UltraATA/100: последний писк

АрхивНакопители

UltraATA/100 — последний параллельный IDE-интерфейс. Следующим будет последовательный — SerialATA. (Электронная версия печатного материала, опубликованного летом 2000 года.)

Человечество смеясь расстается с прошлым. В том числе и с компьютерным. Сочтены дни шины ISA, бывшей еще недавно незыблемой основой ЭВМ класса PC. Подходит к концу господство портов COM и LPT, уверенно вытесняемых USB… Вот и параллельный интерфейс ATA (AT Attachment), ставший в последние 6–7 лет самым популярным способом подключения к компьютеру накопителей и приводов¹, неуклонно движется к финалу своей жизни.

По оценкам аналитиков, лебединой песней параллельного интерфейса ATA станет его новейшая модификация — UltraATA/100², пришедшая летом 2000 года на смену появившемуся всего год назад UltraATA/66. Не в последнюю очередь скорейшей гибели параллельного ATA способствует небывалый прогресс жестких дисков — еще летом 1999 года  пределом мечтаний были винчестеры с плотностью записи 5 Гбайт на пластину, а сейчас в продаже диски с плотностью 20 Гбайт и скоростью чтения полезных данных с поверхности почти 40 миллионов байт в секунду.

Для таких дисков применение нового протокола со скоростью передачи данных по шине IDE до 100 Мбайт/с становится необходимостью, поскольку суммарный трафик пары дисков, подключенных к одному IDE-шлейфу (например, в массиве RAID, см. далее), может превышать возможности UltraATA/66. Более того, если прогресс «дискостроения» будет продолжаться такими же темпами, то в 2001 году и UATA/100 может стать узким местом для конфигурации двух дисков на одном шлейфе. Для этого достаточно, чтобы появились диски со скоростью чтения в районе 45 Мбайт/с, что примерно соответствует емкости трехдюймовой пластины «всего» 30 Гбайт. Напомню, что этой весной на экспериментальных образцах уже была продемонстрирована вдвое большая плотность (см., например, обзор винчестеров в «КТ» #348).

Однако дальнейший рост скорости передачи параллельного интерфейса АТА сковывают, в частности, физические ограничения, накладываемые многожильным IDE-кабелем. Нынешний 80-жильный 46-сантиметровый плоский кабель, применяемый для протоколов UATA/66 и UATA/100, где сигнальные жилы чередуются с экранирующими «земляными», уже не способен эффективно работать на более высоких частотах даже с применением избыточных кодов защиты от ошибок. Аналогичная проблема для интерфейсов SCSI при переходе с Ultra2 LVD (80 Мбайт/с) на Ultra160 (160 Мбайт/с) была решена заменой такого же плоскопараллельного кабеля на многожильный, состоящий из витых пар. Однако это решение недешево.

Прогноз производительности 3,5-дюймовых жестких дисков с частотой вращения шпинделя 7200 об./мин.

К тому же параллельному интерфейсу присущи такие недостатки, как 26 пятивольтовых сигнальных линий, для которых требуются отдельные многоножечные микросхемы (поскольку современные чипсеты рассчитаны на меньшее напряжение питания), большие разъемы и широкие кабели. Это увеличивает размер и стоимость системных плат, затрудняет порой сборку требуемых конфигураций и ухудшает условия циркуляции воздуха внутри корпуса. И хотя с появлением UltraATA/33 введена проверка целостности передаваемой информации по CRC, методов выявления источников и исправления ошибок в интерфейсе ATA до сих пор нет.

На прошедшем весной 2000 года Intel Developer Forum хороший выход из создавшегося положения предложила собственно Intel, поддерживаемая группой производителей ПК (IBM, Dell, Seagate, Quantum, Maxtor, APT Technologies и др.). Вместе эти компании образовали рабочую группу по выработке спецификации и продвижению на рынок нового интерфейса — Serial ATA³. Сайт рабочей группы по интерфейсу Serial ATA — www.serialata.org. Он будет поддерживать все накопители, включая винчестеры, CD, DVD, флоппи-дисководы, и др. при подключении их к материнским платам. Serial ATA работает при более низких напряжениях (размах импульсов всего полвольта), количество проводов кабеля сокращено до четырех, и до метра увеличена его допустимая длина. Это способствует более компактной упаковке и лучшим условиям охлаждения внутри корпуса компьютера (см. фото), а также удешевляет конструкцию. Станет возможно «горячее» подключение накопителей.

Так, привычно, выглядит корпус с параллельными интерфейсами.	Внутренности того же компьютера, но накопители имеют последовательный интерфейс.

Но главное преимущество Serial ATA — большая полоса пропускания. Первое поколение интерфейса Serial ATA будет обладать пропускной способностью до 1,6 Гбит/с. Второе и третье увеличат скорость до 3 и 6 Гбит/с соответственно⁴.

