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Livro utilizado no curso de licenciatura em computação à distância na UFPB

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Arquitetura e Organização de Computadores.

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Arquitetura e Organização de Computadores.

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Introdução

Computadores são constituídos por numerosas tecnologias que atuam em conjunto. Uma delas é a interface SATA ( Serial Advanced Technology Attachment), também conhecida como Serial ATA. Trata-se de um padrão que permite a conexão de HDs, SSDs e outros dispositivos ao computador.

Neste texto, você conhecerá as principais características da tecnologia, as versões SATA I, SATA II e SATA III, os conectores e as diferenças em relação ao padrão Paralell ATA (ou IDE).

Links diretos:

O que é SATA?

SATA é uma interface de comunicação que permite a dispositivos como discos rígidos, SSDs, unidades de DVD / Blu-ray e afins serem conectados à placa-mãe de um desktop, servidor ou notebook seguindo dois princípios básicos: a de que a conexão seja feita de modo fácil e seguro (impedindo que o conector seja encaixado incorretamente, por exemplo) e de que proporcione boa velocidade de transferência de dados.

O padrão surgiu por volta do ano 2000 para substituir a antiga interface , também conhecida como IDE.

Conector SATA

SATA x PATA: as diferenças

Os nomes de ambas as tecnologias já indicam a principal diferença entre elas: o PATA faz transferência de dados de forma paralela, ou seja, transmite vários bits por vez, como se estes estivessem "lado a lado". No SATA, a transmissão ocorre em série, como se os dados estivessem em "fila".

Por causa disso, podemos imaginar que o PATA é mais rápido, não? Não é bem assim. A transmissão paralela de dados (geralmente com 16 bits por vez) causa um problema conhecido como ruído, que consiste em interferências que podem resultar em perda de informação.

Para lidar com o problema, os fabricantes implementaram alguns mecanismos de atenuação de ruído nos HDs PATA. Um deles é um cabo flat (o cabo que liga o HD à placa-mãe) com 80 vias (ou seja, com oitenta fios) no lugar dos cabos com 40 vias que eram usados até então. As vias adicionais atuam como uma espécie de blindagem contra interferências.

No padrão SATA, o ruído praticamente não existe, pois o cabo da tecnologia (a ser visto ainda neste texto) é totalmente diferente: além de compacto, o componente é blindado. Isso traz outra vantagem: o cabo SATA ocupa menos espaço dentro do computador, facilitando a circulação interna de ar.

Outra diferença: a tecnologia SATA trabalha com frequências (clock) maiores em comparação ao PATA. Frequências elevadas resultam em mais dados transmitidos por vez, mas abrem mais espaço para ruídos. Todavia, a transferência serial serve de proteção contra esse problema.

O padrão Paralell ATA tem a sua velocidade de transmissão de dados limitada por causa do ruído. A última especificação dessa tecnologia, conhecida como ATA 133, permite, no máximo, taxa de transferência de 133 MB/s (megabytes por segundo). O Serial ATA, por sua vez, pode alcançar velocidades muito maiores.

Tem mais: HDs baseados em SATA não precisam de jumpers para identificá-los como master (primário) ou slave (secundário). No PATA, um único cabo suporta até dois discos rígidos, razão pela a distinção entre primário e secundário é necessária. O padrão SATA, por sua vez, dedica cada canal de transmissão para um único dispositivo.

Para evitar incompatibilidade com dispositivos Paralell ATA em computadores antigos, pode-se instalar HDs do tipo em interfaces SATA por meio de placas adaptadoras. Além disso, alguns fabricantes chegaram a lançar placas-mãe com ambas as interfaces. Isso ocorreu principalmente durante o período de transição de uma tecnologia para outra.

Outra característica interessante do SATA é a implementação da técnica hot-swap, que torna possível a troca de um dispositivo Serial ATA com o computador ligado. Graças a esse recurso, pode-se, por exemplo, remover um HD compatível sem ser necessário desligar a máquina para isso. Esse recurso é muito útil em servidores que precisam de manutenção ou reparo, mas não podem parar de funcionar.

Vale destacar ainda que, embora sejam raros, é possível encontrar equipamentos do tipo port multiplier que, como tal, permitem a conexão de mais de um dispositivo a uma única porta SATA. Até certo ponto, esses aparelhos lembram hubs USB, mas são inteiramente baseados na tecnologia Serial ATA.

