SATA 익스프레스

1. 개요

SATA 익스프레스는 PCI 익스프레스와 SATA 저장 장치를 모두 지원하는 컴퓨터 인터페이스이다. SATA 3.0의 속도 제한을 극복하고 더 빠른 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)를 지원하기 위해 개발되었으며, 두 개의 PCI 익스프레스 레인과 두 개의 SATA 3.0 포트를 제공한다. SATA 익스프레스는 AHCI 및 NVMe를 논리 장치 인터페이스로 지원하며, 레거시 SATA 장치와의 하위 호환성을 위해 설계되었다. 9 시리즈 칩셋을 시작으로 인텔과 AMD 플랫폼에서 지원되었지만, M.2 폼 팩터와 NVMe 표준의 등장으로 인해 널리 사용되지 못하고 단종되었다.

2. 역사

SATA 인터페이스는 본래 하드 디스크 드라이브(HDD)와 통신하기 위해 설계되었으며, 주요 버전별로 속도가 두 배씩 증가했다. 최대 SATA 전송 속도는 SATA 1.0(2003년 표준화)에서 1.5 Gbit/초, SATA 2.0(2004년 표준화)에서 3 Gbit/초, SATA 3.0(2009년 표준화)에서 6 Gbit/초로 발전했다. SATA는 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)에도 채택되었으나, SSD와 하이브리드 드라이브의 속도가 빨라짐에 따라 더 빠른 인터페이스가 필요하게 되었다. 2009년 초에 출시된 일부 SSD들은 이미 SATA 1.0의 성능을 넘어섰고, 2013년 하반기 고성능 SSD는 SATA 3.0의 속도 제한을 넘어섰다.

SATA 인터페이스 설계자들은 SATA 속도를 12 Gbit/초로 높이는 대신, 이미 널리 채택된 PCI 익스프레스를 활용하는 방안을 선택했다. SATA 속도를 12 Gbit/초로 높이려면 SATA 표준에 많은 변화가 필요하고, 이미 널리 사용되는 전력 효율이 낮은 PCI 익스프레스 버스에 비해 더 많은 비용이 들기 때문이다. SATA 3.2 규격 (2013년 표준화)의 일부로 PCI 익스프레스가 채택되어 SATA 익스프레스가 탄생했다.

일부 업체들은 기업형 플래시 기반 스토리지 제품에 PCI 익스프레스 버스를 통해 연결되는 자체 논리 인터페이스를 사용하기도 한다. 이러한 스토리지 제품들은 여러 PCI 익스프레스 레인을 묶지만, 사유 드라이버와 호스트 인터페이스를 통해 운영 체제와 통신한다.

2.1. 지원 현황

SATA 익스프레스는 인텔 9 시리즈 칩셋 (Z97, H97)에서 처음 지원되었다. 2013년 12월, 에이수스는 인텔 Z87 칩셋을 기반으로 추가적인 ASMedia 컨트롤러를 사용하여 SATA 익스프레스 연결을 제공하는 프로토타입 "Z87-Deluxe/SATA 익스프레스" 마더보드를 공개했다.

2014년 5월, 인텔 Z97 및 H97 칩셋이 출시되면서 SATA 익스프레스와 M.2를 모두 지원하게 되었다. Z97 및 H97 칩셋은 각 SATA 익스프레스 포트에 대해 두 개의 PCI 익스프레스 2.0 레인을 사용하여 PCI 익스프레스 스토리지 장치에 1GB/s의 대역폭을 제공한다. 2014년 8월 말, 인텔 X99 칩셋은 고급형 데스크톱 플랫폼에 SATA 익스프레스와 M.2 지원을 제공했다.

2017년 3월 초, AMD 라이젠 프로세서와 함께 소켓 AM4 플랫폼에서 SATA 익스프레스를 지원하기 시작했다.

SATA 익스프레스는 폼 팩터로서 실패한 표준으로 간주된다. M.2 폼 팩터와 NVMe 표준이 더 큰 인기를 얻었기 때문이다. SATA 익스프레스 인터페이스를 활용하는 스토리지 장치는 소비자용으로 많이 출시되지 않았으며, SATA 익스프레스 포트는 새로운 마더보드에서 빠르게 사라졌다.

