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旧規格のATA（パラレルATA）はデータを複数の信号線に分割して転送するため、クロックスキュー（伝送経路間に起きる信号のずれ）が発生する。分割されたデータを再結合するには全ての経路でデータの到着を待つ必要がある。この待ち時間が転送速度向上の制限となっていた。SATAはこれを解決するため信号を分割せず一つの経路で転送する規格として誕生した。

シリアルATA ワーキンググループが2000年2月に発足。2000年11月にSerial ATA Revision 1.0が発表された。2007年頃（第三世代、後のSerial ATA Revision 3.0）までの大まかな開発予定も示された。なお最初はUltra SATA/1500の名で規格が発表された^[6]。

シリアルATA 2 ワーキンググループ(Serial ATA II Working Group)の発足は2002年2月。「シリアルATA 2」(Serial ATA II) という間違った通称はこの組織名に由来する。本来は組織名であって規格を指す言葉ではなかった^[5]。後にSerial ATA International Organization (SATA-IO) へと改名。

また当初シリアルATA 2とは、NCQという特定の機能や転送速度3 Gb/sを表すという誤解があった^[4]。実際には機能と速度が別々の規格であり特定部分のみを採用した製品も可能である^[4][1.3]。2005年、このような誤解を避けるためこれらを単一規格にまとめたSerial ATA Revision 2.5が発表された^[4]。

• 信号経路のシリアル化
• ホットスワップ^{[注釈 1]}への対応^[4]
• 通信速度の向上。UDMA6の133.3 MB/sから150 MB/sに
• ケーブル長が最大45.7 cmから1 mに延長^[4]。外付け用の規格eSATAでは2 m
• 信号伝送の電圧が5 Vから0.5 Vに低減 (LVDS技術を採用)。消費電力と信号干渉の低減、ケーブル長の延長を実現
• 80芯40ピンコネクターのフラットケーブルを7ピンのケーブルへ簡略化。配線の取り回しやコンピュータ内部のエアフローを改善^[4]
• コネクタ部も変更。これにより両者の互換性は絶たれた (パラレルATAのマザーボードにシリアルATAのデバイスは接続できずその逆も不可)
  • 変換アダプタも販売されているが仕様が大きく異なるため正常に利用出来る保証は無い（特にATAPIデバイス^[7]）
• マスタースレーブ接続の廃止。1本のケーブルに1台のデバイスを接続するようになった
  • 2003年以前のマスタースレーブ前提のOSでは誤動作する可能性もあるがチップセットで吸収できる場合が多い。パラレルATAのエミュレートモードやデバイスドライバで補う
• USB同様にホストコントローラのレジスタインタフェースは規格範囲外になった (ホストコントローラのAHCI規格はシリアルATAと独立)
  • パラレルATAでも明示的な規定はなかったが「タスクファイル」を実際のレジスタと見做す実装がほとんどであった
• リンクレイヤはパラレルATA同等の機能。パラレルATAのレジスタインタフェースをエミュレートするホストコントローラを容易に実装可能
  • インテルのICH（I/O コントローラー・ハブ）が実例
• 電源及び信号コネクタの物理寸法と配置が規格化。デバイスメーカを問わず共通のバックプレーンに直接着脱できる

Advanced Host Controller Interface (AHCI) は、Serial ATA Revision 2.0 と密接な関連があるがホストコントローラーの独立した規格でありシリアルATA規格には含まれない。

AHCI対応のホストコントローラーのなかには、IDE互換のエミュレーションモードを持つものがある^[1.4]。これら動作モードではオペレーティングシステムやデバイスドライバを正しく設定する必要がある^{[注釈 2]}。

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トポロジ

エンコード

物理層では8b/10bエンコードを行うためデータリンク帯域は物理レートの80%となる。（例：SATA 3 Gb/sでの実効転送速度は2.4 Gb/s、300 MB/s）

• 物理転送速度 - 半二重1.5 Gb/s
• 実効転送速度^{[注釈 3]} - 半二重1.2 Gb/s (150 MB/s)
• インターフェイス名 - First generation

