SATA : Présent et futur

SATA : évolution ou révolution..


Il aura fallu attendre l'été 2002 pour que la nouvelle norme de disque dur, le SATA (High Speed Serialized AT Attachment) ne soit plus une vitrine technologique, mais bel et bien une réalité. Après de longues années de bons et loyaux services, le PATA (Parallèle ATA) va commencer à céder sa place à son successeur, le SATA.

Évolution


Le SATA n'est pas une nouvelle norme, mais une évolution de l'ancienne norme PATA qui commence donc à arriver en fin de vie.
Pour pouvoir faire ce passage en douceur, ces 2 normes sont 100% compatibles via des adaptateurs permettant de brancher des disques durs PATA sur des contrôleurs SATA et vice-versa.
Le débit théorique de l'interface passe donc de 133 Mo/s (UDMA 133) à 150 Mo/s (SATA 150). Cette évolution peut paraître faible, mais on verra ce qu'il en est en réalité dans les benchmarks.
D'un autre côté, les prix de ces nouveaux disques durs ont aussi évolué, malheureusement pour nous plutôt vers le haut, comme les performances annoncées, et le rapport performance/prix qui a fait les beaux jours des disques durs IDE est toujours au rendez-vous.


Révolution


Les données ne seront plus transférées de manière parallèle, mais en série. Cela va permettre d'utiliser moins de câbles, et de limiter les problèmes des pertubations électromagnétiques du PATA (obligé de mettre des fils supplémentaires pour le blindage sur les nappes 80 fils). La méthode parrallèle consiste à envoyer des données sur plusieurs fils en même temps, tandis que le transfert série utilise moins de fils mais avec une circulation plus rapide des données.
Bien qu'il reprenne tous les avantages du PATA (compatiblité, prix), le SATA va laisser derrière lui ses défauts et va essayer d'adopter les qualités de son concurrent direct, le SCSI.

- La première est le hot plug. On va dorénavant pouvoir brancher nos disques durs préférés "à chaud" comme le SCSI, ce qui va faciliter leur intégration dans des periphériques externes (dur amovible), mais aussi sur des sytèmes RAID dans des serveurs, où l'arrêt des ordinateurs pour ajouter/changer un disque dur n'est pas possible.

- Grâce à une nouvelle connectique pour l'alimentation et le transfert des données, ces nouveaux disques durs peuvent être facilement "rackables", et il n'y a plus besoin de forcer pour installer les câbles. Le câble de données supporte une vitesse de transfert allant jusqu'à 3 Gbps, et elle est identique sur les disque durs de portable (2.5") et sur les disques durs de desktop (3.5"). La largeur du câble est de 8mm (contre 5cm sur les nappes PATA), et la longueur du câble peut atteindre 1 mètre. Cela plait enormément aux Jackys, qui sont à cheval sur la beauté intérieure de leur PC, mais facilite aussi le passage de l'air dans la tour.

- La connectique série ne permet de mettre qu'un disque dur par prise, il n'y donc plus de problème de maître ou d'esclave, il suffit de relier le dur au connecteur du contrôleur via un câble.

Qui dit compatibilité avec les portables dit forcément économie d'énergie. Ainsi nous avons droit à 3 stades de fonctionnement :
Phy Ready : mode actif
Partial : actif en moins de 10µs
Slumber : actif en moins de 10ms
On peut constater que le réveil du disque même en mode de super veille est très rapide.


Des débuts difficiles


Alors que des contrôleurs étaient disponibles depuis longtemps (Promise fastrack PDC20376, HighPoint HPT-374), les disques durs se sont fait rares jusqu'à l'hiver 2002 où les premiers exemplaires faisaient leur apparition chez Seagate. Ces nouveaux disques durs ont la particularité d'être des durs PATA (ancienne génération) munis d'un convertisseur parallèle vers série (par exemple les puces Marvell). Certains avantages du SATA sont donc disponibles (connectique, hotplug), mais du point de vue performances, aucun gain notable, voire des performances moindres par rapport à leur homologue PATA, dûes à la conversion des données.

