mini|hochkant=0.6|Serial-ATA-Logo mini|SATA-Kabel (oben) und zwei nebeneinanderliegende Anschlüsse auf einem Mainboard (unten) mini|Unterseite einer Serial-ATA-Festplatte mit Datenkabel (links) und Stromkabel (rechts) Serial ATA, kurz SATA oder S-ATA ist eine Computer-Schnittstelle für den Datenaustausch mit Festplattenlaufwerken, Solid-State-Drives und anderen Speichergeräten. „ATA“ steht dabei für das ursprünglich parallele Übertragungsprotokoll AT Attachment, der Name verweist auf seinen Ursprung im Umfeld des IBM Personal Computer/AT und dazu kompatiblen Geräten. Im Unterschied zu ATA werden bei SATA die Daten jedoch seriell übertragen.
Geschichte Serial ATA wurde im Jahr 2000 von Intel aus dem älteren ATA/ATAPI-Standard entwickelt. Dabei wurde entschieden, von einem parallelen Bus-Design zu einer bit-seriellen Punkt-zu-Punkt-Verbindung überzugehen; das heißt, die Daten werden seriell übertragen (Bit für Bit) und nicht, wie bei den alten ATA-Standards, in 16-bit-Wörtern. Gegenüber seinem Vorgänger besitzt SATA drei Hauptvorteile: höhere Datentransferrate, vereinfachte Kabelführung und die Fähigkeit zum Austausch von Datenträgern im laufenden Betrieb (Hot Swapping). Seit der Einführung von Serial ATA wird der ältere ATA-Standard retronym auch als Parallel ATA (PATA) bezeichnet, um Verwechslungen zu vermeiden. Beide Anschlusstypen fanden sich nach der SATA-Einführung zunächst parallel auf den Mainboards; seit 2010 werden PATA-Anschlüsse zunehmend weggelassen. Von der Topologie her ist SATA eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Ein SATA-Anschluss auf der Hauptplatine ist also für nur ein Gerät vorgesehen. Serial ATA ist nicht auf Festplattenlaufwerke beschränkt – mittels ATAPI-Protokoll können auch Bandlaufwerke, DVD-Laufwerke und -Brenner oder Speicherkartenlesegeräte verwendet werden.Serial ATA Work Group: Serial ATA: High Speed Serialized AT Attachment. Revision 1.0a, 7. Jan 2003. Mit der externen Schnittstelle eSATA (siehe unten) steht oder stand SATA zudem in Konkurrenz zu Universal Serial Bus, FireWire und Thunderbolt.
Datenübertragungsraten Steigt bei parallelen Bussen die Datenübertragungsrate, so verstärken sich zugleich unerwünschte Nebeneffekte, die einer weiteren Erhöhung der Übertragungsrate entgegenstehen. Das sind vor allem die zunehmende Asynchronität der parallelen Datenleitungen und ein Übersprechen – die unerwünschte gegenseitige Beeinflussung zwischen den Leitungen. Weiterhin schränken der bei ATA nicht spezifizierte Bus-Abschluss und die massebezogenen Signale die verwendbare Kabellänge stark ein. Serial ATA nutzt zur Vermeidung dieser Probleme eine serielle Übertragung und auf physikalischer Ebene das Low Voltage Differential Signaling.
Die erste Serial-ATA-Generation wurde mit einer Übertragungsrate von 1,2 Gbit/s spezifiziert und ist damit nur unwesentlich schneller als die letzte und schnellste parallele ATA-Schnittstelle (ATA/133). Die Serial-ATA Revision 2.0 verdoppelte den Durchsatz auf 2,4 Gbit/s. Im Jahr 2009 wurde der aktuelle Standard Serial-ATA Revision 3.0 mit 4,8 Gbit/s veröffentlicht. Die Spezifikation 3.x wurde in der Zwischenzeit weiter entwickelt und hat seit Juli 2020 die aktuelle Version 3.5 erreicht.
SATA überträgt zur Taktrückgewinnung und zum Gleichspannungsausgleich Daten 8b/10b-kodiert. So werden acht Informationsbits durch zehn Leitungsbits kodiert. Eine SATA-1-Verbindung mit einem Leitungstakt von 1,5 GHz überträgt so netto 150 MB/s (1,2 GBit/s).
Selbst die (im Jahr 2016) schnellsten Festplatten (315 MB/s) werden durch aktuelle SATA-Schnittstellen nicht ausgebremst (600 MB/s). Die SATA-Schnittstelle stellt also für Festplattenlaufwerke keinen Von-Neumann-Flaschenhals dar, ganz im Gegensatz zu SSDs, die bei Anbindung per PCI Express mittlerweile mit bis zu 28.000 MB/s fast fünfzigmal schneller als die schnellste SATA-Schnittstelle sind.
