IDE, SATA, SCSI et SAS : comprendre les interfaces de stockage

Avant que les SSD NVMe ne communiquent directement en PCI Express, plusieurs générations d’interfaces ont transporté les données entre processeurs, contrôleurs et unités de stockage. IDE/PATA, SATA, SCSI puis SAS représentent plusieurs décennies d’évolution, depuis les nappes parallèles encombrantes jusqu’aux infrastructures série utilisées dans les serveurs.

Ces technologies ne sont pas seulement différentes par leur vitesse. Elles utilisent aussi des topologies, protocoles, connecteurs et philosophies très différentes. Certaines ont été conçues pour un PC familial équipé d’un disque dur et d’un lecteur CD-ROM ; d’autres devaient gérer des dizaines de disques, plusieurs chemins d’accès et des machines fonctionnant en permanence.

Une interface de stockage ne se résume pas à son débit maximal : protocole, nombre de périphériques, files de commandes, disponibilité et topologie comptent tout autant.

IDE / PATA : l’époque des nappes et des cavaliers

IDE, pour Integrated Drive Electronics, désignait à l’origine le principe consistant à intégrer l’électronique de contrôle directement au disque. L’interface associée est ensuite devenue ATA, puis a été rétrospectivement appelée Parallel ATA ou PATA après l’apparition de Serial ATA.

Sur les PC des années 1990 et du début des années 2000, PATA reliait principalement les disques durs et lecteurs optiques à la carte mère au moyen d’une large nappe.

Caractéristique	PATA
Transmission	Parallèle
Périphériques par canal	Jusqu’à 2
Débit maximal courant	ATA/133 : 133 MB/s
Connecteur desktop	40 broches
Nappe rapide	80 conducteurs pour certains modes UDMA
Hot-plug	Non prévu pour l’usage PC classique

Les anciennes configurations utilisaient les rôles historiquement appelés master et slave, également décrits comme Device 0 et Device 1. Des cavaliers placés sur les périphériques permettaient de choisir leur rôle ou d’utiliser le mode Cable Select.

Deux périphériques pouvaient partager le même canal, mais ils partageaient également ses ressources. Entre les réglages de cavaliers, les nappes montées dans le mauvais sens et les différences entre câbles 40 et 80 conducteurs, l’installation d’un deuxième disque pouvait devenir une activité étrangement spirituelle.

40 broches, mais parfois 80 fils

L’un des pièges historiques de PATA concerne les nappes utilisées avec les modes rapides comme UDMA/66, UDMA/100 et UDMA/133. Le connecteur reste à 40 broches, mais le câble comporte 80 conducteurs.

Les fils supplémentaires ne transportent pas de bits supplémentaires : ils sont principalement intercalés avec des masses afin de limiter les interférences entre signaux.

SATA : un périphérique, un lien série

Serial ATA est apparu au début des années 2000 pour remplacer progressivement PATA. Au lieu d’un bus parallèle partagé entre deux appareils, SATA utilise une liaison série point à point entre le contrôleur et chaque périphérique.

Génération courante	Débit de liaison	Débit maximal d’interface approximatif
SATA 1,5 Gb/s	1,5 Gb/s	150 MB/s
SATA 3 Gb/s	3 Gb/s	300 MB/s
SATA 6 Gb/s	6 Gb/s	600 MB/s

Les expressions « SATA I », « SATA II » et « SATA III » restent extrêmement courantes, mais les appellations basées sur le débit sont plus précises.

Un disque SATA utilise normalement un connecteur de données à 7 contacts et un connecteur d’alimentation à 15 contacts. Les câbles sont beaucoup plus fins que les anciennes nappes PATA et chaque périphérique dispose de sa propre liaison.

SATA a également apporté ou popularisé plusieurs fonctions importantes, notamment NCQ pour organiser plusieurs commandes en attente et le hot-plug dans les configurations qui le prennent correctement en charge.

Le SATA 6 Gb/s reste parfaitement suffisant pour les disques durs mécaniques et de nombreux SSD 2,5 pouces. Les SSD SATA rapides plafonnent généralement autour de 500 à 560 MB/s en séquentiel, car ils commencent à approcher la limite de l’interface elle-même.