Les nouveaux disques durs avec la technologie SATA en natif n'ont pas encore fait leur apparition, mais cependant les dernières versions des disques durs comme ceux de Maxtor avec les Diamond Max Plus 9, les versions serveurs de Western Digital et ses Raptors tournant à 10 000 T/mn, ont des performances revues à la hausse.


Problèmes et a priori


Les premiers contrôleurs SATA étaient et sont encore parfois des puces externes au southbridge reliéq à celui-ci par un bus PCI.
La majorité des cartes mères grand public disposent d'un bus PCI 32 bits cadencé à 33 MHz, qui founit un débit théorique de 133 Mo/s. Donc pour tout contrôleur SATA sur une carte PCI externe, le débit sera bridé à 133 Mo, entre le contrôleur et le reste du PC (mais pas entre le disque dur et le contrôleur).

Sur les puces intégrées aux cartes mères, le bus PCI 32 bits peut être cadencé à 66 MHz (ASUS A7V8X par exemple), ce qui permet donc un débit théorique de 266 Mo/s, bien supérieur aux 150 Mo/s du SATA, et cette connexion PCI ne sera donc pas un goulot d'étranglement (si l'on n'a pas de RAID mais un disque dur seulement). Voila la théorie, et l'on verra qu'en pratique, c'est bien différent.
Les nouveaux southbridges des chipsets pour plateforme Intel et AMD supportant en natif le SATA commencent à faire leur apparition (ICH5, VT8237 sur le KT600), et n'ont donc plus besoin de puce externe. Le SATA fait partie de pratiquement tous les derniers chipsets qui sont sortis mais aussi du southbridge Nforce 2 (MCP-S) et SIS964.

Machine de test

Matériel :

Carte mère : ASUS A7V8X/lan/1394/SATA/RAID/GOLD (chipset KT400)
Processeur : AMD 1700 + (BO) fsb 133 / ram 266 ( 2-3-2-6-1) non overclocké
RAM : 2 x 256 Mo DDR400 ( Twinmos/Chip Twinmos)
Disque dur système : Quantum Fireball Se 2 Go (NTFS)
Carte graphique : Suma Geforce4 Ti4200 64Mo SE 8x
Refroidissement : Watercooling aluminium sur CPU, GPU, Chipset, Disques durs

Logiciels :

Système d'exploitation (OS) : Windows 2000 Pro
Pour les benchmarks utilisation de
HD Speed v1.3.1.33
HD Tach 2.61
Sandra Sisoft 2003.7.9.73
ATTO Disk Benchmark 2.02
H2 bench
Fichier vidéo de 700 Mo
640 Mo de jpg pour 16 813 fichiers soit une moyenne de 39 ko par fichier

Matériel testé

2 disques durs Maxtor Diamond Max Plus 9 80 Go SATA 150 8 Mo de cache (6Y080M0)






On voit la nouvelle connectique, à gauche la prise Molex pour l'alimentation, à droite l'alimentation spéciale SATA et à sa gauche, le connecteur pour les données.



Le câble SATA : très fin, souple, et surtout très petit.



Contrôleur RAID SATA : Promise PDC20376 (intégré à la carte mère sur bus PCI 32bits cadencé à 66 Mhz = 266 Mo/s)
Pilote contrôleur raid : 1.0.1.37 et 1.0.0.14

Quelques petites explications pour le choix des différents composants/logiciels.

Tout d'abord nous avons décidé de ne pas mettre le système d'exploitation sur les disques durs que nous voulions tester, vu que certains benchmarks d'écriture sont incompatibles avec un dur formaté (HD Speed, HD Tach, H2 bench).

Ensuite, j'ai pris le seul dur que j'avais sous la main pour le sytème d'exploitation et donc ce fut le Quantum Fireball SE de 2 Go. Le deuxième avantage est qu'il n'est pas nécessaire d'installer une vingtaine de fois le système d'exploitation, ce qui permet un gain de temps lors des différent tests, et garantit des conditions logicielles toujours identiques.

Le système d'exploitation doit être capable de lire et d'écrire le NTFS et la FAT32. Le choix a été simple vu que Windows XP est très gourmant en ressources, Windows 2000 me sembla le meilleur compromis, les benchmarks étant en prime plus reproductibles sous Windows 2000 que sous Windows XP.
Ensuite chaque logiciel de benchmark apporte sa petite contribution à la connaissance du potentiel des disques durs.


