Serial-ATA (SATA)

Was ist Serial-ATA (SATA)?

Serial ATA, auch bekannt als Serial Advanced Technology Attachment oder kurz SATA, ist ein Protokoll für Befehle und Datenübertragung, das festlegt, wie Informationen zwischen dem Motherboard eines Computers und verschiedenen Massenspeichergeräten, wie Festplattenlaufwerken (HDDs), optischen Laufwerken und Solid State Drives (SSDs), ausgetauscht werden. Der Begriff Serial im Namen deutet bereits darauf hin, dass SATA auf einer seriellen Signalübertragung basiert, bei der die Daten als eine Sequenz einzelner Bits gesendet werden.

Evolution von SATA

SATA definiert ein spezifisches Übertragungsformat sowie eine Verdrahtungsanordnung und hat die ältere Parallel ATA(PATA)-Schnittstelle als bevorzugte Kommunikationsmethode für die meisten modernen Computersysteme abgelöst. Diese Systeme unterstützen häufig auch andere Protokolle wie Serial-Attached SCSI (SAS) und Non-Volatile Memory Express (NVMe).

Vorteile von SATA

SATA stellt eine serielle Weiterentwicklung der IDE-Spezifikation (Integrated Drive Electronics) dar, die für PATA-Festplatten verwendet wird und auf paralleler Signalisierung basiert. Im Vergleich zu den herkömmlichen Flachbandkabeln, die für PATA-Laufwerke erforderlich sind, sind SATA-Kabel dünner, flexibler und weniger sperrig, was die Handhabung und den Einbau in Computergehäuse erleichtert.

Eigenschaften von Serial-ATA

Serial-ATA-Festplatten und -SSDs werden über die SATA-Controller-Hardware, die auch den Datenfluss verwaltet, an die Hauptplatine (Motherboard) des Computers angeschlossen. Wenn sich SATA im IDE-Modus befindet, kann die Festplatte als PATA-Gerät erkannt werden. Diese Einstellung verbessert die Kompatibilität mit älterer Hardware, aber die Leistung leidet darunter.

Die Einstellung eines SATA-Controllers auf Advanced Host Controller Interface (AHCI) bietet eine bessere Leistung als der IDE-Modus. AHCI unterstützt externe Schnittstellen und Hot Swapping von Laufwerken. Der RAID-Modus unterstützt sowohl AHCI-Funktionen als auch RAID-Level.

Je nach Computersystem müssen Benutzer möglicherweise gerätespezifische Treibersoftware installieren, damit SATA-SSDs mit der Hauptplatine des Geräts kommunizieren können. IDE-basierte HDDs benötigen keine Treibersoftware.

SATA-Standards und technische Versionen

Das gemeinnützige SATA-IO-Industriekonsortium verfasst die technischen Spezifikationen für Serial-ATA-Geräteschnittstellen. Das Konsortium überarbeitet die SATA-Standards, um höhere Datenübertragungsraten zu ermöglichen. Diese Überarbeitungen umfassen die folgenden Änderungen:

• SATA Revision 1. Diese Geräte waren in Desktop- und Bürocomputern weit verbreitet und wurden aus PATA-Laufwerken konfiguriert, die in einer Primär-/Sekundärkonfiguration aneinandergereiht waren. SATA Revision 1-Geräte erreichten eine maximale Übertragungsrate von 1,5 Gbit/s.
• SATA Revision 2. Diese Geräte verdoppelten die Übertragungsgeschwindigkeit auf 3,2 Gbit/s durch den Einsatz von Port-Multiplikatoren, Port-Selektoren und verbesserter Warteschlangentiefe (Queue Depth).
• SATA Revision 3. Diese Schnittstellen unterstützen Übertragungsraten von bis zu 6 Gbit/s. Revision 3-Laufwerke sind abwärtskompatibel mit SATA-Revision-1- und Revision-2-Geräten, allerdings mit niedrigeren Übertragungsgeschwindigkeiten.
• SATA Revision 3.1. Mit dieser Zwischenrevision wurden die endgültigen Designanforderungen für das SATA Universal Storage Module für tragbare Speicheranwendungen im Consumer-Bereich hinzugefügt.
• SATA Revision 3.2. Mit dieser Aktualisierung wurde die SATA Express-Spezifikation hinzugefügt. Sie unterstützt die gleichzeitige Nutzung von SATA-Anschlüssen und PCI Express (PCIe)-Lanes.
• SATA-Überarbeitung 3.3. Diese Revision befasst sich mit der Verwendung von Shingled Magnetic Recording (SMR).
• SATA-Überarbeitung 3.5. Diese Änderung fördert eine bessere Integration und Interoperabilität mit PCIe-Flash und anderen I/O-Protokollen.

