掌握储存接口从并行转移至序列技术的趋势
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2003-11-01 00:00
前言:
在2003年,储存产业正迈出关键的步伐,业者已将使用十多年的旧型接口技术转移至新领域。新技术则将彻底改变硬盘机设计的方向,并开拓许多新市场。硬盘机制造商与系统设计业者开始建置各种序列型接口技术,以取代目前使用的各种平行式实体接口标准,在各种系统中连结系统总线与磁盘储存装置。
为大幅提升数据流量,各种序列技术提供IC封装、接线规格、耗电率、以及其它重要系统效能标准等方面的优势,让储存方案代工厂商有机会提供支持多种接口标准的储存解决方案,结合更轻巧的外型、操作更简便、数据传输更快的产品。
IDC预估,在未来数年,采用序列型接口的硬盘机数量将迅速增加;在2006年将占全球磁盘驱动器市场的70%。序列型储存解决方案不仅提供更快的传输速度,更带来许多新的机会,让厂商开发低成本的企业级系统。
本文将说明IC供货商为何须寻找低成本的方案来支持这些新型接口技术,以便在这波市场转移中掌握商机。
发展序列界面的动力
多年来,硬盘机接口技术一直由两种平行标准所主导,各自雄据不同的市场;一个是Advanced Technology Attachment (ATA,亦称为ATA/ATAPI 或IDE) ,这是一套16位的并行接口,每个信道仅支持两部装置,使用80针、长度18英吋、宽度3英吋的排线,最高数据传输率为每秒100MB。其效能与连结限制让ATA仅限于应用在桌上型平台与行动储存系统。而SCSI(Small Computer System Interface)则是另一套频宽更高的解决方案,应用在各种高阶企业储存系统,。它是一套16位的平行LVDS接口,每个信道最多可支持16个储存装置,使用长度上限为12公尺的80针排线,提供每秒320 megabyte的传输速度。
这些平行式硬盘机接口是大多数现有系统所使用的技术,如今已面临各种效能上的限制。ATA与SCSI因各种电子特性衍生出许多设计上的挑战,例如像讯号扭曲、串音、触地反射、以及5伏特的容许值,导致数据传输率与距离上的限制。此外,并行接口需要大量的讯号与接地处理,故对芯片封装、电路版配线、以及接头/排线/外覆层形成许多挑战。最后,因半多任务模式(half-duplex operation)所型成的效能限制,让并行接口架构无法因应未来系统在效能与成本方面的需求。
为克服并行接口的各种限制,硬盘机产业针对新一代硬盘机发展许多不同的序列接口标准。
序列型接口提供产业许多优势,以两组差动讯号对(传送与接收)为基础,4线型接口采用内含嵌入时脉(embedded clock)的讯号简化时序设计。此外,这些接口采用少量的针脚,增加产品整合连结端口的数量,并简化电路板配线、排线、以及接头的设计。序列技术采用的排线比平行技术的排线更加细小,能节省机壳内部的空间。低电压差动讯号与各种先进半导体制程技术兼容,故能简化设计流程并支持量产需求。有别于共享(总线)的媒体设计,采用点对点连结模式的序列接口能为每部装置提供完全的接口频宽。
各种新序列接口标准
1. 桌上型、行动、以及消费性电子等平台
Serial ATA (SATA)是一套新的实体储存接口标准,与平行式ATA接口之间具有软件兼容性并能取而代之。支持SATA 1.0标准的磁盘驱动器能将数据传输率提升至每秒150MB(MB/sec),速度比一般采用平行ATA技术的100MB/sec装置提升50%。
SATA 1.0 接口规格于2001年由横跨整个产业及论坛的Serial ATA工作小组制定完成。SATA融入未来的磁盘技术,提供一套具有远见的效能拓展蓝图,SATA 2.0版与SATA 3.0版的技术将分别支持300 MB/sec与 600 MB/sec的传输速度,SATA 3.0预计将于2006年开始应用在实际产品上。
2. 高阶企业
Serial Attached SCSI (SAS)是序列版的SCSI,由SCSI业界研发的新科技,让SCSI的发展蓝图延伸至未来领域,让SCSI接口提升至更高的效能与多元性。SAS采用SCSI传输协议,但亦运用大部份SATA的实体层技术,让SAS与SATA之间达到某层级的互通性,让系统整合业者在经济与效能两者之间有更多的选择方案。SAS规格于2003年初大致完成规划,可支持150 MB/sec与300 MB/sec的数据传输率。
