q2 2015

SFF-8639 ist inzwischen am Markt angekommen – wird zur Vereinfachung jedoch allgemein als U.2 bezeichnet.

 

Non-Volatile-Memory-Express (NVMe)

NVMe ist im Gegensatz zu den zuvor genannten Technologien eine komplette Neuentwicklung um die Leistungsfähigkeit zukünftiger SSDs von einer Million IOPs voll ausreizen zu können. NVMe kennt auch noch eine zweite Schnittstelle, die bereits auf Desktop und Server-Boards zu finden ist: M.2 oder auch NGFF (Next Generation Form Factor). Diese Schnittstelle ist zu SATA kompatibel. Aktuelle M.2 Schnittstellen können also vom Bord-Hersteller wahlweise direkt über einen PCIe 3.0 Link oder herkömmliche SATA links angebunden werden.

Hinweis: Windows 8.1 sowie Windows Server 2012 R2 enthalten bereits alle erforderlichen Treiber um von per NVMe angeschlossenen Laufwerken zu booten. Mitunter ist es jedoch erforderlich das NVMe Device mittels UEFI Befehlen selbst als Boot-Laufwerk verfügbar zu machen. Mehr dazu in einem zukünftigen Artikel.

Ist NVMe direkt über einen PCIe 3.0 x4 Link verbunden, so sind theoretische Übertragungsraten von bis zu 3,94 GB/s möglich.

 

Einsatz im Unternehmen:

Wer hoch perfomanten Speicher z.B. für den Einsatz im Rechenzentrum benötigt, kommt um  SSDs mit direkter PCIe-Anbindung nicht herum. Diese SSDs werden entweder als Steckkarte oder in einem 2,5“ Gehäuse ausgeliefert, verfügen in beiden Varianten jedoch über eine PCIe-Schnittstelle und kommunizieren über NVMe. Hier ein kurzer Ausblick auf die Leistungsfähigkeit Intels neuer NVMe SSDs.

 

Intel DC-P3700-SSDs
KapazitätSequentielle  Lese / Schreibvorgänge (bis zu MB/s)Wahlfreie 4-KB Lesezugriffe / Schreibzugriffe (bis zu IOPS)
400GB2.700 / 1.080450.000 / 75.000
800 GB2.800 / 1.900460.000 / 90.000
1,6 TB2.800 / 1.900450.000 / 150.000
2,0 TB2.800 / 2.000450.000 / 175.000

 

Intel DC-P3600-SSDs
KapazitätSequentielle  Lese / Schreibvorgänge (bis zu MB/s)Wahlfreie 4-KB Lesezugriffe / Schreibzugriffe (bis zu IOPS)
400GB2.100 / 550320.000 / 30.000
800 GB2.600 / 1.000430.000 / 50.000
1,2 TB2.600 / 1.250450.000 / 50.000
1,6 TB2.600 / 1.600450.000 / 56.000
2,0 TB2.600 / 1.600450.000 / 56.000

 

 

Fazit

Sowohl das SATA als auch das SAS-Interface und die zugehörigen Protokolle haben ihre Berechtigung in einem modernen Server-System für kleinere und mittlere Unternehmen. Entscheidungsgrundlage für den Kauf eines Servers mit der einen oder anderen Technologie sollte hier eine Berechnung der Wirtschaftlichkeit je nach Einsatzzweck sein. Gerne stehen wir Ihnen hierbei beratend zur Seite.

NVMe ist derzeit nur für einen kleinen Teil unserer Kundschaft interessant, wird aber mittel- bis langfristig enorm an Bedeutung gewinnen.

 

 

Weitere Informationen / Quellen

Seriel ATA Revision 3.1

Serial ATA Advanced Host Controller Interface (AHCI) 1.3

NVME Express Revision 1.0c

PCI Express Base Specifikation Revision 3.0

Intel Solid-State Drive Data Center Family for PCIe

SCSI Trade Assoziation

Technical Committee T10