Die SATA-IO erklärte, dass sie keine Pläne für eine SATA-4.0-Interoperabilität hat. Um eine höhere Bandbreite als die derzeitige Höchstgeschwindigkeit von 6 Gbit/s zu unterstützen, wäre ein erheblicher technischer Aufwand erforderlich, so die Gruppe.

IDE (PATA) und SATA im Vergleich

Beim Vergleich von SATA und PATA zeigt sich, dass eine serielle Verbindung weniger Drähte benötigt und ein klareres Signal liefert als eine parallele Verbindung. Daher eignen sich serielle Signale für die Übertragung von Daten über große Entfernungen.

Ein paralleles Signal ist synchron und erfordert einen breiteren Datenbus. Mehrere Bits werden gleichzeitig über verschiedene Drähte gesendet, die im selben Kabel untergebracht sind. Ein Taktsignal synchronisiert das Timing zwischen den verschiedenen Kanälen. Daher ist die parallele Übertragung besser für kürzere Entfernungen geeignet, um Signalstörungen zu vermeiden. Da für die parallele Übertragung mehrere Drähte erforderlich sind, ist sie auch etwas kostspieliger als die serielle Übertragung.

SATA bietet mehrere Vorteile im Vergleich zum IDE-basierten PATA-Standard, der in den 1980er Jahren entwickelt wurde. Zu diesen Vorteilen gehören folgende

• Vollduplex-Leistung. Bei PATA handelt es sich vor allem um eine Halbduplex-Übertragung, das heißt es können nicht gleichzeitig Daten empfangen und gesendet werden. Dies steht im Gegensatz zu der Vollduplex-Leistung von SATA. PATA-Laufwerke übertragen Datenbits gleichzeitig über ein einziges Flachbandkabel mit 40 Pins. Der SATA-Standard definiert ein SATA-Kabel mit zwei Paaren von Differenzialdrähten, drei Erdungsstiften und einem separaten Stromanschluss. Ein Adernpaar überträgt Daten und ein Adernpaar empfängt Daten. Jedes Ende der SATA-Leitung ist mit einem 8-Millimeter-Wafer-Anschluss versehen.
• Keine Ressourcenkonkurrenz. SATA-Laufwerke verfügen über einen unabhängigen Computer-Host-Bus, um Ressourcenkonflikte zu vermeiden.
• Schnellerer Durchsatz. SATA überträgt Daten bitweise zwischen einem Laufwerk und seinem Host, wobei ein siebenpoliges Datenkabel und ein 15-poliges Stromanschlusskabel verwendet werden. Das SATA-Kabel führt zu einer höheren Signalisierungsrate, was einem schnelleren Datendurchsatz entspricht.
• Flexibilität beim Design. Die SATA-Kabel bieten auch eine flexible Gestaltung des physischen Layouts eines Systems. Die Kabel sind bis zu 39 Zoll lang und damit mehr als doppelt so lang wie die 18-Zoll-Bandkabel, die für herkömmliche PATA-Festplatten erforderlich sind. Dadurch haben Systementwickler mehr Spielraum, wo ein Laufwerk in einem Gehäuse montiert werden kann. Die geringe Breite der SATA-Kabel verbessert außerdem den Luftstrom im Computer.
• Zusätzliche Merkmale. Ältere SATA-Laufwerke sind mit Jumper ausgestattet, um zusätzliche Funktionen zu aktivieren. Ein Jumper ist ein rechteckiger Kunststoffstecker, der einen Schaltkreis erzeugt, wenn er über zwei Stifte geschoben wird. Die Schaltung aktiviert und deaktiviert bestimmte vorprogrammierte Einstellungen im BIOS oder Unified Extensible Firmware Interface (UEFI) eines Computers, wie zum Beispiel die Regulierung der CPU-Geschwindigkeit, der Signalspannung und der Fehlerbehebung.

