So sánh các chuẩn ổ cứng SSD: SATA, SAS và PCIe

Nếu bạn nằm trong số nhiều doanh nghiệp dự định sử dụng sức mạnh của ổ cứng thể rắn (SSD) dựa trên bộ nhớ flash, một trong những câu hỏi chủ yếu nhất mà bạn có thể đặt ra là: Loại ổ cứng SSD nào tốt nhất để triển khai lưu trữ flash?

Nếu nghiên cứu chủ đề này với hy vọng tìm ra câu trả lời ngắn gọn, hy vọng của bạn sẽ nhanh chóng bị dập tắt khi bạn nhận thấy mình đang trượt sâu hơn vào mớ hỗn độn của lưu trữ dữ liệu doanh nghiệp. Trong khi chuẩn giao tiếp của SSD không chỉ có một loại, hầu hết những người mới tìm hiểu thị trường này có thể đã nghe đến các chuẩn như Serial Attached SCSI (SAS), Serial ATA (SATA) hoặc PCI Express (PCIe).

Sự khác biệt giữa SATA và NVMe

Ổ cứng Non-Volatile Memory Express (NVMe) được thiết kế đặc biệt để sử dụng cho SSD. Chuẩn giao tiếp NVMe là một cải tiến đáng kể so với các ổ đĩa cứng truyền thống (HDD), nhưng nó cũng cho thấy nhanh hơn rất nhiều so với giao tiếp bus máy tính SATA. Ví dụ: PCIe 3.0 cung cấp tốc độ truyền tối đa khoảng 985 Mbps trên mỗi làn, với các ổ NVMe có khả năng sử dụng bốn làn và đạt được tốc độ tối đa là 3,940 Mbps (3,9 Gbps).

Tiềm năng về tốc độ đó nghe có vẻ thú vị nhưng nó không tránh khỏi đi kèm với một số nhược điểm cần được xem xét. Thứ nhất, ngay cả khi giảm giá, nó hoàn toàn phụ thuộc vào SSD hiệu suất cao và đó vẫn là một lựa chọn đắt tiền so với SATA. Kế đến, có một thực tế là NVMe chạy trên client PC yêu cầu thiết bị phải ở định dạng M.2. Điều này sẽ hạn chế đáng kể việc lựa chọn ổ đĩa của bạn. Đối với những bên sử dụng thiết bị kế thừa, đừng mong đợi quá nhiều về việc hỗ trợ cho các dòng máy cũ hơn. Cuối cùng, thiết bị NVMe là giải pháp tốn kém nhất cho những người muốn lưu trữ lượng lớn dữ liệu, đặc biệt là khi người ta cho rằng ổ NVMe được cho là có xu hướng mất dữ liệu qua thời gian.

Sự hình thành và phát triển của ổ đĩa thể rắn (SSD)

Năm 1978, StorageTek STC 4305 được giới thiệu là thiết bị lưu trữ bán dẫn đầu tiên tương thích với giao diện ổ cứng. STC 4305 được cho là nhanh hơn bảy lần và chỉ bằng một nửa giá của ổ đĩa cứng cố định IBM 2305. Sau đó nó được chuyển sang bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động (DRAM). Vào cuối những năm 1980, Zitel đã giới thiệu dòng sản phẩm SSD dựa trên DRAM được sử dụng với các hệ thống UNIVAC và Perkin-Elmer. Năm 1989, Sanjay Mehrotra và Eli Harari, những người sáng lập SanDisk, và người thứ ba tên là Robert D. Norman đã nộp bằng sáng chế cho một ổ SSD dựa trên flash sau khi nhận ra tiềm năng to lớn của việc sử dụng bộ nhớ flash thay thế cho ổ cứng.

Năm 1991, SanDisk xuất xưởng ổ SSD dựa trên flash (SSD 20 MB) được sản xuất thương mại đầu tiên trong cấu hình của Hiệp hội thẻ nhớ máy tính cá nhân quốc tế (PCMCIA). Trong những ngày đó, các Thẻ PC SSD dựa trên flash này được bán OEM với giá khoảng 1.000 đô la. IBM đã sử dụng chúng trong các máy tính xách tay ThinkPad sáng tạo của họ, được tung ra thị trường vào năm 1992. Kể từ đó, ổ SSD dựa trên flash đã thay đổi rất nhiều; chúng ta đã chuyển từ SSD dựa trên flash 20 MB sang SSD PCIe 4.0 8 TB 16 làn với tốc độ đọc tuần tự 15.000 Mbps và tốc độ ghi tuần tự 15.200 MB/s, như đã từng được thể hiện bởi nhà sản xuất và nhà phân phối Gigabyte Technology của Đài Loan.