Technik Datenbus Während beim ATA-Standard 16 parallele Datenleitungen zum Einsatz kamen, wird bei SATA nur ein Leitungspaar (differenzielle Übertragung) für jede Richtung verwendet. Um bei ATA eine Übertragungsrate von 100 MB/s zu erreichen, war aufgrund der 16 Signalleitungen, der 16-bit-Rahmen und der Double Data Rate nur ein Takt von 25 MHz nötig – das vereinfachte den Entwurf der elektronischen Bauteile, da die maximale Schaltzeit bei 20 ns (50 MHz) lag. Die synchrone Abtastung der 16 parallelen Bits stellte jedoch zunehmend ein Problem dar: Je höher die Taktrate, desto schwieriger ist der Zeitpunkt auszumachen, an dem alle Bits zugleich stabil anliegen. Ungenauigkeiten beim Kontaktieren der parallelen Stecker verstärken diesen Effekt.
Bei SATA wird dagegen pro Richtung nur ein Leitungspaar für den Datentransport und für Bestätigungspakete vom Empfänger verwendet. Dabei kommt eine 8b/10b-Kodierung zum Einsatz, und es wird pro Takt jeweils nur ein Bit übertragen. Dadurch wird bei einer Datenrate von 150 MB/s ein Takt von 1.500 MHz benötigt – die Zeit für den Datenempfang, und die Quittierung beträgt damit gerade einmal 0,667 ns. Die Schaltzeit liegt damit im Bereich von 0,273 ns – also wesentlich niedriger als die 10 ns bei ATA.
Pin Funktion 1 Masse 2 A+ (Senderichtung) 3 A− (Senderichtung) 4 Masse 5 B− (Empfangsrichtung) 6 B+ (Empfangsrichtung) 7 Masse ━━┓ Verdrehsicherung 150px|Innerer Aufbau eines SATA-DatenkabelsInnerer Aufbau eines SATA-Datenkabels Datenleitung Optisch sind die verwendeten Kabel die größte Änderung zu (P)ATA. Die Daten werden mittels eines leichten, flexiblen Kabels durch sieben Leiter mit flachen, 8 mm breiten Steckern auf jeder Seite übertragen. Das Kabel kann bis zu 1 m lang sein, eSATA-Kabel bis zu 2 m und xSATA bis zu 8 m. Im Vergleich zum 50,8 mm breiten, maximal 45 cm langen 40- oder 80-adrigen Übertragungskabel des parallelen ATA vereinfacht sich die Verkabelung von Komplettsystemen, und die Luftzirkulation innerhalb des Gehäuses wird verbessert. Das Konzept von Master/Slave-Beziehungen zwischen den Geräten wie beim ATA-Standard wurde abgeschafft. Serial ATA hat nur ein Gerät pro Kabel, daher sind auch keine Jumper-Einstellungen an den Geräten nötig. Die Stecker sind kodiert, dadurch können die Kabel nicht verkehrt aufgesteckt werden. Ein Kritikpunkt am SATA-Stecker war die fehlende Verriegelung; das wurde mit Erscheinen der zweiten Revision korrigiert. Unabhängig von der Revision können jedoch die gleichen Kabel verwendet werden.
Stromleitung Pin Bezeichnung Funktion 1 unbelegt V33 früher: 3,3 V 2 unbelegt V33 früher: 3,3 V 3 DevSlp V33pc DevSleep, früher: 3,3 V pre-charge 4 GND Masse 5 GND Masse 6 GND Masse 7 V5pc 5 V pre-charge 8 V5 5 V 9 V5 5 V 10 GND Masse 11Staggered Spin-up / Activity LED 12 GND Masse 13 V12pc 12 V pre-charge 14 V12 12 V 15 V12 12 V200px15-poliger SATA-Stromstecker ohne 3,3 V (wäre orange). Pin 1 links
Der Standard sieht für SATA-Festplattenlaufwerke auch für die Spannungsversorgung spezielle Stecker vor. Sie sind ebenfalls flach, aber breiter als das SATA-Datenkabel. Anders als bei ATA-Festplattenlaufwerken, werden für 2,5-Zoll- und 3,5-Zoll-Festplatten die gleichen Stecker verwendet. Auf 15 Pins verteilt werden 3,3 V, 5 V und 12 V auf je drei nebeneinanderliegenden Pins angelegt und über fünf Masse-Pins zurückgeführt. Zugunsten der Kompatibilität mit älteren Netzteilen, die keine 3,3-V-Stränge für den Anschluss von Festplatten bereitstellen, nutzten 3,5-Zoll-SATA-Festplatten zunächst nur 5 V und 12 V. 2,5-Zoll-Platten verzichten üblicherweise auf die Nutzung von 12 V, fast immer auch auf 3,3 V. Nachdem sich die Versorgung mit 3,3 V nicht durchsetzen konnte, wurde sie in der SATA-Spezifikation 3.2 entfernt und einer der nun frei werdenden Pins mit dem Signal „DevSlp“ (device sleep) belegt. Ein dort anliegender High-Pegel weist die Platte an, in einen sehr tiefen Schlafzustand zu gehen, der nur einige Milliwatt verbraucht.Christof Windeck: SSD mit „Devsleep“-Funktion. In: c’t magazin. Heft 15/14, 28. Juni 2014 .