Предыдущая попытка введения универсального скоростного последовательного интерфейса IEEE 1394 не имела большого коммерческого успеха, поскольку по лицензии вынуждала отчислять четверть доллара за каждый порт. Группа, продвигающая Serial ATA, уже работает над тем, чтобы исключить такие поборы и сделать новый интерфейс легко доступным широкому кругу желающих.

Важно, что изменения архитектуры Serial ATA лежат только в области физического интерфейса, а по регистрам и программному обеспечению он будет полностью совместим с нынешним параллельным ATA. Поэтому не будет необходимости кардинально менять драйверы. Архитектура Serial ATA прозрачна для BIOS и операционной системы. Кроме того, Serial ATA будет обладать средствами исправления ошибок (по ECC), и целостность передаваемых по кабелю данных будет гарантироваться.

Обратная совместимость последовательного ATA с параллельным будет реализовываться двумя способами:

1. Объединением чипсетов, поддерживающих параллельный ATA-интерфейс, с дискретными компонентами, реализующими Serial ATA физически. Эти дискретные компоненты должны стать доступны в 2001 году, а в 2002 году должны появиться чипсеты со встроенными компонентами Serial ATA.

2. Применением адаптеров (dongles), превращающих параллельную шину АТА в последовательную, и наоборот (см. блок-схему).

Устройства первого поколения Serial ATA со скоростью передачи до 150 Мбайт/с должны появиться в 2001 году. Позднее с интервалами в три года появятся модификации на 300 и 600 Мбайт/с, а полный переход на Serial ATA ожидается к 2003 году. Заинтересовавшимся рекомендую почитать весьма живую презентацию Intel.

Таким образом, большинство производителей уже почти признало бесперспективность создания параллельного интерфейса UltraATA/133, и новорожденный UATA/100 обречен стать последним из могикан.

Тем не менее, сейчас младенец выглядит вполне розовощеким и даже не думает кукситься. Оптимистические прогнозы роста внутренней скорости чтения дисков обещают ему господство аж до 2003 года. Повышение скорости передачи улучшает надежность при работе с непрерывными потоками аудио/видеоданных, все более актуальными в последнее время, а также позволяет без ущерба сокращать размер буфера в низкостоимостных моделях дисков, как например, Quantum Fireball lct20 (128 Кбайт) или IBM Deskstar 40GV (380 Кбайт для данных, так как 132 Кбайт занимает firmware).

Поскольку возможности UATA/66 иссякнут при достижении дисками внутренней скорости чтения около 56 Мбайт/с (что ожидается в 2001 году), фирма Quantum выступила с инициативой разработки протокола UATA/100, который позже был принят остальными производителями дисков и поддержан в новейших чипсетах и контроллерах. Фактически он является дальнейшим усовершенствованием UATA/66, оптимизированным для мультимедийных приложений. В новом протоколе уменьшены времена задержки сигналов, гистерезисные явления, увеличена рабочая частота. UATA/100 обладает полной обратной совместимостью и автоматически переключается на менее скоростные моды (UATA/33 или UATA/66), если одно из устройств его не поддерживает.

Несмотря на то, что интерфейс UltraATA/100 запатентован фирмой Quantum, он доступен для свободного лицензирования производителями чипсетов и других компьютерных компонентов и уже поддерживается во всех современных чипсетах и отдельных чипах дисковых контроллеров, как HPT370 от фирмы HighPoint Technology и PDC20267 от Promise Technology и др.

После затянувшегося молчания⁵ новые серии винчестеров IBM к лету 2000 года восстановили статус-кво Голубого Гиганта как бесспорного лидера отрасли. Действительно, если конкуренты тогда только планировали перейти на пятнадцатигигабайтные пластины в «медленных» моделях, то IBM сразу порадовала плотностью 15 Гбайт на дисках 75GXP со скоростью вращения 7200 об./мин. и 20 Гбайт на низкостоимостных «пятитысячниках» 40GV. Такой прорыв стал возможен благодаря применению стеклянных пластин-носителей вместо традиционных алюминиевых, а также улучшенной системе балансировки головок. Помимо стандартных размеров буфера в 2 Мбайт (75GXP) или 512 Кбайт (40GV) стоит особо отметить значительно улучшенную ударостойкость и ощутимо сниженный акустический шум дисков. Субъективно, младшие «семитысячники» работают заметно тише хваленых Quantum Fireball lct10 и вполне сравнимы с неназойливым шелестом Fujitsu. Модельный ряд дисков (емкости 15/20/30/45/60/75 Гбайт для 75GXP и 20/30/40 Гбайт для 40GV) был уникален присутствием самой огромной на тот момент IDE-модели (75 Гбайт) и необычен наличием 20-гигабайтной модели «семитысячника» с тремя головками (нестандартная емкость пластины).

Мы испытали четыре диска IBM: два гиганта DTLA-307075 по 75 Гбайт каждый (оба из Венгрии) и два таиландских двадцатигигабайтника — на 7200 об./мин. (DTLA-307020) и на 5400 об./мин. (DTLA-305020). И если семитысячники порадовали невиданно высокой скоростью чтения — свыше 37 млн. байт в секунду, демонстрируемой под управлением UATA/66 или 100 (см. график на отдельной странице, по оси ординат — тыс. байт/с), то плотность 20 Гбайт на пластину в пятитысячниках еще сыровата, и график чтения заметно «дрожит» даже под UATA/100.