Sur un disque dur vierge non formaté :


HD Speed : il va permettre de mesurer le taux de transfert "Burst rate", mais aussi la vitesse de transfert au début du disque dur, là où il est le plus véloce. L'avantage de HD speed, c'est qu'il différencie la lecture et l'écriture.

Sur les pilotes un peu anciens comme sur les 1.0.0.14, on peut séléctionner ou pas le cache du pilote du contrôleur RAID, qui augmente un peu les performances, un peu à la manière de Maxboost.



L'activation de cette option est automatique sur les pilotes récents (1.0.1.37) et donne des performances erronées pour le Burst rate.
C'est pour cela que pour le test de Burst rate on utilisera les vieux pilotes (1.0.0.14), et pour les autres benchmarks, on utilisera le dernier en date (1.0.1.37).

HD tach va permettre de connaître la moyenne des transferts sur toute la longueur du disque dur; ainsi que l'utilisation du processeur.
H2bench donne à peu près les mêmes informations que HD tach, et on verra que deux benchmarks (voire plus) valent mieux qu'un.


Sur un disque dur formaté en NTFS ou en FAT32 :

Sandra Sisoft 2003 va permettre aux INpactiens de comparer nos tests facilement avec leur propre machine, car c'est un logiciel très répandu et facile d'utilisation.

ATTO Benchmark permet de connaître le taux de transfert suivant la taille des fichiers utilisés. Nous utiliserons une taille totale supérieure à 16 Mo (32 Mo dans notre cas) pour ne pas subir l'effet du cache du pilote qui fausse les résultats.

Ensuite c'est une série de tests de notre cru, qui met un peu plus en pratique ce que l'INpactien moyen peut faire avec ses disques durs (encodage DivX :-), photo de charm...vacances, etc). Cela se décompose en un transfert d'un gros fichier vidéo de 700 Mo, et aussi le transfert d'un très grand nombre de petits fichiers). Les résultats sont très parlants, souvent plus que les autres benchmarks.

Beaucoup de cartes mères récentes proposent 1 voire 2 contrôleurs RAID intégrés. Avec 2 disques durs, on peut faire du RAID 1 (mode miroir). Le contrôleur va tout simplement écrire la même chose sur les 2 disques durs. Par conséquent, si l'un des 2 disques tombe en panne, on ne perd aucune donnée. En terme de vitesse, on devrait obtenir en théorie une vitesse d’écriture équivalente à celle d’un disque unique, et 2 fois la vitesse en lecture. L’inconvénient étant que l’on perd la moitié de la capacité des disques durs (exemple : 2 disques de 80 Go auront une taille de 80 Go en RAID 1). L’autre mode disponible est le RAID 0 (mode performance). Le contrôleur va répartir les données également sur les disques durs. Ainsi en théorie, on aura en lecture et en écriture 2 fois la vitesse d’un disque seul. Il n’y a pas de perte de place (exemple : 2 disques de 80 Go auront une taille de 160 Go en RAID 0), le seul inconvénient étant que si l’un des 2 disques durs tombe en panne, alors on perdra toutes les données. Nous vous proposerons donc aussi des tests dans ces 2 modes.

Bench : HD Speed

HD Speed


Pilote 1.0.0.15 : permettant d'enlever le cache du driver promise .
Test du Burst Rate : avec Hd speed, les vitesses de transfert maximum atteintes en faisant varier la taille des blocs de données.



La toute première remarque que l'on puisse faire, c'est que le débit théorique de 150 Mo/s du SATA n'est pas atteint par le disque dur Maxtor, même en mode burst, puisqu'il plafonne à environ 67 Mo/s.

La deuxième analyse nous montre qu'en théorie, 2 disques durs en RAID pourraient avoir un débit de 134 Mo/s (67x2) en burst rate et que par conséquent, même un contrôleur sur un bus PCI 32 bits à 33 Mhz peut accepter un tel débit. En pratique on voit bien que le débit maximal n'est pas doublé, surtout pour le burst rate en écriture.

