SATA II藉NCQ挑戰SCSI

隨著ATA走向序列式介面，過去SCSI所享有的技術優勢，逐漸的出現在ATA上，Serial ATA II規格的制定更是一個極具代表性的里程碑。SATA是否會逐漸侵蝕SCSI所主導的高階應用市場？甚至ATA取代SCSI之路是否更進一步？我們將深度探討這個主題。

以擴張既有SATA功能為目標的SATA II規格，從名稱發表及工作小組成立至今也已經過了一年了，而新增功能皆以提升高階伺服器及工作站應用面為主。

SATA II的規格推動分為Phase 1和Phase 2兩個階段，Phase 1定義了大幅改善磁碟存取效能的原生命令緩衝區（NCQ，Native Command Queue），儲存設備內部運作溫度及風扇監視機能，以及可支援設備熱插拔更換（Hot Swap）的背板規格。Phase 2則將最大傳輸率提升至3Gbps。另外，在去年9月英特爾科技論壇（Intel Developer Forum），除了發表對應原生運作模式的AHCI控制器介面規格外，SATA II工作小組以其為基礎、配合先前已制定的非同步存取機制，發表了Digital 1.1、Port Multiplier 1.0以及Port Selector 1.0 3項規格，改進了過去所缺乏的裝置數量擴張性、外接式介面及線路備援能力，大幅提升高階應用的功能性。

不過，在眾多新功能之中，重要性最高、最受矚目的莫過於NCQ，因為它大幅改進了多重存取下的磁碟存取效能。更重要的是，它讓ATA享有類似SCSI TCQ（Tagged Command Queue）的非循序磁碟存取功能，改進了部分過去Parallel ATA介面規格的重大缺點，甚至將足以使SATA II取代部分過去SCSI所盤據的產品線及市場，影響力之大不言可喻。

在這裡，我們將NCQ的技術改進分為兩個層面討論：磁碟內部存取機制的改良，以及ATA介面規格相對應的改進。更有效率的磁碟存取方式

磁碟機先天的機構限制，一直都是以磁碟為主的儲存系統效能上的一大瓶頸，尤其多工化作業系統以及多使用者伺服器環境的逐漸普及，造成更頻繁的同時磁碟多重存取，進一步的降低效能表現。

我們可以考慮一個改進的方式，那就是針對資料在磁碟上的實際資料排放方式，將讀寫存取命令進行最佳化的重新排序，以達成最低的整體存取時間。我們可以用升降梯的例子來描述這個觀念，升降梯並不會因為任意一個要求、或是按照發出需求樓層的順序，就隨機改變升降的方向，而是以當時所需求的最高及最低樓層做為升降的範圍，所以循序的樓層可以用最短的時間依序到達。

同樣的概念也就可以導入於磁碟存取命令的排序上。以磁軌搜尋時間（Seek Time）為例，循序的鄰近磁軌就可以依照相同的方向進行尋軌定位動作。另外，就以主軸馬達轉動延遲（Rotational Latency）而言，假如同時存取在相同磁軌上的數筆資料，就可以直接在一圈內存取完畢。簡而言之，導入非循序存取的概念，磁碟資料的存取並非依照以命令的順序，而是針對最佳化演算法（如最有名的RPS：Rotational Position Ordering演算法）所計算的「實際最佳順序」所進行。

由於只有磁碟機本身了解硬體目前的狀態（實際資料的磁區分布、磁頭位置、主軸馬達轉速等等），所以這些最佳化的動作，就需要由磁碟硬體本身去進行，而非交由磁碟控制器所負責。另外，也基於此，磁碟機本身就需要另外實作各自獨立的命令緩衝區（Command Queue），這也是NCQ（Native Command Queue）一詞的由來。

事實上，Command Queue在1998年就已經出現在ATA/ATAPI-4規格之中，但由於當時Parallel ATA硬碟產品的命令排序主要還是由磁碟介面控制器所負責，自然就無法進行如此徹底的最佳化命令排序。這也充分反映了半導體技術的持續進步，使得硬碟控制器的性能足以支撐執行最佳化演算法的所需運算能量。更重要的是，NCQ機制本身亦需要磁碟介面的諸多配合才能有效發揮作用，而Parallel ATA並無法滿足這些需求。

不過，成本因素依然是ATA介面的首要考量，自然也影響著SATA II在NCQ上的實作。由於市場定位較高之故，SCSI自然可以使用成本較高的最佳化方式。SATA II NCQ的最大支援命令數目僅有32個，SCSI的TCQ卻高達255個；SCSI TCQ可支援4組對應不同QoS的命令緩衝區（根據SCSI-3規格），但NCQ僅有1組。另外，SCSI TCQ產品可以同時依據邏輯磁區位址（LBA，Logical Block Address）的實際位置以及偵測磁頭驅動臂角度變化量（RPS，Rotational Position Sensing）作為最佳化的參考，而SATA II NCQ產品目前僅使用前者。

但是，較高程度的最佳化會對硬碟控制器有著較高的運算效能需求，自然代表較高的產品成本，支援RPS的SCSI硬碟出現在市場上，也是近期的事情。雖然不如SCSI TCQ，但是NCQ對於提升ATA硬碟效率依然有其貢獻，也代表著磁碟存取最佳化不再只是SCSI的專利，隨著技術的進步，ATA也可以享有昔日的高檔功能。在未來，SATA產品導入RPS最佳化，只是時間的問題。ATA介面規格相對應的改進