Versões da interface SATA

Assim como tantas outras tecnologias, a interface SATA passou por aperfeiçoamentos com o decorrer do tempo. Novas versões surgiram trazendo, sobretudo, taxas mais elevadas de transferência de dados em relação às anteriores. A seguir, você confere uma breve descrição dessas versões.

SATA I (1,5 Gb/s)

A primeira versão do SATA foi lançada no começo de 2003 e trabalha com taxa máxima de transferência de dados de 150 megabytes por segundo (MB/s). Essa versão é conhecida pelos seguintes nomes: SATA 150, Serial ATA-150, SATA 1.0, SATA 1,5 Gb/s (1,5 gigabits por segundo) ou, como denominação mais aceita, SATA I.

Teoricamente, a primeira versão oficial do SATA pode trabalhar com taxas de transferência de até 1,5 Gb/s, resultando em um alcance máximo de 192 MB/s (megabytes por segundo). No entanto, a interface utiliza um esquema de codificação de nome 8B/10B que limita a velocidade em 1,2 Gb/s, algo em torno de 150 MB.

A codificação 8B/10B tem esse nome porque cada conjunto de 8 bits é tratado em um pacote de 10 bits. Os dois bits adicionais são utilizados para fins de sincronização, tornando a transmissão de dados mais segura e menos complexa.

A frequência do SATA I é de 1,5 GHz.

SATA II (3 Gb/s)

Em 2004, surgia a nova versão da tecnologia, o SATA II ( SATA 3 Gb/s, SATA 2.0, Serial ATA-300 ou SATA 300). A sua principal característica é a velocidade de transmissão de dados de até 300 MB/s, o dobro do SATA I.

Apesar de a codificação 8B/10B ter sido mantida, o ganho substancial de velocidade foi possível, em grande parte, graças à frequência de 3 GHz que o SATA II traz.

Curiosamente, muitos discos rígidos baseados nessa especificação contavam com um jumper que limitava a velocidade do dispositivo em 150 MB/s, medida necessária para fazer esses HDs funcionarem em placas-mãe que suportavam apenas o SATA I.

SATA III (6 Gb/s)

2009 foi o ano de lançamento do conjunto final de especificações da terceira versão da tecnologia Serial ATA, chamada de SATA III ( SATA 6 Gb/s, SATA 3.0, Serial ATA-600 ou SATA 600). Esse padrão permite, teoricamente, taxas de transferência de até 600 MB/s.

O SATA III utiliza uma versão melhorada da tecnologia NCQ (abordada nos próximos tópicos), possui gerenciamento de energia melhorado e é compatível com conectores de 1,8 polegada específicos para dispositivos compactos.

Além disso, o padrão SATA III é especialmente interessante para uso em unidades SSD que, por utilizarem memória do tipo Flash, podem alcançar taxas de transferência muito mais elevadas que as dos discos rígidos.

A especificação SATA III trabalha com frequência de até 6 GHz, também fazendo uso da codificação 8B/10B.

Neste ponto, é válido destacar que, no aspecto da velocidade, dificilmente os números mencionados (150 MB, 300 MB e 600 MB) são alcançados. Essas taxas indicam a capacidade máxima de transmissão de dados entre o HD ou SSD (ou outro dispositivo) e o computador. Na prática, os dispositivos atingem velocidades aproximadas.

SATA 3.1, 3.2, 3.3 e 3.4

Depois que o SATA III foi lançado, a SATA-IO, organização responsável pela padronização e promoção da tecnologia, não lançou nenhuma grande renovação (até a data de atualização deste texto, pelo menos). Apesar disso, o padrão passou por algumas pequenas revisões.

O SATA 3.1 (julho de 2011) vem com suporte melhorado ao mSATA (assunto a ser abordado ainda neste texto) e ao recurso TRIM, por exemplo.

Já o SATA 3.2 (agosto de 2013) estabelece, entre outros recursos, uma interface que combina a tecnologia com o PCI Express e, assim, permite a disponibilização de dispositivos baseados em uma interface chamada SATA Express (outro assunto a ser abordado adiante).