Die Jumper-Technologie ist ein Überbleibsel aus IDE-basierten Festplattenlaufwerken. Bei Computern, die nach 2002 hergestellt wurden, werden sie nur noch selten benötigt. Eine Ausnahme ist die Verwendung von Jumpern zur Verlangsamung neuerer Laufwerke, damit diese effizienter frühere Versionen der SATA-Hardware-Schnittstelle nutzen können. Dies birgt jedoch ein Risiko, da falsche Jumper-Einstellungen die Geräteerkennung beim Hinzufügen oder Auswechseln von Laufwerken behindern.

Die Verwendung von weniger Leitungen verringert das Risiko von Crosstalk und elektromagnetischen Störungen bei SATA. Auch die Signalspannung ist viel niedriger: 250 Millivolt bei SATA gegenüber 5 Volt bei PATA.

SAS und SATA im Vergleich

Serial-Attached SCSI oder SAS und SATA sind beides Technologien, die dünne Kabel zur seriellen Übertragung von Daten von der Hauptplatine eines Computers zu und von einem Speichergerät verwenden. Es gibt jedoch einige wichtige Unterschiede zwischen den beiden Technologien, darunter die folgenden:

Grundlegendes Design. SATA-Anschlüsse haben vier Drähte in einem Kabel. SAS-Anschlüsse haben ebenfalls vier Drähte, aber sie teilen die Drähte in zwei Kabel auf, wobei jedes Leiterpaar Daten senden und empfangen kann. Aufgrund dieses Unterschieds kann SATA nur eine Hauptplatine mit einem Speichergerät verbinden. SAS hingegen kann die Hauptplatine mit einem Speicherlaufwerk und einem anderen Gerät verbinden.

Lese- und Schreibgeschwindigkeiten. SATA 3.0 schreibt Daten mit einer theoretischen Geschwindigkeit von bis zu 6 Gbit/s in den Speicher, liest die Daten aber langsamer, wenn sie für Anwendungen aus dem Speicher gezogen werden. SAS liest und schreibt Daten kontinuierlich mit ungefähr der gleichen Geschwindigkeit von 6 Gbit/s.

Einsatzgebiete. Da SATA Daten langsamer liest als schreibt und hohe Kapazitäten unterstützt, werden SATA-Laufwerke häufig für die Speicherung von Daten verwendet, auf die nicht häufig zugegriffen wird. SAS-Laufwerke sind eine gute Option für Speicher-Workloads mit geringer Dichte. Unternehmen verwenden SAS-Laufwerke in der Regel für umfangreiche Speicher, insbesondere zur Unterstützung von Direct-Attached Storage (DAS) oder Festplatten-Controllern für Serverfarmen in Unternehmen.

Mean Time Between Failure (MTBF). SAS-Festplatten haben eine höhere MTBF-Rate, wodurch sie für serverbasierte Speicher besser geeignet sind als SATA-Laufwerke. Die MTBF von SAS-SSDs reicht von 1,2 Millionen bis 1,6 Millionen Stunden, während SATA-HDDs eine MTBF von 700.000 bis 1,2 Millionen Stunden aufweisen.

Kosten. SAS-Laufwerke sind in der Regel teurer als SATA-Laufwerke.

SATA im Vergleich zu mSATA und NVMe SSDs

SATA wurde ursprünglich für elektromechanische Laufwerke entwickelt, bei denen ein Antriebsarm Daten auf Sektoren auf einer rotierenden Platte schreibt und von diesen liest. Der SATA-Standard wurde später geändert, um nicht-mechanische SSDs zu unterstützen, die auf Flash-Speicher basieren.

Flash ist viel schneller als Festplattenspeicher, aber die langsamere SATA-Schnittstelle, die ursprünglich für HDDs entwickelt wurde, begrenzte weiterhin die SSD-Geschwindigkeiten. Die neuere NVMe-Flash-Schnittstelle ermöglicht einem Computer das Lesen und Schreiben von Daten auf SSD-Speicher mit einer höheren Geschwindigkeit als SATA- und SAS-SSDs.