為了進一步的發揮NCQ的優勢，SATA II在介面規格上亦做了相當程度的改良，以達成更有效率的資料傳輸及命令執行狀態回報，提升磁碟機內部非循序存取以及命令排序的效能。從這些改良，也可以了解到Parallel ATA原先的諸多缺點。更重要的，過去被長期忽略的主控器命令延遲（Command Overhead），成為NCQ所改進的重點。

Race-Free Status Return
在Parallel ATA，如果在磁碟機介面控制器尚未對磁碟端發出下一個命令的服務請求，磁碟無法回傳之前命令的執行狀態，這會造成額外的延遲，而且如果介面控制器並非完全透過硬體實作加速，還會增加處理器額外的負擔，對於同時發出並執行多組命令的應用環境會降低不少效能。為此，SATA II免除了這項限制，毋須以往的通訊協定交握（Handshake）動作，允許各磁碟端可以隨時回報命令執行狀態，所以命令執行完畢訊息的回報可以達成高度的管線化，甚至做到數個命令同時回傳的程度。

Interrupt Aggregation
在既有DMA傳輸模式下，設備端通知傳輸結束，需要製造一個中斷訊號（Interrupt），這會造成不少延遲，所以SATA II提供中斷訊號聚集機制。如果磁碟同時間內完成多組命令，這些命令完成所造成的中斷就可以聚集在一起，大幅減少中斷的數目，這對於降低多工環境的中斷延遲有著極大的貢獻。

First Party DMA（FPDMA）
當Parallel ATA的磁碟準備要傳輸資料時，會先發出中斷訊號告知磁碟機介面控制器，然後介面控制器對磁碟發出服務命令，決定該資料傳輸命令的標籤（Tag）以取得受到保護的主記憶體位址。當上述動作完成，磁碟機介面控制器的驅動程式就進行直接記憶體存取（DMA，Direct Memory Access）通道的設定。這過程會造成不小的延遲，尤其不少ATA控制器並非完全透過硬體加速實作，驅動程式的介入意味著更高的處理器負擔。SATA II允許磁碟端自行建立DMA傳輸通道，毋需驅動程式介入，透過DMA setup FIS（Frame Information Block）直接對磁碟機介面控制器送出需求通知、標定命令標籤，使其載入該命令標籤所指定的受保護記憶體位址範圍，DMA引擎就可以進行資料傳輸。另外，FPDMA機制允許非循序、或循序卻分成數次的資料傳輸，可大幅提昇磁碟端存取命令排序的彈性。NCQ的系統需求與支援產品

除了磁碟機需要支援NCQ外，磁碟介面控制器以及驅動程式亦需要支援FPDMA的功能。值得注意的是，由於FPDMA僅為既有ATA通訊協定的延伸，SATA II允許混用尚未支援NCQ的裝置，磁碟介面控制器僅需對支援NCQ的裝置發出FPDMA命令即可。另外，雖然支援NCQ的磁碟機本身就可以自行針對Command Queue進行排序，但是沒有介面控制器的配合，NCQ發揮的效益就會相當的有限。反過來說，如果介面控制器支援，但是缺乏支援的硬碟機產品，也同樣毫無效果可言。簡而言之，需要兩方面的同步配合才能克盡全功。根據去年4月及7月英特爾所發表關於NCQ的正式技術文件，去年下半年支援NCQ的硬碟將會陸續出現在市場上，而目前Seagate新款Barracuda 7200.7 Plus以及Fujitsu新款2.5吋硬碟已經支援NCQ。隨著SATA II規格控制器的逐漸普及，可以預期NCQ將會成為未來ATA硬碟機的標準，也將會拉近ATA與SCSI在多工環境下的效能差距。SATA II是否已經具備完全取代SCSI的條件？

隨著SATA產品規格架構的逐漸成熟及日益完整，過去SCSI所獨有的眾多強大功能，也得到了「舊時王謝堂前燕，飛入尋常百姓家」的機會。此時，我們就不得不好奇，是否這代表SATA II即將大舉侵入SCSI所佔有的高階產品領域，逐步壓縮SCSI的市場空間？在過去Parallel ATA就已經靠著價格優勢大幅侵蝕SCSI市場，那麼SATA豈不是更有機會？以長期發展的角度而言，這已經是很難避免的趨勢。雖然SCSI在功能性上依然保有相當程度的優勢，但是假以時日，SATA II成為ATA規格的主流，憑藉著龐大市場規模壓低產品單位成本，屆時SCSI的生存空間將會越來越小，被迫向上發展至現有Fibre Channel的市場。值得注意的是，Serial Attached SCSI（SAS）規格為了降低產品成本以及擴大應用範圍，在實體層上選擇與SATA相容。這究竟是否會讓SCSI有起死回生的契機，還是反過來拉抬SATA的市場地位，依然在未定之天。

不過，SATA II的發展依然有其隱憂，最大的瓶頸在於AHCI介面規格控制器的發展速度及普及程度。如果重要的作業系統不支援AHCI規格，意味著SATA無法使用原生模式運作，眾多架構上的發展潛力及嶄新規格將無用武之地。更重要的是，微軟新一代作業系統Longhorn極可能延宕至2006年，如此一來，勢必對SATA II的市場發展造成極為不利的影響。

無論如何，SATA II的應用普及化，依然需要一段不短的時間，就算要完全取代Parallel ATA，亦絕非一朝一夕之功。但是，SATA的發展，大幅提升了ATA介面的使用便利性及可擴充性，在未來的企業儲存應用上，將扮演更重要的角色，甚至假以時日進而成為主角，亦非不可能之事。文⊙劉人豪