C’est précisément cette limite qui a favorisé le développement des SSD NVMe sur PCI Express : ce n’était plus la mémoire flash qui attendait l’interface, mais l’interface qui demandait à la mémoire flash de ralentir poliment.

SCSI parallèle : puissant, flexible et légèrement ésotérique

SCSI, pour Small Computer System Interface, ne désigne pas seulement un connecteur de disque. C’est une famille d’architectures et de commandes conçue pour permettre à un initiateur de communiquer avec différents types de périphériques.

Le SCSI parallèle a été particulièrement important dans les serveurs, stations de travail, systèmes Unix, scanners professionnels, lecteurs de bandes et baies de stockage.

Contrairement au PATA domestique, un bus SCSI pouvait héberger de nombreux périphériques. Les versions Wide disposent de 16 identifiants SCSI, l’un étant normalement occupé par le contrôleur. Jusqu’à 15 périphériques peuvent donc être adressés sur un bus adapté.

Version indicative	Largeur / technologie	Débit maximal
Fast SCSI	8 bits	10 MB/s
Fast Wide SCSI	16 bits	20 MB/s
Ultra Wide SCSI	16 bits	40 MB/s
Ultra2 Wide	16 bits / LVD	80 MB/s
Ultra160	16 bits / LVD	160 MB/s
Ultra320	16 bits / LVD	320 MB/s

ID et terminaison

Chaque appareil partageant le bus devait posséder un SCSI ID unique. Une collision d’identifiants pouvait empêcher correctement les périphériques de fonctionner ou produire des comportements particulièrement pédagogiques.

Le bus devait également être correctement terminé à ses deux extrémités physiques. La terminaison évitait notamment les réflexions électriques susceptibles de dégrader les signaux.

Longueur du câble, nombre de périphériques, type de terminaison et technologie SE/LVD devenaient de plus en plus critiques lorsque le débit augmentait. Ultra320 pouvait atteindre 320 MB/s, mais certainement pas avec une chaîne de câbles assemblée selon la méthode « il restait un connecteur libre ».

SAS : SCSI devient série

Serial Attached SCSI conserve l’architecture de commandes SCSI tout en abandonnant le bus parallèle historique pour des liaisons série point à point.

SAS a été conçu dès le départ pour les serveurs et infrastructures de stockage nécessitant performances, redondance et forte capacité d’extension.

Génération	Vitesse nominale par lien
SAS-1	3 Gb/s
SAS-2	6 Gb/s
SAS-3	12 Gb/s
SAS-4 / 24G SAS	22,5 Gbaud sur la couche physique

La génération SAS-4 est couramment désignée commercialement comme 24G SAS, même si le débit de symboles de sa couche physique est de 22,5 Gbaud. Il faut donc éviter de comparer directement les chiffres marketing de différentes interfaces sans examiner leur encodage.

Dual-port et haute disponibilité

Un avantage majeur de nombreux disques SAS est la présence de deux ports indépendants. Le même disque peut être relié à deux chemins ou deux contrôleurs, ce qui facilite les architectures de stockage à haute disponibilité.

Si un contrôleur ou un chemin tombe en panne, l’autre peut éventuellement maintenir l’accès au périphérique. Cette fonctionnalité est particulièrement importante dans les baies partagées.

Les expanders SAS

Contrairement au SATA point à point classique, SAS peut utiliser des expanders permettant de construire de grandes topologies avec de nombreux disques.

Une infrastructure peut donc comprendre :

HBA / contrôleur RAID → expander SAS → backplane → dizaines de disques

Cette architecture explique pourquoi SAS est très adapté aux serveurs possédant de nombreuses baies hot-swap.

SAS et SATA : compatibles, mais dans un seul sens

SAS a été conçu pour faciliter l’intégration de périphériques SATA. Un contrôleur SAS approprié peut utiliser le SATA Tunneling Protocol et accepter des disques SATA.

