SATA Expressとは？仕組みや特徴、普及しなかった理由を解説

シリアルATA（SATA）は、パソコンのストレージ接続に広く使われている標準インターフェースです。取り付けが簡単で、パソコンとストレージデバイス間の互換性が高いのが特長です。しかし、シリアル通信方式として設計されたSATAはすでに性能の限界に達しており、多くのSSDはドライブ自体の性能ではなく、インターフェースの性能によって頭打ちになっています。そこで登場したのが、パソコンとストレージ間の新しい通信規格「SATA Express」です。

SATAかPCI Expressか

現行のSATA 3.0規格は帯域幅が6.0Gbpsに制限されており、これは約750MB/sに相当します。インターフェースのオーバーヘッドを差し引くと、実効性能は600MB/s程度に制限されます。現在の世代のSSDの多くはこの限界に達しており、より高速なインターフェースが求められています。

SATA Expressは、SATA 3.2規格の一部として策定された新しい通信規格です。デバイス側は従来のSATA方式を選択して旧機器との後方互換性を確保することも、より高速なPCI Expressバスを使用することもできます。

PCI Expressバスは、CPUとグラフィックカード、ネットワークインターフェース、USBポートなどの周辺機器間の通信に広く使われています。現行のPCI Express 3.0規格では、1レーンあたり最大1GB/sを処理でき、現行のSATAインターフェースよりも高速です。

ただし、デバイスは通常複数のレーンを使用します。SATA Expressの仕様では、新しいインターフェースを搭載したドライブは2本のPCI Expressレーン（いわゆるx2）を使用でき、潜在的な帯域幅は2GB/sに達します。これにより、帯域幅は従来のSATA 3.0ハードウェアの約3倍になります。

新しいSATA Expressコネクタ

新しいインターフェースには新しいコネクタが必要です。SATA Expressコネクタは、2つのSATAデータコネクタと、PCI Expressベースの通信を処理する3つ目の小さなコネクタを組み合わせた構造になっています。2つのSATAコネクタは完全に機能するSATA 3.0ポートであり、パソコン上の1つのSATA Expressコネクタで2つの従来型SATAポートをサポートできます。すべてのSATA Expressコネクタは全幅を使用するため、ドライブが従来のSATA通信ベースでも新しいPCI Expressベースでも対応可能です。つまり、1つのSATA Expressポートで、SATAドライブ2台またはSATA Expressドライブ1台のいずれかに対応します。

SATA Express対応ドライブはどちらの技術も利用できるため、両方のインターフェースと接続できる必要があり、第3の代替ポートではなく2つのポートを使用します。また、多くのSATAポートはプロセッサとの通信用にPCI Expressレーンにリンクされています。SATA ExpressドライブでPCI Expressインターフェースを使用すると、そのインターフェースにリンクされた2つのSATAポートとの通信が無効になる点に注意が必要です。

コマンドインターフェースの制限

SATAはデバイスとCPU間でデータをやり取りします。この層に加えて、その上にコマンド層が存在し、ストレージドライブへの書き込み・読み出しのコマンドを送信します。長年、この処理は「AHCI（Advanced Host Controller Interface）」によって担われてきました。AHCIは現在市場に出ているすべてのOSに組み込まれており、SATAドライブがプラグアンドプレイで動作する理由です。追加のドライバーは不要です。

しかし、AHCIはHDDやUSBフラッシュドライブのような従来の低速な技術とは相性が良いものの、高速なSSDの足かせとなっています。AHCIのコマンドキューは32個のコマンドを保持できますが、キューが1つしかないため、一度に処理できるのは1つのコマンドだけです。

ここで登場するのが「NVMe（Non-Volatile Memory Express）」コマンドセットです。NVMeは65,536個のコマンドキューを備え、各キューは65,536個のコマンドを保持できます。これにより、ストレージコマンドの並列処理が可能になります。HDDはヘッドの構造上1つのコマンドに制限されるため恩恵はありませんが、複数のメモリチップを持つSSDでは、複数のコマンドを異なるチップやセルに同時に書き込むことで帯域幅を大幅に向上させることができます。

NVMeは比較的新しい技術のため、市場のほとんどのOSには組み込まれていません。多くのOSでは、ドライブがNVMe技術を利用できるように追加のドライバーをインストールする必要があります。SATA Expressドライブの最高性能の展開にはある程度時間がかかるでしょう。

SATA Expressは両方の方式をサポートしています。まずAHCIドライバーで新技術を使い始め、後からパフォーマンス向上のために新しいNVMe規格へ移行することも可能です。ただし、移行時にはドライブの再フォーマットが必要になる場合があります。

SATA 3.2規格のその他の新機能

新しいSATA規格は、新しい通信方式やコネクタ以外にも多くの機能を追加しています。そのほとんどはモバイル向けですが、デスクトップパソコンなど非モバイル環境にもメリットがあります。

最も注目すべき省電力機能が「DevSleep」モードです。これはストレージシステムを準休止状態にできる新しい電源モードで、スリープ時の消費電力を抑えます。SSDと低消費電力を重視して設計されたUltrabookなどのノートパソコンのバッテリー駆動時間の向上につながります。

ソリッドステート・ハイブリッドドライブ（SSHD）も新規格の恩恵を受けます。新規格では新たな最適化のセットが追加されました。従来のSATA実装では、ドライブコントローラがアクセス状況を見て何をキャッシュすべきかを判断していました。新しい構造では、OSがドライブコントローラに対してキャッシュすべき項目を指示するため、ドライブコントローラの負荷が減り、パフォーマンスが向上します。

さらに、RAIDドライブ構成向けの機能もあります。RAIDの目的の一つはデータの冗長化です。ドライブに障害が発生した場合はドライブを交換し、チェックサムからデータを再構築します。SATA 3.2規格の新しいプロセスは、破損したデータと無事なデータを識別することで、再構築プロセスを改善します。

実装と普及しなかった理由

SATA Expressは2013年末に正式規格となりましたが、実際にパソコンシステムに搭載されたのは2014年春のIntel H97/Z97チップセットの登場時でした。マザーボードには新しいインターフェースが搭載されていたものの、発売時点でそれを使用するドライブは存在しませんでした。

インターフェースがすぐに普及しなかった理由は、M.2インターフェースの存在です。M.2は小型フォームファクターのSSD専用に使用されます。磁気プラッター式のHDDはSATA規格の性能を超えることが難しく、M.2は大型ドライブに依存しないため柔軟性が高くなっています。さらにM.2は4本のPCI Expressレーンを使用できるため、SATA Expressの2レーンよりも高速なドライブを実現できます。

AMDは2017年3月初旬にRyzenマイクロプロセッサを発表し、AMD Socket AM4プラットフォームにSATA Expressのネイティブサポートをもたらしました。