Mặc dù SSD dựa trên flash đã có mặt trên thị trường gần 30 năm, phân tích dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo (AI) đã thúc đẩy công nghệ flash trở thành ánh đèn pha sáng sân khấu. Nhiều công ty, tổ chức đang bắt đầu ứng dụng SSD dựa trên flash để tận dụng hiệu suất cao của nó, nhưng nhiều tổ chức vẫn chưa làm như vậy và tự hỏi SSD nào tốt nhất để kết hợp flash: PCIe, SAS hay SATA?

PCI Express (PCIe)

Ổ cứng SSD đầu tiên trong danh sách của chúng tôi là PCIe. Đây là một trong những ổ SSD đáng mơ ước nhất trong danh sách này – chưa nói là đắt nhất. Lý do cho điều này là do hiệu suất của chúng. Hãy nghĩ về SSD PCIe như một liên kết không bị gián đoạn hơn với bo mạch chủ (mainboard) bằng cách bỏ qua bộ điều khiển SAS hoặc SATA và cắm trực tiếp vào backplane. Điều này nghĩa là SSD PCIe về cơ bản có thể xem là một phần của backplane, giúp đạt được tốc độ vượt trội.

PCIe là giao diện bo mạch chủ tiêu chuẩn cho các công nghệ như card đồ họa, ổ đĩa cứng (HDD), ổ cứng thể rắn (SSD), Wi-Fi và phần cứng Ethernet,… PCIe được định nghĩa là một tiêu chuẩn bus mở rộng máy tính nối tiếp tốc độ cao và cung cấp nhiều cải tiến so với các tiêu chuẩn bus cũ hơn như PCI, PCI-X và AGP.

Một trong những cải tiến lớn bao gồm kích thước vật lý nhỏ hơn, thông lượng bus tối đa cao hơn, mở rộng hiệu suất tốt hơn cho các thiết bị bus, số lượng chân I/O thấp hơn, chức năng hot-swap gốc, cơ chế báo cáo đáng tin cậy hơn (Báo cáo lỗi nâng cao, AER) và phát hiện lỗi và hỗ trợ phần cứng cho ảo hóa I/O. PCIe 3.0 hỗ trợ các làn 1x, 4x, 8x, 16x và 32x với tốc độ truyền hiệu quả là 985 MB/s trên mỗi làn. Đó là tốc độ truyền có thể lên đến 15,76 GB / s. Vào tháng 5 năm 2019, tiêu chuẩn PCIe 5.0 chính thức đã được công bố, hứa hẹn có thông lượng 128 GBps.

SSD SATA và SAS cũng kết nối với PCIe backplane, nhưng chúng kết hợp các form factor phần cứng vật lý với giao thức phần mềm, làm chậm quá trình truyền dữ liệu. PCIe tập trung vào tín hiệu điện, sản xuất ổ đĩa flash SSD được thiết kế theo đúng chuẩn PCIe. Hơn nữa, do tính song song và tốc độ đặc biệt, SSD dựa trên PCIe cung cấp thông lượng phù hợp hơn với định dạng NAND. Và nhờ Định luật Moore, giá của SSD dựa trên PCIe và SSD dựa trên SATA có cùng dung lượng từ đó trở nên ngang nhau.

Serial AT Attachment (SATA)

SATA là một giao diện bus máy tính kết nối bộ điều hợp bus chủ với các thiết bị lưu trữ thứ cấp như ổ đĩa cứng (HDD), ổ đĩa quang (ODD) và ổ cứng thể rắn (SSD). SATA đã thay thế tiêu chuẩn ATA song song (PATA) và trở thành giao diện thống trị cho các thiết bị lưu trữ. Thuật ngữ “SATA” có nguồn gốc từ Serial ATA International Organization (một tổ chức độc lập, phi lợi nhuận) chịu trách nhiệm cung cấp hướng dẫn và hỗ trợ cho ngành công nghiệp máy tính trong việc triển khai các thông số kỹ thuật của SATA. Các tiêu chuẩn này sau đó được xuất bản bởi Ủy ban kỹ thuật INCITS T13, Đính kèm AT (INCITS T13).