Por sua vez, o SATA 3.3 (fevereiro de 2016) traz entre suas especificações suporte a HDs SMR e à função Power Disable, que permite desligar unidades Serial ATA remotamente.

Finalmente, o SATA 3.4 (julho de 2018) estabelece funcionalidades que permitem monitorar as condições do dispositivo e realizar tarefas de manutenção para mitigar falhas. Esses recursos foram implementados de modo a minimizar ao máximo o impacto sobre o desempenho da unidade.

Note que, para fins práticos, todas essas versões são consideradas SATA III.

Tecnologias relacionadas ao SATA

Os fabricantes adicionam tecnologias a seus produtos para diferenciá-los no mercado ou para atender a determinada demanda. Algumas delas você confere a seguir.

Note, porém, que a existência delas não significa, necessariamente, que todo HD ou SSD é compatível com elas. Por isso, convém conferir as especificações do dispositivo antes da compra para ter certeza dos recursos oferecidos.

NCQ (Native Command Queuing)

o NCQ é tido como obrigatório no SATA II e no SATA III, mas era opcional no padrão SATA I. Trata-se de uma tecnologia que permite ao HD organizar as solicitações de gravação ou leitura de dados em uma ordem que faz as cabeças se movimentarem o mínimo possível, aumentando o desempenho do dispositivo e a sua vida útil.

Entenda o funcionamento do NCQ aqui.

Link Power Management

O Link Power Management permite à unidade de armazenamento consumir menos energia elétrica. Para isso, o dispositivo pode assumir três estados: ativo ( active), parcialmente ativo ( partial) ou inativo ( slumber). Com isso, o HD ou SDD recebe energia de acordo com a sua utilização no momento.

Staggered Spin-Up

Eis um recurso muito útil em sistemas RAID, por exemplo, pois permite ativar ou desativar HDs trabalhando em conjunto sem interferir no funcionamento do grupo de discos. Além disso, a tecnologia Staggered Spin-Up otimiza a distribuição de energia entre os discos.

Hot Plug

Em sua essência, o Hot Plug é uma funcionalidade que permite conectar o HD ou SSD ao computador com o sistema operacional em funcionamento. Trata-se de um recurso muito utilizado em unidades do tipo removível.

Conectores e cabos SATA

Os conectores e cabos da tecnologia SATA oferecem duas grandes vantagens: ocupam menos espaço dentro do computador e possuem encaixe mais fácil e seguro - é praticamente impossível conectar um cabo SATA de maneira invertida. O mesmo vale para o conector de alimentação elétrica.

A imagem a seguir mostra um cabo SATA convencional e seus conectores:

Agora, observe a foto abaixo. Ela mostra um conector SATA em um SSD. Repare no conector maior (preto). Ele responde pela alimentação elétrica. Esse conector é mais fácil de ser manipulado que o encaixe de energia dos antigos discos rígidos PATA:

Eis o conector SATA e de alimentação elétrica (maior) em um SSD:

Por fim, a imagem abaixo mostra slots SATA em uma placa-mãe:

O conector SATA é formado, essencialmente, por sete vias:

1. Ground (terra)

2. A+ (envio de dados)

3. A- (envio de dados)

4. Ground (terra)

5. B+ (recepção de dados)

6. B- (recepção de dados)

7. Ground (terra)

Os canais A e B servem para o tráfego de dados em si. Os canais com símbolo de negativo (A- e B-) são "replicas invertidas" usadas como proteção contra interferências: na recepção dos dados, os sinais + e - são comparados e, a partir das diferenças, é possível identificar "ruídos" na transmissão. Os demais pinos servem para o aterramento.

Perceba que, como há vias para envio e recebimento de dados, a transmissão em uma conexão SATA ocorre nos dois sentidos, ou seja, trata-se de uma tecnologia full-duplex (permite receber e enviar informações ao mesmo tempo).

SATA Express

Como explicado anteriormente, o SATA 3.2 abriu espaço para o SATA Express (também chamado de SATAe), basicamente, uma interface que combina os padrões Serial ATA e PCI Express. O objetivo é um só: aumentar o desempenho da conexão. Ali, a taxa de transferência de dados pode chegar a 16 Gb/s (gigabits por segundo), velocidade que corresponde a quase 2 gigabytes por segundo.

