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在固態硬碟日益風行的現代,我們免不了還是需要加裝數顆機械式硬碟,儲存大容量影片、音樂、文件等檔案,以取得存取速度與儲存成本之間的平衡點。眾所周知,以機械式硬碟而言,目前我們在市場上常見的儲存介面,多以SATA介面規格(Serial ATA,SATA)為主;而事實上,早期在企業端常見的SCSI介面規格(Serial Attached SCSI, SAS),迄今依然佔有一席之地。然而,SATA與SAS這兩種迥然有異的介面,在效能與應用上有何不同?

對許多讀者來說,可謂似懂非懂,往往令人發出模稜兩可的感慨。今天,胖達透過效能測試與解說,一解讀者心中長年疑惑;讓你在儲存設備的搭建上,更加隨心所欲,得心應手。

 

圖 / 本次選取兩顆同為WD企業級之4TB硬碟進行測試,左方介面為SATA,右方則為SAS介面。

 

 

 

■ SATA崛起 IDE老兵凋零

對許多電腦玩家來說,家中或許仍留有IDE介面規格硬碟,然而,隨著科技進步,IDE規格缺點逐一浮現;甚至英特爾在P965晶片組時取消對IDE的原生支援,即可窺探一二。近年來,個人電腦的硬碟傳輸介面,已為SATA(Serial Advanced Technology Attachment)所取代;而傳統IDE硬碟也已成昨日黃花,風華褪盡。

顧名思義,SATA採用序列式資料傳輸而得名。過往IDE介面採用點對單模訊號放大技術,最大的缺點,則在於雜訊會隨著正常訊號一同放大後傳輸,尤在高速傳輸時特別嚴重。因此,為了減緩雜訊干擾,兩權相害取其輕,在技術上便使用了大電壓進行訊號傳輸,蓋過小電壓的雜訊干擾。然而,大電壓不利於高速傳輸系統之設計,在驅動電路的成本上也較為高昂。

相對之下,SATA採用了差動訊號放大技術,沒有IDE規格雜訊易與正常訊號放大的問題;也因此,SATA只需要較低的電壓即可實現高速傳輸的可能性。SATA除了速度更快之外,同時支援熱插拔功能,只要在Bios中設定完畢,即可在運行硬體即時插拔;除此之外,SATA匯流槽採取嵌入式時脈訊號,擁有相對IDE更好的糾錯能力,強化了資料傳輸時的可靠度。在規格上,計有SATA 1.5Gbps、SATA 3Gbps以及SATA 6Gbps三種規格,也就是我們慣稱的SATA I、SATA II、以及SATA III。對DIY族群來說,介面上的簡化,從IDE粗軟的排線與易歪的針腳,演化成SATA較細的排線與金屬卡扣,不只更好裝,也更不容易無心撞落。另一方面,硬碟數量一多時,受惠於線材的進步,機殼內的對流、散熱,也提供更好的工作條件,整體而論,平台穩定性有了大幅的提昇與強化。

 

圖 / 早期傳統硬碟採用IDE介面,今日主流個人電腦已不常見。

 

 

圖 / SATA硬碟也有企業端產品。WD4000FYYZ即為企業級硬碟,採用SATA介面,一般主機板也可適用。

 

 

 

■ SAS 2.0 企業端主流介面

我們知道,企業端對於儲存的要求,除了著重效率之外,最重要的,莫過於穩定性與可靠性。因此,早期高階企業端,一直都是SCSI規格宰制天下的局面,尤其當年推出Ultra 320規格時,更是刮起了一陣旋風,演譯了SCSI效能與穩定性兩全其美的一段佳話,使得當時企業端用戶,幾乎都選擇了SCSI介面作為主要的儲存工具。

不過,這個局面在SATA規格推出後,情勢開始丕變。SATA相對於IDE革命性的躍升改變,頓時吸引眾人目光,再考慮到成本、效能與可靠度上,此時SCSI介面的王者地位似乎開始搖搖欲墜;也因此,SCSI終於推出了下一代企業級殺手鐧︰Serial Attached SCSI。也就是今日我們慣稱的SAS介面。