Beim Hot-Plugging ist es erforderlich, Spannungseinbrüche des Netzteils durch eine plötzliche hohe Stromaufnahme des neu angeschlossenen Gerätes zu verhindern. Die Buchse ist so konstruiert, dass zuerst Pin 4 und 12 den Massekontakt herstellen. Anschließend findet zum strombegrenzten Pre-Charge der Elektronik zusammen mit den restlichen Masseleitungen je ein Pin pro Versorgungsspannung (3, 7, 13) als voreilender Kontakt. Erst dann schließen die restlichen Pins, und die Platte geht in Betrieb.
Pin 11 des SATA-Stromsteckers kommt eine Doppelrolle zu: Über ihn kann von der Platte ein „Staggered Spin-up“ gefordert werden (Eingang), und die Platte kann darüber eine LED zur Anzeige von Plattenaktivität ansteuern (Ausgang). Er ist nicht dafür ausgelegt, eine LED direkt zu betreiben. Beim Anschluss an gewöhnliche Netzteile liegt Pin 11 im Stecker an Masse, dann läuft die angeschlossene Platte beim Einschalten des Netzteils an, und eine LED kann nicht angesteuert werden. In Disk-Arrays, welche Backplanes für die SATA-Schnittstellen verwenden, wird Pin 11 nicht oder nur hochohmig beschaltet. Dann läuft eine Platte mit „Staggered-Spin-up“-Feature erst dann an, wenn der Host-Controller es anfordert. Anschließend kann die Platte über denselben Pin und einen Verstärker in der Backplane eine LED ansteuern. Der Anlaufstrom von Festplatten ist erheblich höher als der Betriebsstrom. Indem der zentrale Steuerrechner in dem Disk-Array die einzelnen Platten nacheinander anlaufen lässt, kann der Einschaltstrom begrenzt werden. Das erlaubt eine effizientere Dimensionierung des Netzteils.
Slimline SATA
Slimline SATA wurde mit SATA 2.6 für kleinere Geräte mit geringerem Leistungsbedarf eingeführt, zum Beispiel optische Laufwerke in Notebooks. Die Stromversorgung ist nur sechspolig ausgeführt und liefert ausschließlich 5 Volt.
Versionen des Serial-ATA-Standards Bezeichnungen Netto-Datenrate Offiziell Inoffiziell Gbit/s MB/s SerialATA 1,5 Gbit/s SATA I, SATA-150 1,20 150 3,0 Gbit/s, SATA Revision 2.x SATA II, SATA-300 2,40 300 6,0 Gbit/s, SATA Revision 3.x SATA III, SATA-600 4,80 600 SATAExpress 8 Gbit/s (PCIe 3.x), SATA Revision 3.2 7,88 985 16 Gbit/s (PCIe 4.0), SATA Revision 3.2 15,76 1969
Serial ATA 1,5 Gbit/s Diese Spezifikation wird häufig „SATA I“ genannt, allerdings ist das keine gültige Bezeichnung für die Schnittstelle.
Serial ATA wurde 2002 von den Firmen APT, Dell, IBM, Intel, Seagate und Maxtor entwickelt (Serial ATA International Organization). Der Datendurchsatz von SATA 1,5 Gbit/s liegt bei theoretischen 1,2 Gbit/s pro Richtung. Durch Serial ATA soll die Verbindung zwischen Laufwerken und das Austauschen von Komponenten – unter anderem im laufenden Betrieb – vereinfacht werden.
Serial ATA 3,0 Gbit/s Diese Spezifikation wird meistens „SATA II“ genannt, zum Teil auch „SATA-300“, allerdings sind das keine gültigen Bezeichnungen für die Schnittstelle. Stattdessen empfiehlt die Serial ATA International Organization „SATA Revision 2.x“ oder „SATA 3 Gbit/s“.
SATA 3,0 Gbit/s wurde Anfang 2005 eingeführt. Der Datendurchsatz liegt bei theoretischen 2,4 Gbit/s, also doppelt so hoch wie bei der ersten SATA-Generation.
Optionale Fähigkeiten: Native Command Queuing (NCQ). Mit diesem Standard wird die Verwaltung der Schreib- und Lesevorgänge optimiert und beschleunigt. NCQ muss von Festplatte, Controller und Treiber unterstützt werden. eSATA: External SATA, für externe Laufwerke, maximale Kabellänge zwei Meter Datenrate von 2,4 Gbit/s Hot-Swapping: Austausch des Laufwerks im laufenden Betrieb, ohne dass das System heruntergefahren werden muss Staggered Spinup: Zeitverzögertes Einschalten mehrerer Laufwerke, um zum Beispiel das Netzteil nicht zu überlasten Port Multiplier: Der Port-Multiplier wird mit einem SATA-Port des Rechners verbunden und bietet bis zu 15 Anschlüsse für SATA-Laufwerke. Die Laufwerke teilen sich die verfügbare Übertragungsbandbreite. Wollen zum Beispiel drei Laufwerke gleichzeitig mit 800 Mbit/s je Laufwerk übertragen, können diese eine 3-Gbit/s-Strecke auslasten.