Vì lý do nêu trên, hầu hết các ổ SSD được sản xuất dựa trên định dạng giao diện SATA. SSD SATA III (được giới thiệu vào năm 2009) là phiên bản mới nhất và có khả năng đọc dữ liệu ở tốc độ 6 Gbps (600 Mbps). Khả năng ghi của SSD SATA III chỉ chậm hơn một chút nhưng vẫn nhanh hơn rất nhiều so với bất kỳ ổ cứng nào trên thị trường (khoảng 120 Mbps). Do sự phổ biến lâu đời của chúng và số lượng công ty sản xuất ổ cứng thể rắn SATA, chúng vẫn là một trong những lựa chọn hợp lý nhất trên thị trường.

Tuy nhiên, khi giá bộ nhớ flash NAND tiếp tục giảm và khoảng cách giá giữa SSD dựa trên PCIe và SATA tiếp tục thu hẹp, chúng ta có thể bắt đầu thấy sự thay đổi lớn đối với SSD PCIe vào năm 2020.

Serial Attached SCSI (SAS)

Các giao diện SAS và SATA khá giống nhau ở chỗ cả hai đều thực hiện gần như cùng một công việc. Tuy nhiên, vì mỗi cái được xây dựng với phần cứng khác nhau nên cả hai đều phù hợp với các khối lượng công việc khác nhau. Ví dụ, SATA ít tốn kém hơn nhưng phù hợp hơn để lưu trữ tệp trên máy tính để bàn. Mặt khác, SSD dựa trên SAS đắt hơn nhưng phù hợp hơn để sử dụng trong các máy trạm hoặc máy chủ xử lý nặng nề hơn. Ổ cứng SSD SAS III cung cấp tốc độ lên tới 12 Gbps, nhanh hơn gấp đôi so với ổ đĩa flash SSD dựa trên SATA. Hơn nữa, SSD dựa trên SAS có tính năng ghi từ một đến ba ổ mỗi ngày (DWPD) với dung lượng từ 800 GB đến 6,4 TB và dung lượng từ 960 GB đến 15,36 TB.

SAS SSD hấp dẫn đối với các doanh nghiệp vì chúng hỗ trợ nhiều đường dẫn dữ liệu, khả năng dự phòng đường dẫn dữ liệu vượt trội và tính sẵn sàng cao. Ngoài ra, SSD SAS rất thích hợp nằm trong các mảng lưu trữ dựa trên bộ điều khiển kép, làm cho chúng trở thành lựa chọn tuyệt vời cho hầu hết các giải pháp lưu trữ được xác định bằng phần mềm trên thị trường hiện nay.

Một vấn đề khác về ổ SAS so với ổ SATA là chúng tạo ra ít overhead cho phần cứng hơn (thuật ngữ “overhead” đề cập đến bất kỳ sự kết hợp nào về thời gian xử lý, bộ nhớ, băng thông hoặc các tài nguyên khác một cách quá mức, được yêu cầu để thực hiện một tác vụ cụ thể). Điều này trở nên quan trọng khi số lượng hoạt động I/O mỗi giây (IOPS) và độ trễ trao đổi dữ liệu là một vấn đề. So với SSD dựa trên SATA, SSD dựa trên SAS mang lại tính toàn vẹn dữ liệu tổng thể từ đầu đến cuối cao hơn và có cấu trúc có thể định cấu hình tốt hơn.

Cuối cùng, nếu một mảng lưu trữ hoặc máy chủ hỗ trợ giao diện SAS, có thể cắm SAS hoặc SSD dựa trên SATA vào đó và cả hai đều sẽ hoạt động. Tuy nhiên, điều này không đúng với các mảng hoặc máy chủ chỉ có SATA backplane; chỉ SSD SATA mới hoạt động.

Liên hệ tác giả