En lecture, la vitesse du cache est plus élevée que celle du disque lui même, alors qu'en écriture, c'est l'inverse pour les modes RAID. Ce résultat est tout de même assez bizarre, mais nous n'avons pas d'autres contrôleurs ni de disques durs pour tester d'autres configurations.

Dans ce test qui n'a aucune signification réelle dans l'utilisation classique d'un disque, on peut donc constater que le RAID 0 finit à la première place suivi ensuite par le disque dur unique, talonné par la RAID 1 qui s'écroule en écriture, redondance oblige.

Bench : Hd Tach

Hd Tach


Utilisation du pilote : 1.0.1.37 . Celui-ci force l'activation du cache du pilote. Il en résulte des vitesse en burst rate erronées, mais cela permet un surcroît de performances, et surtout un taux d'utilisation du processeur plus faible.

Raid 1
Raid 0
Sata 150



En Lecture, le RAID est largement en tête avec plus de 80 Mo/s de moyenne soit presque deux fois celui du disque dur SATA 150. En fait la suprise vient du RAID 1 qui a un score plus faible que le disque dur unique. C'est assez étonnant, surtout qu'en théorie, on devrait presque avoir le double en vitesse. On comprendra mieux ce phénomène avec ATTO.

En écriture, on voit la faiblesse du RAID, et oui, c'est compliqué de diviser les données. Le RAID 1 a énormément de mal, et le RAID 0 fait à peine plus que le SATA 150. Les résultats obtenus en écriture sont vraiment bizarres et surement faux (voir autres benchmarks).



CPU utilization : Pas de secret ici, plus on a de données à transférer par seconde, plus cela consomme de ressources systèmes, donc le RAID 0 est le plus gourmand, et les 2 autres font jeu égal.

Acces time : pas de différence.

Bench : H2 Bench

H2 Bench




Pour la lecture des données on retrouve à peu près le même ordre de grandeur que sur Hdtach, avec un écart d'environ 10 Mo/s... Pour l'écriture, bien que l'ordre RAID 0, SATA 150, RAID 1 soit conservé, on peut voir qu'ici le chiffre a été multiplié par deux; il semblerait en comparant avec les autres benchs qu'HD tach donne une fausse valeur pour l'écriture des données (peut-être aussi pour la lecture). Pour le Burst rate, pas de miracle ici, on retrouve en moyenne les scores précédents obtenus sur Hd speed.



Le temps d'accès en lecture est diminué si l'on a du RAID. Par contre en RAID 1, le temps d'accès en écriture augmente par rapport à un dur simple, mais celui-ci est divisé par deux en RAID 0.

Bench : Sandra Sisoft

Sandra Sisoft 2003



Raid 1 / FAT32




Raid 1 / NTFS




Raid 0 / FAT32




Raid 0 / NTFS



SATA 150 / FAT32



SATA 150 / NTFS


Que dire ? En fait, peut-être pas grand chose, si ce n'est que sur ce bench la différence entre NTFS et FAT32 est pratiquement nulle. Cela vous permettra seulement de comparer avec les performances de vos disques durs.
On retrouve ici les mêmes valeurs que H2 bench, confirmant que le logiciel Hdtach n'est pas fiable.

Bench : ATTO

ATTO Disk Benchmark



SATA 150 / FAT32




SATA 150 / NTFS


En gros, 50/50 (53/52). On retrouve en fait le même résultat que sous les autres logiciels. A partir de 2 Ko, les fichiers sont tous lus à la même vitesse, avec ici une petite avance du FAT 32 par rapport au NTFS.



Raid 0 / FAT 32




Raid 0 / NTFS


On voit ici que le 50/50 se tranforme en 83/95. Le RAID a beaucoup plus de mal en écriture, par contre en lecture il ne se débrouille pas si mal (182 % de plus par rapport au SATA 150 en lecture, contre 156% en écriture). Pas de différence entre NTFS et FAT32.



Raid 1 / FAT 32




Raid 1 / NTFS


Rien de nouveau en RAID 1, si ce n'est les deux dernières lignes des graphiques. Avec des gros fichiers (+ de 512ko) on voit que la vitesse est pratiquement doublée, ce qui n'est pas le cas avec de petits fichiers.