事實上,企業端在儲存介面選擇上,除了SATA與SAS之外,尚有FC(Fiber Chanel,光纖)與SSD方案可供建置。在早期SAS 1.0(1.5Gbps) 與SAS 1.5(3Gbps)時代,FC早已提供了高達4Gbps的儲存效率,當時的SSD仍不成氣候,因此諸多大型工作站皆採用了FC方式,以作為資料高速處理的最佳選擇。

然而,隨著SAS 2.0規範橫空出世,提供高達6.0Gbps的儲存速度後,並考慮到成本上的差距,企業端又將目光投注到SAS介面身上;目前來看,最有機會挑戰SAS地位的,則非SSD莫屬。然而,SAS介面,仍有許多優勢是SATA與SSD無可比擬的,而這些優勢,恰恰都是企業端用戶所重視的部份。

 

圖 / WD4001FYYG企業級硬碟,採用SAS介面,與SATA介面迥然有異。

 

 

 

圖 / 光纖介面硬碟,早期高速工作站的首選。尤其在佈置SAN資料環境時,有諸多優勢。

 

 

 

■ MTBF 工作壽命週期

首先,在MTBF(Mean Time Between Failure,平均故障間隔時間)上,SAS硬碟有著過人一等的優勢。而什麼是MTBF呢?事實上,不只在硬碟,在其他的電子、機械產品上,諸如︰電視機、冷氣機、汽車等,廠商都會經由抽樣與估算,得到一個產品的工作壽命週期,以白話來說,就是我們講的︰用多久才會壞掉。

SAS硬碟作為企業級導向,設計之初,即以24×7為速求,意即︰每天工作24小時,連續7天不停運轉。以挈合企業端長年不關機的工作環境;也因此,平均故障間隔時間高達100萬小時以上。相較之下,一般SATA硬碟設計取向為8×5,聰明的讀者可能已經猜到,意即︰每天工作8小時,連續5天不停運轉。換句話說,當你下班及周休二日時,硬碟也跟著你一起放假,運轉承受溫度也不若SAS硬碟高,平均故障間隔時間約為65萬小時以上。此外,SAS與SATA一樣,皆有防呆設計,除非暴力硬插,否則不會有插錯損壞的情況發生。

值得一提的,則是WD 紅標系列硬碟。由於紅標主要用來供給NAS使用,一般來說,NAS幾乎很少關機;因此,WD紅標雖說採用SATA介面,但是在設計上,則與SAS硬碟相似,具有24×7的特性。也因此,可見到近期部份預算有限的中小企業,選用WD紅標系列加以建置備份儲存站,主因則在於耐用、可靠;而存取效率,則非首要之顧念。

 

圖 / SAS排線介面繁多,其中SFF8482介面規格可讓SATA裝置,諸如︰SATA硬碟、光碟機等連接至

SAS控制器。但是SAS裝置則無法連接到SATA控制器。

 

 

 

圖 / WD 紅標硬碟雖非定位於企業級用途,但仍主打24×7耐用特性

,MTBF自然高上一籌。這自然是近期紅標硬碟暢銷缺貨的原因之一。

 

 

 

■ 強化IOPS存取效率

隨著智慧型手機、平板電腦等行動裝置的興起,雲端口號在近年來被喊得極為響亮。像是Youtube、KKBOX、Pixnet這類數位影像、音樂、圖片等服務,則更加深植使用者生活中的每一處。因此,許多創意網站,也開始提供不同型態的雲端服務,而這類服務需要更強大的儲存效能,以利於在同一個時間中,被不同的使用者所存取。

另一方面,即使是傳統的企業端用戶,如果公司建置了強大的企業資源計劃系統(Enterprise Resource Planning,ERP),除了能將前端資料進行分析後,無縫接軌傳予後端進行即時分析與決策判斷之外,多個部門單位在同一時間的大量存取,也考驗著硬碟的IOPS能力。