3. 기능

SATA 익스프레스 인터페이스는 동일한 호스트 측 SATA 익스프레스 커넥터를 통해 두 개의 PCI 익스프레스 2.0 또는 3.0 레인과 두 개의 SATA 3.0 (6 Gbit/s) 포트를 노출하여 PCI 익스프레스 및 SATA 저장 장치를 모두 지원한다(하지만 동시에 둘 다는 아님). 노출된 PCI 익스프레스 레인은 호스트와 저장 장치 간에 순수한 PCI 익스프레스 연결을 제공하며, 버스 추상화의 추가 계층이 없다. SATA 개정 3.2 사양은 2013년 8월에 SATA 익스프레스를 표준화하고 하드웨어 레이아웃 및 전기적 매개변수를 명시한다.

PCI 익스프레스를 선택하여 여러 레인과 다양한 버전의 PCI 익스프레스를 사용하여 SATA 익스프레스 인터페이스의 성능을 확장할 수 있다. 두 개의 PCI 익스프레스 2.0 레인을 사용하면 총 1000 MB/s (2 × 5 GT/s 원시 데이터 전송률 및 8b/10b 인코딩)의 대역폭을 제공하는 반면, 두 개의 PCI 익스프레스 3.0 레인을 사용하면 1969 MB/s (2 × 8 GT/s 원시 데이터 전송률 및 128b/130b 인코딩)의 대역폭을 제공한다. 비교하자면, SATA 3.0의 6 Gbit/s 원시 대역폭은 600 MB/s (6 GT/s 원시 데이터 전송률 및 8b/10b 인코딩)에 해당한다.

3.1. 논리 장치 인터페이스

SATA 익스프레스는 다음 세 가지 논리 장치 인터페이스 옵션을 지원한다.

* 레거시 SATA: 레거시 SATA 장치와의 하위 호환성을 위해 사용되며, AHCI 드라이버 및 SATA 익스프레스 컨트롤러가 제공하는 레거시 SATA 3.0 (6 Gbit/초) 포트를 통해 통신한다.
* AHCI를 사용하는 PCI 익스프레스: PCI 익스프레스 SSD를 위해 사용되며 AHCI 드라이버 및 제공되는 PCI 익스프레스 레인을 통해 통신한다. PCI 익스프레스 SSD 접근을 위해 AHCI를 사용하므로 최적의 성능을 제공하지는 않지만, 운영 체제의 폭넓은 SATA 지원을 통한 하위 호환성을 제공한다. AHCI는 시스템의 호스트 버스 어댑터(HBA)의 목적이 CPU/메모리 하위 시스템을 훨씬 더 느린, 회전하는 자기 매체 기반의 스토리지 하위 시스템과 연결할 목적이었던 당시에 개발되었기 때문에, AHCI는 회전하는 매체가 아닌 DRAM과 같이 동작하는 SSD 장치에 적용할 때 비효율성을 갖는다.
* NVMe를 사용하는 PCI 익스프레스: PCI 익스프레스 SSD에 사용되며 NVMe 드라이버 및 제공되는 PCI 익스프레스 레인을 통해 통신한다. 특별히 PCI 익스프레스 SSD와 통신하기 위해 설계되고 최적화된 고성능의 확장 가능한 호스트 컨트롤러 인터페이스이다. NVMe는 낮은 지연 시간과 병렬 처리를 활용하여 현대 CPU 및 플랫폼에 최적화되어 있다.

4. 단자

SATA 익스프레스는 기존 SATA 장치와의 하위 호환성을 최대한 보장하도록 특별히 설계된 단자를 사용한다. 호스트 측 단자는 하나의 PCI 익스프레스 SSD 또는 최대 두 개의 레거시 SATA 장치를 연결할 수 있도록 해준다.

SATA 익스프레스 단자는 저렴한 비용으로 빠른 플랫폼 전환이 가능하도록 설계되었으며, 레거시 SATA 장치와의 하위 호환성을 유지하고 비차폐 케이블을 사용할 수 있게 해준다. 2015년 3월을 기준으로 일부 NVM 익스프레스 장치는 U.2 단자를 사용하고 있다. U.2 단자는 SATA 익스프레스 장치 플러그와 기계적으로 동일하지만, 다른 핀 배열을 통해 4개의 PCI 익스프레스 레인을 제공한다.