Кстати, график чтения одной стороны пластины для «урезанной» модели DTLA-307020 практически совпадает с полноразмерной моделью — исключены только 10 процентов емкости в самой медленной части диска. Это подтверждает и меньшее на 0,7 миллисекунды время доступа благодаря меньшей амплитуде хода головок. Так что такую модель сомнительно считать результатом «отбраковки» полноценных блинов, тем более что в ряде тестов она переигрывает даже самую старшую модель.

Кроме того, обнаружилась неприятная особенность — если по UATA/33 и UATA/100 все четыре диска работали как часы, то по UATA/66 (контроллер на чипе HPT366 от ABIT) два из них (307020 и один из 307075) намертво вешали компьютер после окончания процедуры POST (начальный этап при включении ПК до загрузки операционной системы). Я склонен считать это сыростью контроллера IBM (все диски были датированы маем этого года), поскольку любые другие винчестеры, поддерживающие UATA/66, никогда не имели подобных проблем с HPT366 (по крайней мере, на трех тестовых системах). Более того, когда я запустил диски на повышенной частоте шины PCI (41,3 МГц), все четыре отлично заработали и под UATA/66⁶. Плавно снижая частоту PCI, я нашел, что даже при частоте системной шины 101 МГц (PCI=33,7 МГц) все диски работали нормально, а вот при 33,3 МГц — два уже отказывали. Позднее вышли обновления BIOS контроллера, исправляющие эти проблемы (версии начиная с 1.26).

Для протокола UATA/100 (контроллер Promise Ultra100, детальную спецификацию которого см. на www.promise.com) все диски показали скорость шины IDE в 84,5 Мбайт/с под Windows по тесту Read Burst Speed из HD Tach 2.60 и 92 Мбайт/с в программе HDDSpeed 2.1 под MS-DOS (поддержка UltraATA/100 под DOS традиционно реализована в BIOS’е контроллера и установки драйверов не требует). Однако выигрыш дисков в тестах под UATA/100 по сравнению с UATA/66 наблюдался только для Adaptec ThreadMark 2.0 (за счет активного использования дискового буфера мелкими блоками), а для WinBench 99 и скорости копирования файлов 500 Мбайт преимущество было на стороне UATA/66 (см. диаграммы). Вероятно, драйверы нового интерфейса еще недостаточно оптимизированы.

О безоговорочном лидерстве семитысячников IBM DTLA в тестах говорить нет необходимости, а вот отметить, что пятитысячник IBM смотрится не хуже самых свежих семитысячников других производителей, нужно. При копировании огромных файлов все IBM DTLA слегка уступают диску WD102BA, однако оптимизация их контроллера для аудио/видеоприменений, особенно под Windows NT 4.0, безусловно, заслуживает похвалы.

И в заключение нельзя не отметить график чтения массива RAID0 (Stripe) из двух гигантов DTLA-307075 (по оси ординат — тыс. байт/с), полученный с применением контроллера Promise FastTrak100, а также суммарную емкость (см. скриншот выше). Подробнее работу RAID-массивов мы рассмотрим позднее, а пока видно, что скорость чтения данных с такого 150-гигабайтного «малыша» составляет свыше 75 млн. байт в секунду! Причем, как на разных шлейфах, так и на одном (master и slave). Вот где ощущается вся мощь последнего из параллельных ATA-интерфейсов.

---

1. IDE-типа, то есть, устройств со встроенным контроллером — Integrated Device Electronics.

2. Протоколу UltraATA/100 соответствуют обозначения официального стандарта ATA-6 и режима UltraDMA 5, тогда как обозначения ATA-4, ATA-5 и UltraDMA 4 относятся к UltraATA/66.

3. Сайт рабочей группы по интерфейсу Serial ATA — www.serialata.org.

4. Для сравнения приведу данные других последовательных интерфейсов: USB 1.1 имеет две скорости передачи данных — 1,5 и 12 Мбит/с, новейшая USB 2.0 — до 480 Мбит/с, что уже вполне приемлемо для накопителей, а IEEE 1394 (FireWire) сейчас поддерживает 100, 200 и 400 Мбит/с, но в будущем планируются 1,6 и 3,2 Гбит/с.

5. Напомню, предыдущие модели дисков IBM с плотностью записи 6,8–7,5 Гбайт на пластину появились осенью 1999 года, а начиная с января все остальные винчестеростроители, кроме IBM, наперегонки радовали нас моделями с десятигигабайтными пластинами, см. «КТ» #348.

6. Кстати, не стоит заблуждаться, что при такой частоте PCI старенький контроллер UATA/33, например, из чипсета i440BX, позволит читать диск на скорости 37 Мбайт/с — график при этом в точности такой же, как и при 33,3 МГц на PCI.