在比较新型的序列接口与并行接口的数据传输率时,须注意并行接口采用的总线架构,让多组硬盘机须分享所有的接口频宽。例如,若有5部硬盘机连结至一组320 MB/sec SCSI接口,则每部磁盘驱动器可使用的接口频宽仅有320 MB/sec的5分之1,也就是64 MB/sec。相反地,SAS使用点对点架构,让每部磁盘驱动器都能充份使用所有的接口频宽。因此,即使是150 MB/sec的SAS接口,其效能亦优于320 MB/sec的平行式SCSI。
第三种接口标准为Fibre Channel光纤信道,是第一套大规模应用在企业储存系统的序列型接口,长久以来一直展现承袭自序列技术的高效能与可靠度。光纤信道的数据传输率为100、200、以及400 MB/sec,主要应用在各种储存局域网络(SAN)产品。广泛应用在储存网络基础架构,并作为光纤信道接口硬盘机的连结接口。
尽管SCSI与光纤信道磁盘驱动器将持续主导企业市场,但随着整个业界持续转移至序列技术,市场仍存在可观的商机。以往平行式ATA由于承袭效能与扩充上的限制,故对于企业市场较缺乏吸引力。随着IT主管持续努力降低成本与提升可靠度,加上SATA的大幅改进,在许多业务数据处理频率较低的企业级储存解决方案市场中,SATA产品已成为SCSI与光纤信道磁盘驱动器的理想替代方案。SATA磁盘驱动器的成本仅有SCSI磁盘驱动器的4分之1,促使它成为突破性的技术并协助业者将低成本解决方案推入高阶储存市场。
从并行转移至序列设计技术
对于众多科技界使用者而言,序列技术能带来明显的利益。但对于一般PC买家而言,他们更在意新接口所须付出的成本。因此,PC组件厂商与硬盘机供货商将面临来自于消费者与竞争厂商的沉重压力,须在不增加产品整体成本的前提下,从平行ATA转移至SATA。事实上,拉平SATA与平行ATA成本,一直都是SATA主要设计的目标。
由于市场因素衍生出各种成本上的限制,与针对消费性桌上型与笔记型计算机所规画的技术蓝图,再加上业界需要一套硬盘机与主机板皆能支持的接口,故代工厂商在从并行转移至序列技术时,须小心评估各种不同的设计方案
尖端半导体整合技术,让厂商能提供具备极精密功能的硬盘机,内部仅使用4颗IC。系统单芯片(SoC)内含硬盘机的 “大脑”,芯片内含一组微处理器与/或数字讯号处理器、硬盘机控制器、用来传输硬盘数据的读取信道、以及ATA接口等组件。
在2002年间,硬盘机制造商便开始推出SATA接口硬盘机。这些初期硬盘机使用所谓的 “桥接芯片”建置SATA接口。桥接芯片基本上是一组独立的 “接口转换器”芯片,负责在传统SoC的平行式ATA接口与SATA接口之间提供转换机制。这种解决方案不须针对复杂且成熟的平行ATA SoC进行任何修改就能纳入SATA接口功能。但它亦有多项明显的缺点:
• 由于额外芯片以及相关的外部组件、增加的印刷电路板空间、更多的生产步骤、以及更低的良率,造成产品成本上扬
• 桥接芯片额外的耗电
• 因额外耗电所导致的散热问题
• 由于平行式ATA接口在SoC与桥接芯片之间产生的电子噪声,使电磁干扰(EMI)问题更加严重。
• 硬盘机印刷电路板增加设计的复杂度
• 平行式ATA接口对SoC与桥接芯片造成的效能限制
最后一点对于了解桥接技术的限制,有着关键性的影响。典型的SATA桥接解决方案运用标准平行式ATA接口,连结SATA接口桥接芯片与硬盘机上的SoC。在这种桥接技术下,平行式ATA接口成为数据传输的瓶颈 – 因它通常仅支持100 MB/sec的速度,故桥接器亦受限于此一速度。
桥接芯片解决方案为市场提供高速的传输,吸引硬盘机厂商尽早跨足SATA市场,让SATA接口从观念迈入实际产品;亦使其代工厂商培养处理高速SATA讯号的经验,建置生产与产品测试的基础建设,为将来推出新技术产品奠定基础。但桥接芯片会增加成本、机板空间、以及耗电率,同时提高设计与生产的复杂度,且通常对效能提升没有帮助。因此,桥接芯片显然只是过渡方案,对于量产而言并不是可行之道。