Bench : Made in INpact

Copie d'un divx de 700 Mo





La toute première constatation est la lenteur observée par le RAID 1. Celui-ci est très pénalisé par sa vitesse d'écriture, alors si en plus on lui demande de lire, les performances s'écroulent, avec plus d'une minute pour transférer notre divx de référence.

Ensuite la bonne surprise vient du single, qui fait une moyenne de plus de 20 Mo en lecture/écriture combinées. Le RAID 0 quant à lui ne se débrouille pas trop mal puisque qu'il arrive deuxième de notre test.

Ensuite, la grande surprise de notre test (qui n'en est pas une) est la vitesse hallucinante obtenue pour le transfert du fichier entre 2 disques durs distincts. En effet les durs n'ont pas besoin de lire ou d'écrire en même temps, l'un ne fait que lire et l'autre qu'écrire, ce qui est le cas le plus favorable, puisque les disques durs ne savent pas faire 2 choses en même temps... Cela fait une moyenne de 44 Mo/s.

On voit que le croisement de système de fichier (FAT32/NTFS) n'a pas d'influence sur le transfert d'un gros fichier.
Pour le RAID 0, plus les stripes (bandes) sont petites, plus les performances sont présentes pour les gros fichiers (en général).


Copie de 640 Mo de jpg


Pour 16 813 fichiers soit une moyenne de 39 Ko par fichier.




Comme précédemment, le RAID 1 arrive bon dernier, mais c'est lui qui a la plus petite différence avec le test précédent. Conclusion, simple, le RAID 1 est moins pénalisé par les petits fichiers que par les volumineux. Il est suivi de très près par le single (disque unique) qui a de moins bonnes performances par rapport au premier test. Ce dernier a pratiquement triplé ses temps, bien que la taille totale des fichiers soit plus faible.

La vitesse de transfert de dur à dur est toujours en tête, mais son avance a fondu par rapport au RAID 0 qui là encore fait une bonne prestation.
Pour le RAID 0, on voit ici l'effet inverse par rapport au test précédent, c'est à dire que plus les stripes sont grandes, plus le transfert est rapide (très peu d'effet sur le NTFS).


Impact du sytème de fichier


Sur un gros fichier, les performances sont identiques. Par contre sur les petits fichiers le NTFS prend largement la tête avec 30 % d'avance dans certains cas (sauf en RAID 1 où il est toujours en retrait). Il semblerait que la vitesse d'écriture/lecture du NTFS soit beaucoup plus rapide que sur la FAT32.

Influence de la taille des bandes pour le RAID. Pour les gros fichiers, il faut préférer des petites bandes alors que pour les petits fichiers il y a une infime avance pour les larges bandes. La configuration par défaut qui fait 64 k semble être le meilleur compromis.

Ces tests made in INpact peuvent donner lieu à une petite réflexion. Si l'on possède 2 disques durs, est-il nécessaire voire obligatoire de les passer en RAID 0 pour plus de performance? Ma réponse personnelle serait non. Suivant les applications, l'un ou l'autre choix est préférable. Un bon paramètrage de l'O.S, en séparant par exemple les applications et le fichier d'échange (swap) sur un autre disque dur pourrait être plus bénéfique, surtout si l'on a des gros fichiers à déplacer, par exemple en montage vidéo (surtout si les fichiers sont gros) sur un fichier de 3 Go, il mettra une minute de moins avec les deux disques durs séparés, par rapport à du RAID 0, ce qui n'est pas négligeable.

Donc s'il n'y pas de lecture et d'écriture simultanées, alors le choix va directement vers le RAID 0. Par contre si l'on déplace souvent des fichiers (surtout des gros), alors il vaudra mieux opter pour un système à 2 disques séparés, surtout que les performances pures de ces disques durs SATA sont très bonnes, de l'ordre de 50 Mo/s en lecture/écriture.