Para tanto, a interface SATA Express combina o uso de protocolos de alto desempenho, tais como Advanced Host Controller Interface (AHCI) e Non Volatile Memory Express ( NVMe). Essencialmente, o primeiro garante compatibilidade com dispositivos baseados em versões anteriores do SATA enquanto o segundo permite o aproveitamento das altas velocidades do PCI Express.

A conexão SATA Express mais comum é formada pela combinação de dois conectores SATA convencionais com um conector de quatro pinos. Na ausência de um dispositivo SATA Express, esses dois conectores podem ser usados para conectar HDs ou SSDs SATA convencionais. O padrão admite pelo menos cinco formatos de conectores, no entanto:

Conectores SATA Express (imagem: Seagate)

O SATA Express surgiu em 2014, mas não chegou a se popularizar. Essa interface acabou perdendo espaço para o formato M.2, que é capaz de trabalhar tanto com SATA quanto com PCI Express.

mSATA

Você também pode encontrar a denominação mSATA ( mini-SATA) em algum lugar. Não se trata, necessariamente, de outra especificação do SATA, mas de um padrão de conexão desenvolvido especialmente para unidades SSD de pequeno porte para serem utilizadas, por exemplo, em notebooks ultraportáteis ou tablet.

Via de regra, um SSD mSATA tem formato de uma placa e segue dimensões semelhantes às de um cartão de crédito. A intenção é amenizar a questão da fragmentação de formatos de conectores, problema que ocorria porque cada fabricante adotava um padrão diferente.

Na figura a seguir, uma unidade SSD mSATA da Intel:

Embora tenha feito mais sucesso do que dispositivos SATA Express, unidades mSATA também perderam espaço para SSDs M.2.

eSATA

Proveniente do termo external SATA, o eSATA é um tipo de porta que permite a conexão de dispositivos externos a uma interface SATA do computador. Essa funcionalidade é particularmente interessante aos usuários que desejam aproveitar a compatibilidade de HDs externos com a tecnologia SATA para obter taxas de transferência de dados mais elevadas.

A foto a seguir mostra uma entrada eSATA:

Muitos fabricantes lançaram placas-mãe e notebooks que contavam com uma porta que funcionava tanto como eSATA quanto como USB, além, é claro, de uma porta que é apenas eSATA. Durante algum tempo, também foi possível encontrar adaptadores para eSATA em slots PCI Express.

O eSATA tem a vantagem de permitir o aproveitamento da velocidade da versão do SATA em uso, por outro lado, não fornece alimentação elétrica, o que significa que somente dispositivos com uma fonte de alimentação externa é que conseguem utilizá-lo.

Uma das soluções encontradas pela indústria para superar essa limitação é o eSATAp, essencialmente, um esquema que utiliza uma porta USB compatível com eSATA em conjunto com dois pinos de energia, frequentemente de 12 V.

No fim das contas, o eSATA perdeu espaço para padrões como USB e Thunderbolt.

Finalizando

Para encerrar, vale destacar que o padrão Serial ATA começou a ser desenvolvido oficialmente no ano de 1997 e surgiu a partir de uma iniciativa da Intel junto a 70 empresas, aproximadamente.

A ideia foi formada a partir da previsão acertada de que tecnologias futuras de armazenamento de dados exigiriam taxas de transferência até então não suportadas.

O SATA se mostrou como uma solução para essa demanda sem, no entanto, ter custos de produção maiores como consequência, sendo esse um dos fatores determinantes para a sua ampla aceitação no mercado.

Mais detalhes no site da SATA-IO.

Veja também:
Publicado em 07_03_2006. Atualizado em 28_09_2020.
Autor: Emerson Alecrim
Graduado em ciência da computação, produz conteúdo sobre tecnologia desde 2001. É especializado em temas como TI, dispositivos móveis, internet e negócios.
Canais para contato (exceto dúvidas técnicas): Twitter * LinkedIn

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O que é SATA? Conheça as versões I, II e III

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Computadores são constituídos por numerosas tecnologias que atuam em conjunto. Uma delas é a interface SATA ( Serial Advanced Technology Attachment), também conhecida como Serial ATA. Trata-se de um padrão que permite a conexão de HDs, SSDs e outros dispositivos ao computador.