透过整合SATA接口的单芯片SoC取代平行ATA接口,能使IC研发业者藉此让代工厂商获得高效能的硬盘机子系统,且不须承担更多的成本或复杂性。这种的解决方案不会在硬盘机中增加组件,并让SoC能发挥SATA较少讯号数量的优势。整合SATA技术的SoC能节省机板空间,且更容易建置、提高可靠度、且耗电比双芯片的 “桥接型”产品更低,这些都是行动PC与消费性电子装置专用硬盘机的关键考量因素。
将SATA接口直接整合至SoC,是业界迈向更高整合度趋势下的必然发展,但亦衍生出许多挑战。SoC内含极复杂读取通道IC,负责处理来自前置放大器的电子讯号。在设计一套整合型SATA SoC时须适当维持讯号的完整性,以确保从SATA接口发出的高速讯号不会影响读取信道的运作。同样地,SATA讯号发送器与接收器都是高效能电路,须配置适当的遮蔽以防范电子噪声的干扰。
在复杂的硬盘机SoC设计中,成功整合SATA接口需要极高的混合讯号研发技术。其优势是让解决方案能降低高效能硬盘机所造成的成本并提升其效能与可靠度。SAS 硬盘机研发脚步在SATA问市之后开始推动,大多数研发SATA所累积的经验可被应用于SAS。配合类似SATA桥接芯片的独立SAS接口芯片解决方案,可用来开发传输协议软件的原型方案,但业界预料即使在第一套SAS硬盘机开始量产上市时,实体接口层仍会被整合至SAS 硬盘机控制器。对于硬盘机而言,SAS控制IC – 以及光纤信道控制器IC –通常不会嵌入读取通道区块,因为消耗功率在IC封装上的限制。此点会让SoC的整合问题获得些许纾解。
针对所有传输协议提供低成本序列接口的解决方案
直至最近,这3种主流储存接口技术:平行式ATA、平行式SCSI、以及光纤信道,各自拥有特定的应用领域,彼此市场有些许重迭。SATA与SAS的问市打破这项局势。这三种接口技术的实体接口层以及连结能力发展得愈来愈接近。顾客须挑选最佳的产品与应用组合,而硬盘机与其它储存基础建设产品制造商未来将必须同时支持这三种接口。
这些制造商则需要IC供货商提供弹性化的解决方案。理想的IC解决方案是单一IC产品,能同时支持三种接口且不会增加成本。但由于这三种接口协议存在的差异,让开发单一IC解决方案面临许多挑战。另一方面三种技术的实体接口层存有一定的类似性,故能运用一套通用的组件支持三种规格。这类组件内含SATA、SAS、以及光纤信道彼此互通的核心功能,并针对相异的参数提供调整与程序化的功能。Agere Systems在2003年初为其序列储存接口平台开发出这套核心,作为研发磁盘端SoC与主机端控制器系统的基础。
Gigabit序列接口的核心功能是透过序列器/解序列器(SERDES)所建构,SERDES能将数据在内部使用的平行格式与外部传输所使用的序列格式进行转换。这个核心区块通常亦称为PHY,也就是实体层接口区块。
SERDES最关键的效能参数就是在传送讯号时的低讯号抖动,以及在接收讯号时的高抖动容忍度,且须在出现大量电源噪声时提供上述特性。不同的接口标准以不同的方式规范这些参数,但不同标准之间的实际需求却相当类似。
不同接口标准的各种电子参数皆有差异,例如像讯号的振幅以及上升/下落时间,这些因素可在SERDES中进行调整。代工厂商在系统层级针对接口效能进行最佳化,故需要各种功能与程序化能力,以突破特定标准的严格需求。这方面需要接口标准具备可编程能力,以支持其它标准。
现今的半导体制程技术,让业者能开发单一高效能SERDES,满足三种接口标准在不同数据传输率方面的需求,且产品价位符合桌上型平台专用低价硬盘机的水准。这类通用解决方案为代工厂商提供产品迅速问市、降低成本、以及可靠度等方面的优势,不论业者选择支持何种接口。此外,由于代工厂商能运用同一套成熟的硅组件平台开发多种序列产品,故能进一步提升研发效率。
业界全面建置
如先前所述,转移至序列型解决方案需要硬盘机与PC主机板皆支持新接口,因此随着各大PC微处理器厂商开始推出SATA主机板芯片组之际,许多磁盘驱动器制造商已调整其发展蓝图,着手在2003下半年建置SATA技术。
平行至序列的发展交会点现已浮现,硬盘机代工厂商须配合现今市面上新型PC芯片组与主机板的发展趋势,维持竞争力与成本效益。PC代工大厂在目前的转移阶段,采取同时支持平行与序列型磁盘驱动器的策略,我们可明显地看出业者的意图就是淘汰并行接口并在不久的将来全面转移至序列型产品。运用高整合度序列IC解决方案开发低成本产品的硬盘机代工厂商,将能长期为储存市场提供序列接口产品。