身為SCSI新一代接班人,SAS在每秒存取運轉次數(Input/Output Operations Per Second,IOPS)上,相對SATA硬碟有著過人一等的優勢。胖達舉企業端必然會遇到的交易資料為例,像是公司每時每刻帳目變化,或是每時每刻的庫存進出,這類資料通常包含公司的現金流量、物料庫存、報表分析等數據。資料隨時再變,對硬碟的IOPS來說,無疑是一大挑戰。也因此,通常這類資料會集中在特定的檢查點進行讀取、修改以及重寫。

相對來說,靜態資料(reference data)則屬於初次寫入後不再改變的形態,你所拍的照片或是客戶寄給你的電子郵件即為一例;這類資料IOPS通常負荷較小,不需重度繁雜的存取與修改寫入。

也因此,如果在考量成本的前提下,能夠兼顧IOPS效率與儲存密度,無疑是上佳首選。SAS硬碟除了IOPS能力卓越之外,並可與SATA介面相容,同時支援其熱插拔技術;反之,SATA介面並無法相容SAS硬碟。由這個面向來看,SAS對企業端而言,具有更加彈性的儲存建置能力。換句話說,建置SAS介面系統,如果成本有限,可加裝機械式SATA硬碟,以兼顧IOPS及儲存密度的目標需求;如果預算寬鬆,也可加裝SSD,更加強化IOPS效率。近年來,對於同一時間存取密集的雲端服務商來說,更是頗為熱門的選擇。

 

圖 / 許多企業導入刀鋒伺服器(Blade Server),當中即採用SAS硬碟,以利IOPS效率提昇。

 

 

 

圖 / 所謂ERP系統,即為企業中各單位的資源垂直整合,在動態運作下實現最佳決策。

因此對硬碟的密集存取可想而知。

 

 

 

■ SAS控制器相容SATA裝置

在上一段文章中,想必部份讀者對於SAS與SATA之間的相容性會有些許好奇。由於SAS採用了一種類似「SATA實體層+SCSI傳輸指令」的混合體設計,因此SAS與SATA一樣採用了序列式傳輸,但在訊號上卻是採用了強化版SCSI指令。也因此SAS排線與SATA一樣具有簡單好整理的特性。

不過,由於SAS是採用全雙功高傳輸率,為同時發生的讀寫操作提供了兩路傳輸通道;相較之下,SATA僅提供單通道與半雙工模式。內行的讀者看到這邊,應該不難理解我們可以將SATA視為SAS的一個子集協定。深入協定層討論,我們知道SAS由3種協定類型所構成,根據連接設備的不同,使用相對應的協定進行資料傳輸。在此當中,SSP協定用於傳輸SCSI指令,SMP管理協定用於連接裝置的維護與管理;而STP即為SATA通道協定,用於SAS與SATA之間的資料傳輸。

也因此,在這三個協定的配合之下,SAS控制器可以直接連接SATA介面裝置,反觀SAS硬碟,則無法相容SATA控制環境中,無法直接與SATA結合。除此之外,SAS更保有了SCSI指令集與強大的糾錯能力,這些都是SATA不及SAS之處。

 

圖 / 由SAS protocol我們不難發現,SAS比SATA多了STP協定,主要用於對SATA裝置的相容性。

 

 

 

圖 / 上方為SATA介面,下方為SAS介面,看起來是不是有點像呢?

 

 

 

■ 擴充/安全 SAS兩相宜

深入探究,SATA與SAS硬碟都擁有一定的擴充能力,但擴充方式卻略有不同。兩者雖然都是採取序列式傳輸介面(Serial),不過SATA係利用Port Multiplier進行擴充,而SAS則是以Expander加以實現擴充目的。

一般來說,Port Multiplier一次可接15顆SATA硬碟,並只對應一個SATA佈。相較之下,SAS上的每一個Expander,理論上可接上128個Edge Expander,同時每一個Edge Expander又可接上128顆硬碟;換算之下,每一個SAS埠理論上可以對應高達16384顆硬碟!