La situation inverse ne fonctionne pas : un contrôleur purement SATA ne sait pas piloter un disque SAS.

Combinaison	Fonctionne généralement ?
Contrôleur SATA + disque SATA	Oui
Contrôleur SAS + disque SAS	Oui
Contrôleur SAS + disque SATA	Oui, si l’infrastructure le prend en charge
Contrôleur SATA + disque SAS	Non

Cette asymétrie explique pourquoi de nombreux serveurs équipés de backplanes SAS peuvent accueillir soit des HDD SAS, soit des HDD et SSD SATA.

Les contrôleurs professionnels peuvent être de simples HBA exposant directement les disques au système, ou des contrôleurs RAID matériels tels que certaines gammes HPE Smart Array ou Dell PERC.

Pour ZFS, Ceph ou d’autres solutions où le système d’exploitation doit contrôler directement chaque disque, un HBA en mode approprié est souvent préférable à une couche RAID matérielle supplémentaire.

IDE, SATA, SCSI et SAS face à face

Interface	Topologie	Débit maximal typique de la dernière génération	Périphériques	Usage historique ou actuel
PATA	Bus partagé	133 MB/s	2 par canal	Anciens PC et lecteurs optiques
SATA	Point à point	6 Gb/s	1 par liaison	HDD, SSD SATA, stockage courant
SCSI parallèle	Bus partagé	320 MB/s	Jusqu’à 15 appareils plus l’initiateur sur Wide SCSI	Anciens serveurs et stations
SAS	Point à point avec expanders	24G SAS pour SAS-4	Très nombreuses cibles possibles	Serveurs et baies de stockage

Il serait cependant trompeur de présenter SAS comme le sommet définitif de cette évolution. Dans les serveurs modernes, les SSD très performants utilisent massivement NVMe sur PCI Express, notamment parce que NVMe a été conçu spécifiquement pour les mémoires non volatiles rapides et permet un parallélisme bien supérieur aux anciens protocoles destinés aux disques mécaniques.

SAS reste néanmoins très pertinent pour les grandes capacités de disques durs, les infrastructures existantes, les backplanes, la haute disponibilité et de nombreuses baies de stockage professionnelles.

Identifier les interfaces sous Linux

Linux permet de voir rapidement comment les périphériques sont présentés au système :

lsblk -o NAME,MODEL,TRAN,SIZE,TYPE

La colonne TRAN peut notamment indiquer sata, sas, nvme ou usb lorsque l’information est disponible.

Pour les contrôleurs PCI :

lspci | grep -Ei 'sata|sas|scsi|raid|storage'

Et pour un périphérique SATA compatible avec les outils ATA :

sudo smartctl -i /dev/sda

Sur un serveur équipé d’un contrôleur RAID matériel, le système d’exploitation peut toutefois ne voir que les volumes logiques présentés par le contrôleur. Pour connaître précisément les disques physiques, il faut alors utiliser les outils du constructeur ou exposer les périphériques via un HBA adapté.

Conclusion : du câble plat au stockage série

PATA représentait une époque où deux périphériques partageaient une nappe parallèle et où le cavalier mal placé pouvait ruiner une installation. SATA a remplacé cette organisation par des connexions série individuelles, plus simples et mieux adaptées au PC moderne.

Le SCSI parallèle poursuivait un autre objectif : offrir un bus riche capable de gérer plusieurs périphériques et des fonctions adaptées aux systèmes professionnels. SAS a repris cette philosophie en l’adaptant aux liaisons série, avec expanders, dual-port et topologies capables de gérer de grandes baies de stockage.

Le paysage actuel est désormais partagé entre plusieurs technologies : SATA pour les périphériques économiques et les HDD, SAS pour de nombreuses infrastructures professionnelles, et NVMe pour les SSD nécessitant de très hauts débits et une faible latence.

Chaque génération a donc résolu les problèmes de la précédente tout en créant de nouveaux connecteurs à conserver précieusement dans une boîte « au cas où ».

Cette boîte sera évidemment retrouvée quinze ans après que le dernier périphérique compatible aura été recyclé.