4.1. 단자 종류

SATA 익스프레스에 쓰이는 단자는 가능한 레거시 SATA 장치와 하위 호환성을 보장하기 위해 선택되었으며, 추가 어댑터나 변환기가 필요 없다. 연결되는 기억 장치의 종류에 따라 PCI 익스프레스 레인이나 SATA 3.0 포트를 제공함으로써 호스트 측 단자는 하나의 PCI 익스프레스 SSD 또는 최대 두 개의 레거시 SATA 장치를 허용한다.

SATA 익스프레스 단자에는 5종이 있으며, 위치와 목적에 따라 다르다:

* 호스트 플러그: 메인보드 및 애드온 컨트롤러에 사용된다. 이 단자는 레거시 3.5인치 SATA 데이터 케이블을 허용함으로써 하위 호환되는데, 최대 2개의 SATA 장치를 위한 연결을 제공한다.
* 호스트 케이블 리셉터클: SATA 익스프레스 케이블의 호스트 측 단자이다. 이 단자는 하위 호환이 되지 않는다.
* 장치 케이블 리셉터클: SATA 익스프레스 케이블의 장치 측 단자로서, 하나의 SATA 장치를 허용함으로써 하위 호환된다.
* 장치 플러그: SATA 익스프레스 장치에 사용된다. SATA 익스프레스 장치를 U.2 백플레인이나 멀티링크 SAS 리셉터클로 연결할 수 있게 함으로써 이 단자는 부분적으로 하위 호환된다. 그러나 이렇게 연결된 SATA 익스프레스 장치는 호스트가 PCI 익스프레스 장치를 지원하는 경우에만 기능한다.
* 호스트 리셉터클: SATA 익스프레스 장치와의 직접 연결을 위한 백플레인에 사용되며, 케이블 없는 연결이 된다. 이 단자는 하나의 SATA 장치를 허용함으로써 하위 호환된다.

4.2. U.2 (SFF-8639)

2015년 3월 기준으로, 2.5인치 형태의 일부 NVM 익스프레스 장치들은 U.2 단자 (원래 SFF-8639로 불렸으나 2015년 6월 변경)를 사용한다. U.2 단자는 SATA 익스프레스 장치 플러그와 기계적으로 동일하지만, 4개의 PCI 익스프레스 레인을 제공한다.

5. 호환성

SATA 익스프레스의 장치 수준 하위 호환성은 레거시 SATA 3.0(6 Gbit/s) 저장 장치를 전기적 수준과 필수 운영 체제 지원을 통해 완벽하게 지원함으로써 보장된다. 기계적으로, 호스트 측 커넥터는 USB 3.0이 하는 방식과 유사하게 하위 호환성을 유지한다. 새로운 호스트 측 SATA 익스프레스 커넥터는 두 개의 레거시 표준 SATA 데이터 커넥터 위에 추가 커넥터를 "쌓아" 만들어지며, 이는 레거시 SATA 장치를 수용할 수 있는 일반적인 SATA 3.0(6 Gbit/s) 포트이다. 호스트 플러그라고 공식적으로 알려진 호스트 측 SATA 익스프레스 커넥터의 이러한 하위 호환성은 SATA 익스프레스 컨트롤러가 장착된 호스트에 레거시 SATA 장치를 연결할 수 있는 가능성을 보장한다.

레거시 운영 체제와 SATA 저장 장치에만 접근할 수 있는 관련 장치 드라이버에 대해 제공되는 소프트웨어 수준의 하위 호환성은 레거시 논리 장치 인터페이스로 AHCI 호스트 어댑터 컨트롤러 인터페이스에 대한 지원을 유지함으로써 달성되며, 이는 운영 체제 관점에서 볼 수 있다. AHCI를 논리 장치 인터페이스로 사용하여 저장 장치에 접근하는 것은 SATA SSD와 PCI 익스프레스 SSD 모두에 가능하므로, NVMe를 지원하지 않는 운영 체제는 PCI 익스프레스 저장 장치를 레거시 AHCI 장치인 것처럼 상호 작용하도록 선택적으로 구성할 수 있다. 그러나 NVMe가 PCI 익스프레스 SSD와 함께 사용할 때 AHCI보다 훨씬 효율적이기 때문에, SATA 익스프레스 인터페이스는 AHCI를 사용하여 PCI 익스프레스 저장 장치에 접근할 때 최대 성능을 제공할 수 없다.