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/11/2020
Lógica sobre memória
Um engenheiro brasileiro, atualmente trabalhando na Suíça, liderou uma equipe que desenvolveu um processador de computador que combina duas funções - operações lógicas e armazenamento de dados - em uma única arquitetura.

É um grande avanço para a eletrônica e para a informática, uma vez que a união de computação e armazenamento no mesmo chip - também conhecida como "arquitetura lógica-sobre-memória" - dispensa a troca de dados entre processador e memória, tornando os computadores mais rápidos e com menor consumo de eletricidade.

Essa junção também era longamente esperada por seu potencial impacto no processamento de algoritmos de inteligência artificial.

O avanço histórico foi liderado por Guilherme Migliato Marega, engenheiro eletricista formado pela USP (Universidade de São Paulo), que atualmente trabalha na Escola Politécnica Federal de Lausanne.
Molibdenita
Para quem duvidava que o grafeno estava sendo deixado para trás na corrida rumo a uma era pós-silício, o novo chip é feito de um outro material monocristalino (2D), a molibdenita (MoS ₂).

A molibdenita, um material que consiste em uma única camada com três átomos de espessura, é um excelente semicondutor e já é o componente mais pesquisado no campo da fotônica (processadores que funcionam com luz em vez de eletricidade) e da spintrônica (uma espécie de meio caminho entre a eletrônica e a computação quântica).
Processador e memória juntos
O novo processador lógica-sobre-memória é feito com transistores de efeito de campo (FET) de portas flutuantes (FGFETs).

A vantagem desses transistores é que eles podem reter cargas elétricas por longos períodos - é por isso que eles são usados em memórias flash para câmeras, celulares e computadores.

E as propriedades elétricas exclusivas da molibdenita tornam este semicondutor particularmente sensível a cargas armazenadas em FGFETs, o que permitiu a criação de circuitos que funcionam tanto como células de armazenamento de memória quanto como transistores programáveis.

Ao usar a molibdenita, a equipe conseguiu incorporar várias funções de processamento em um único circuito com memória e alterar ambos conforme desejado.

"Essa capacidade dos circuitos de realizar duas funções é semelhante à forma como o cérebro humano funciona, onde os neurônios estão envolvidos tanto no armazenamento de memórias quanto na realização de cálculos mentais," comparou o professor Andras Kis, coordenador da equipe.

"O projeto do nosso circuito tem várias vantagens: Ele pode reduzir a perda de energia associada à transferência de dados entre unidades de memória e processadores, diminuir a quantidade de tempo necessária para operações de computação e diminuir a quantidade de espaço necessária. Isso abre as portas para dispositivos menores, mais potentes e com maior eficiência energética," acrescentou Kis.

Embora ainda seja um protótipo, a equipe está entusiasmada com a capacidade de levar a nova arquitetura rumo aos aparelhos eletrônicos e computadores vendidos no mercado: " Fizemos nosso primeiro chip há dez anos à mão. Mas, desde então, desenvolvemos um processo de fabricação avançado que nos permite fazer 80 ou mais chips em uma única rodada, com propriedades bem controladas," disse Kis.
Bibliografia:

Artigo: Logic-in-memory based on an atomically thin semiconductor
Autores: Guilherme Migliato Marega, Yanfei Zhao, Ahmet Avsar, Zhenyu Wang, Mukesh Tripathi, Aleksandra Radenovic, Andras Kis
Revista: Nature
Vol.: 587, pages 72-77
DOI: 10.1038/s41586-020-2861-0

Mais tópicos

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Processador revolucionário reúne cálculo e memória no mesmo chip

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/11/2020 Lógica sobre memória Um engenheiro brasileiro, atualmente trabalhando na Suíça, liderou uma equipe que desenvolveu um processador de computador que combina duas funções - operações lógicas e armazenamento de dados - em uma única arquitetura.

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/12/2020
Parametron
Pesquisadores da Universidade Nacional de Yokohama, no Japão, desenvolveram um microprocessador usando componentes supercondutores, que se mostraram cerca de 80 vezes mais eficientes em termos de energia do que os componentes semicondutores de última geração usados nos microprocessadores mais modernos.

