企業端SAS？消費級SATA？機械式硬碟介面淺談

2013.02.26 硬碟機

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。