由此可知,SATA的擴充性與SAS相比,宛若雲泥之別;對於一家稍具規模的企業來說,Port Multiplier的擴充能力便顯得捉襟見肘,小家子氣。如果你是一位資深讀者,或許會跳出來喊︰SATA也可以透過Expander實現擴充性。但別忘了,你還是得另外添購Interposer介面卡,方可串聯更多的SATA硬碟。深入來看,每一加裝一片Interposer介面卡,才能再接一顆SATA硬碟。從成本與空間佈置來看,絕對不是一個明智的方案,而且在能耗上,也更加吃電。

更重要的一點,則是SAS硬碟的每一筆存取I/O都會經過確認,但SATA寫入時並無此功能,僅有於讀取時進行確認;對於重視資料存取安全的企業端來說,這更是不可或缺的重大功能之一。

 

圖 / 這張是LSI SAS 9200-8e HBAs擴充卡,在2009年時帶領SAS介面往6Gb/s存取速度邁進。

 

 

 

圖 / ASRock z77 Extreme 11採用LSI 控制器。在一票z77主機板中,是極少數內建支援SAS硬碟的消費級主機板。

 

 

 

■ SAS VS. SATA

近日來,WD推出了4TB WD RE SAS 及 4TB WD RE SATA 企業級硬碟,採用3.5 吋規格,除了前文提到的諸多企業級功能外,另外搭載了NoTouch 斜坡加載技術,使讀寫頭絕對不會接觸到磁碟面,弭絕磨損的可能性,讓硬碟壽命得以有效綿延。除此之外,更支援了雙級驅動(DSA)及旋轉伺服加速系統(RAFF);即使硬碟處在易震動的機殼環境中,也能保持高效能運轉及可靠的作業情境。

除此之外,SAS系列RE MTBF高達140萬小時,而RE SATA系列MTBF也高達120萬小時,無懼24×7全天候不間斷存取的嚴苛考驗,提供高度可靠的儲存環境與作業應用。而WD RE SAS提供1TB 、 2TB 、 3TB 及 4TB容量供行家選擇,在WD RE SATA部份,則有2TB、3TB和4TB 容量可以選購。

本次測試皆為4TB新品,單碟800GB,合計五碟4TB容量。一顆為企業級WD4000FYYZ之SATA介面,一顆則為企業級WD4001FYYG之SAS介面。

筆者分別選用了Z77平臺與X79平臺加以測試兩顆硬碟的效能表現,提供讀者參考其卓越表現。經測試後,由於兩者表現接近,因此最後選用HP ProLiant DL380p Gen8 2U機架式伺服器對SAS硬碟進行測試,以作為代表。

此間值得一提的,則是ASRock z77 extreme 11內建LSI SAS 2308 PCIe 3.0控制器,因此支援SAS 2.0與SATA III介面硬碟,在z77主機板中,可說是獨數一幟的設計;如果你想嚐嚐SAS介面帶來的樂趣,又不想額外購買高價SAS介面卡,在z77平臺中,ASRock z77 extreme 11無疑是上佳首選。文末,提供一系列測試成績,有興趣的讀者,可自行參考,瞭解SAS與SATA硬碟之間的差異。

 

圖 / WD企業級7200轉SATA介面硬碟支援功能一覽。

 

 

 

圖 / WD企業級7200轉SAS介面硬碟支援功能一覽。可以見到全技能點滿。

 

 

 

圖 / 在CrystalDiskMark 3.0.1測試中,SAS於連續讀寫測試中領先大約10%~11%。

 

 

 

圖 / 在CrystalDiskMark 3.0.1測試中,SAS於512K讀寫測試中領先大約11%~15%。

 

 

 

圖 / 在HD Tune Pro 4.61測試中,SAS在傳輸效率上領先大約8%~13%。

 

Reference: https://www.computerdiy.com.tw/sas-sata/

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