Não é nenhum segredo que componentes eletrônicos supercondutores são energeticamente mais eficientes, mas o balanço geral quase nunca é positivo, uma vez que se gasta muita energia para resfriar tudo - os supercondutores só funcionam em temperaturas criogênicas.

Para balancear melhor essa equação, Christopher Ayala e seus colegas trabalharam com uma estrutura eletrônica digital supercondutora chamada "parametron de fluxo quântico adiabático".

O parametron, um elemento de circuito lógico inventado por Eiichi Goto, em 1954, é essencialmente um circuito ressonante com um elemento reativo não-linear que oscila na metade da frequência de acionamento - essa oscilação pode representar um dígito binário pela escolha entre duas fases, deslocadas em 180 graus uma da outra. Os parametrons foram usados nos primeiros computadores japoneses, mas foram abandonados com o desenvolvimento do transístor.

Já um parametron de fluxo quântico é uma implementação do circuito usando junções Josephson, um arranjo no qual uma corrente elétrica flui indefinidamente - uma supercorrente - sem a necessidade da aplicação de uma tensão. O termo adiabático refere-se ao fato de que o circuito não troca calor com seu entorno.
Processador supercondutor
Ayala então usou essas junções Josephson supercondutoras para criar circuitos parametron, que por sua vez serviram como blocos de construção para um microprocessador de alto desempenho e que roda com um gasto mínimo de energia.

"Queríamos provar que o AQFP [parametron de fluxo quântico adiabático] é capaz de realizar computação de alta velocidade com eficiência energética e fizemos isso desenvolvendo e demonstrando com sucesso um microprocessador AQFP protótipo de 4 bits chamado MANA (Arquitetura Integrada Monolítica Adiabática), o primeiro microprocessador supercondutor adiabático do mundo," disse Ayala.

Os testes mostraram que o processador supercondutor é versátil, podendo ser usado em funções de processamento e de armazenamento de dados.

"Também mostramos em um chip separado que a parte de processamento de dados do microprocessador pode operar até uma frequência de clock de 2,5 GHz, o que o torna comparável às tecnologias de computação atuais. Esperamos inclusive um aumento para 5 a 10 GHz à medida que fazemos melhorias em nossa metodologia de projeto e configuração experimental," acrescentou Ayala.
Computações neuromórfica e quântica
E o protótipo também não deixou dúvidas quanto à sua eficiência energética geral, quando se leva em conta a energia necessária para manter o circuito supercondutor resfriado a temperaturas bem perto do zero absoluto.

"O AQFP é um dispositivo eletrônico supercondutor, o que significa que precisamos de energia adicional para resfriar nossos chips da temperatura ambiente até 4,2 Kelvin [-268,95 ºC] para permitir que os AQFPs entrem no estado supercondutor. Mas, mesmo levando em consideração esse adicional de resfriamento, o AQFP ainda é cerca de 80 vezes mais eficiente em termos de energia quando comparado aos dispositivos eletrônicos semicondutores de última geração encontrados em chips de computador de alto desempenho disponíveis atualmente," anunciou Ayala.

Agora que a equipe provou o conceito dessa arquitetura de processador supercondutor, eles planejam otimizar o chip e determinar sua escalabilidade e a velocidade de processamento que pode ser alcançada com ele.

E, além de construir microprocessadores, a equipe está interessada em examinar como os AQFPs podem ajudar em outras plataformas de computação, como na computação neuromórfica para inteligência artificial e na computação quântica.
Bibliografia:

Artigo: MANA: A Monolithic Adiabatic iNtegration Architecture Microprocessor Using 1.4-zJ/op Unshunted Superconductor Josephson Junction Devices
Autores: Christopher L. Ayala, Tomoyuki Tanaka, Ro Saito, Mai Nozoe, Naoki Takeuchi
Revista: IEEE Journal of Solid-State Circuits
DOI: 10.1109/JSSC.2020.3041338

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Primeiro processador supercondutor tem eficiência energética extrema

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Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/12/2020 Parametron Pesquisadores da Universidade Nacional de Yokohama, no Japão, desenvolveram um microprocessador usando componentes supercondutores, que se mostraram cerca de 80 vezes mais eficientes em termos de energia do que os componentes semicondutores de última geração usados nos microprocessadores mais modernos.