Pour le RAID 1, si vous avez un serveur, alors pas de problème, même si un dur tombe en panne, non seulement vous ne perdrez pas de données, mais de plus le système ne s'arrêtera pas. Pour une utilisation personnelle, cela est plus discutable. En fait dans beaucoup de cas (pratiquement tous), il est moins véloce qu'un disque dur seul. Si ce n'est que pour protéger des fichiers personnels, et non pas pour maintenir un PC et son OS opérationnels, alors une sauvegarde manuelle (via logiciel) me semble plus indiquée.

Pour le système de fichier, il apparait clairement que le NTFS sort grand vainqueur. Par contre il faudra faire attention à la compatibilté Linux, car celui-ci ne sait que lire sur des partitions NTFS, alors qu’il peut lire et écrire sur de la FAT32.

SATA 2 l'avenir ??? / Conclusion

Même si le SATA 2 ne sera pas le produit phare de demain, il restera quand même un produit important, car la roadmap du SATA est de 10 ans, ce qui n'est pas négligeable. Cette norme sera essentiellement orientée vers le stockage, il n'y aura donc pas d'imprimante ni de scanner SATA, mais d'autres interfaces sont déjà là pour ça (USB2 Firewire).

La plus grande nouveauté qui intéressera le grand public sera l'augmentation de la vitesse théorique de 150 Mo/s à 300 Mo/s. Il faut cependant relativiser, car lors des tests nous avons a pu constater que la limite des 150 Mo du SATA était loin d'être atteinte.
Le petit "plus" sera la compatibilité avec la norme SATA. Votre matériel de stockage ne deviendra donc pas obsolète à la sortie de cette nouvelle norme.
Le support pour le command queuing sera lui aussi intégré. Ce système va permettre au disque dur d'optimiser les accès aux données.

Voila un petit exemple concret :
instruction 1 : lire au milieu du dur.
instruction 2 : lire au début du dur.
instruction 3: lire à la fin du dur.

Si l'on suit ces instructions, la tête de lecture va donc parcourir 1,5 fois la surface du disque dur. Avec le command queuing, il va replacer les instructions pour en optimiser l'éxécution, et il fera donc 2 suivi de 1 et enfin 3, et la tête de lecture n'aura donc parcouru qu'une seule fois la surface, d'où un gain de temps très appréciable.
D'autres nouveautés seront aussi présentes, mais d'un intérêt moindre pour le grand public.

On va pouvoir faire de la gestion des sytèmes de stockage via le S.M.A.R.T (Self Monitoring Analysis and Reporting Technology), qui va permettre de détecter tout problème de matériel, et de transférer ces informations au logiciel de monitoring.

On aura aussi la possibilité d'avoir une diode d'activité de disque dur pour chaque disque physique. Cela permetra par exemple de détecter une panne éventuelle très rapidement (très utile pour les serveurs de stockage).

Le "port multiplier" va permettre de brancher jusqu'à 15 disques durs sur un même contrôleur. On ne sera donc plus limité par le nombre de connecteurs se trouvant sur la carte mère.

Grâce au "port selector", on va pouvoir faire l'inverse, c'est à dire : mettre un disque dur sur deux contrôleurs en même temps. A priori, ça peut paraître absurde mais en y réfléchissant.....
Exemple concret : deux serveurs qui partagent un disque dur (de données vitales comme une base de données)

PC1 --> dur <-- PC2

Si le PC2 est un redondant de PC1, et si celui-ci a une défaillance et que PC2 prend la relève, alors il aura accès aux données du disque partagé de manière matérielle sans avoir besoin d'aucune intervention. Pour résumer, c'est un peu comme du RAID (miroir) mais pour le contrôleur, s'il y a une défaillance, l'autre prend le relais...

Conclusion


Le SATA n'est pas un produit révolutionnaire, mais qui a de l'avenir devant lui. Il aura avec le SATA 2 tous les avantages du SCSI, avec espérons le, toujours le prix de l'IDE.
Si pour la mise à niveau d'une ancienne machine cela peut s'avèrer inintéressant (achat d'une carte contrôleur supplémentaire, adaptateurs, câbles...), pour du nouveau matériel il en est autrement, car le SATA est vraiment un produit d'avenir, qui ne se démodera pas de sitôt...

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