NVMe ermöglicht es der Host-Software, direkt mit den Speichersubsystemen zu kommunizieren. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer Busschnittstelle, die den Datenverkehr hin und her leitet. NVMe definiert die Host-Controller-Schnittstelle und das Speicherprotokoll für Flash-Geräte, die für PCIe optimiert sind, einen seriellen Erweiterungsbus, über den Computer mit Peripheriegeräten verbunden werden können. PCIe-basierte NVMe-SSDs sind in einem Standardformfaktor und als Dual Inline Memory Module (DIMM) erhältlich, die in Motherboard-Steckplätze eingesetzt werden.

Dünne mSATA- und M.2-SATA-Geräte wurden entwickelt, um Flash-Speicher auf Motherboard-Ebene bereitzustellen. Im Jahr 2009 stellte die SATA-IO die mSATA-Spezifikation für SSDs mit kleinem Formfaktor vor. Das „m“ stand ursprünglich für mini, aber diese Bezeichnung ist nicht mehr relevant und die Spezifikation wird als mSATA bezeichnet.

Ein mSATA-Gerät ist ein Flash-Laufwerk, das auf der SATA-IO-Spezifikation basiert. Es wird in Laptops und anderen tragbaren Computergeräten verwendet. Die mSATA-Spezifikation ordnet die SATA-Signale über einen mSATA-Anschluss einer intern in der Hauptplatine eines Computers eingebauten PCIe-Karte zu. mSATA-Laufwerke sind ohne Außengehäuse konzipiert, um in kleine Host-Geräte zu passen. Ihre Leistung entspricht in etwa der von herkömmlichen SATA-SSDs.

Je nach Hersteller können bei einigen Computersystemen sowohl mSATA- als auch PCIe-SSDs in den Speichersteckplatz eingesetzt werden. Die von den beiden Protokollen verwendeten Pins und Steckplätze sind identisch, aber die Standards sind nicht von Haus aus kompatibel. Systemadministratoren müssen die Laufwerke so konfigurieren, dass sie entweder im mSATA- oder im PCIe-Modus laufen.

Der M.2-SSD-Formfaktor wurde als Speicher für ultradünne Computergeräte entwickelt; er wird allgemein als möglicher Ersatz für mSATA angesehen. Ein mSATA-Gerät unterstützt jede Version von SATA, ist aber nicht mit dem M.2-Anschluss kompatibel. Umgekehrt unterstützt eine M.2-SSD SATA, USB 3.0 und PCIe 3.0.

eSATA (Externes SATA)

Als SATA entwickelt wurde, war es als interner Mechanismus gedacht, um die Leistung von Speichern in Consumer-PCs zu verbessern. Die Notwendigkeit, diese Leistung außerhalb des Gehäuses zu erweitern, führte zur Entwicklung des External Serial Advanced Technology Attachment (eSATA).

SATA-IO entwickelte eSATA als eine Variante der SATA-Spezifikation, wobei dieselben Pins und dasselbe Protokoll verwendet wurden, um eine einheitliche Leistung zu gewährleisten. Dadurch konnten SATA-Speichergeräte extern an die Hauptplatine des Computers angeschlossen werden. Das Verfahren verwendet einen robusten Stromanschluss und zwei Meter abgeschirmte Kabel, um Daten zwischen externen Geräten und internem Speicher zu übertragen. SATA-IO behauptet, dass eSATA Daten bis zu sechsmal schneller überträgt als die USB 2.0- oder IEEE-1394-Schnittstelle.

Ein einzelner eSATA-Anschluss kann an ein externes SATA-Gehäuse angeschlossen werden, um den Speicher zu erweitern und ein RAID-Array aufzubauen. Videobearbeitung, Audioproduktion und Datensicherung sind einige häufige Anwendungsfälle für eSATA-Laufwerke. Allerdings hat eSATA auch seine Grenzen. Viele ältere SATA-Controller und -Laufwerke unterstützen nicht die Hot-Swap-Fähigkeit, die die externe Schnittstelle benötigt.