Serial ATA Revision 1.0a

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2003年1月7日にリリースされた、パソコンの内蔵ストレージなどを接続するための高速シリアルインターフェース規格の初期バージョン。主な特徴転送速度: 信号速度は1.5 GT/sで、実効転送速度は最大150 MB/secだった。

Serial ATA Revision 1.0aを基に拡張したもの。Serial ATA Revision 1.0a策定後から2004年頃までにとりまとめられた技術的な拡張全体を指す。

• 物理転送速度 - 半二重3 Gb/s
• 実効転送速度 - 半二重2.4 Gb/s (300 MB/s)
• インターフェイス名 - Second generation
• NCQ (Native Command Queuing) やマルチポート等の概念を入れる
• 15ピン電源端子にアクティブLEDやスピンアップ制御機能をオプション扱いで盛り込む
• インタフェース仕様の統一の為、AHCIが規格化された。ATAエミュレートが不要な為性能も向上する。

2008年8月18日付 SATA-IO 発表、2009年5月27日策定完了^[8][9]。米マーベル社からSerial ATA Revision 3.0コントローラチップが出荷されており、マザーボードやインタフェースカードに搭載、販売されている。パソコン向けチップセットにおけるサポート（機能の内蔵）は、AMDが890GXのサウスブリッジのSB850へSerial ATA Revision 3.0コントローラを実装し、インテルはSandy Bridgeに対応するチップセット6x世代から実装した。

• 物理転送速度 - 半二重6 Gb/s (750 MB/s)
• 実効転送速度 - 半二重4.8 Gb/s (600 MB/s)
• インターフェイス名 - Third generation
• 電力管理能力の向上
• アイソクロナス転送（帯域保証）によるNCQ (Native Command Queuing) ストリーミングコマンドの追加（オーディオや動画等の広帯域データ転送向け）
• NCQコマンドのホストコントローラ処理や管理強化によるパフォーマンスの最適化
• 1.8インチドライブ向け小型LIF (Low Insertion Force) コネクタのサポート
• ノートPC用7mmスリム光学ドライブ向けコネクタのサポート
• INCITS ATA8-ACS 規格適合（HDDとSSDの識別が可能となる）
• 低コスト・低消費電力の方向性を継続

Serial ATA Revision 3.1

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Serial ATA Revision 3.2

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• SATA Expressに(2GB/s^[10])対応
• M.2に対応
• SSHDに対応
• Power Disable機能に対応
  • SASと同様のPower Disabl（電源無効化）機能で電源コネクタのピン3を使用する

Serial ATA Revision 3.3

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Serial ATA Revision 3.4

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Serial ATA Revision 3.5^[11]

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Serial ATA Revision 3.5a

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SATA規格は、7本の導線（3つのGNDと4本2対データ線）と両端に8 mm幅のコネクタを持つデータケーブルを定義している。

SATAケーブルの長さは最大1 mで、1つのマザーボードソケットを1つの記憶装置に接続できる。PATAのリボンケーブルでは、1つのマザーボードソケットを1つまたは2つのハードドライブに接続し、40本または80本の導線で長さ45.7 cmに制限されている。このため、SATAケーブルはPATAケーブルに比べて取り付け易く、空冷の障害となりにくい。なお、PATAに比べ偶発的に抜けやすくなるが、これについてはロック機能を持ったケーブルを使用することで回避できる。

• 
  7ピンSATAケーブル（上向きL字型コネクタ）
• 
  3.5インチHDDのSATAのポート。左がデータ用、右が電源。長いピンはGNDもしくはPre-chargeであり、先に接触するようになっている。
• 
  完全にシールドされたSATA3.0ケーブルの断面図

External Serial ATAの略称。Serial ATA Revision 1.0aの拡張規格で、字の綴りから「イーサタ」等とも呼ばれる。外付けドライブ向けに定義されたもの。

• 誤接続を防ぐ為、eSATAのコネクター形状はシリアルATAのコネクター形状とは違うものになっている
• 接続ケーブルの長さは最大2 m
• ホスト（コンピュータ）の電源を入れたまま、接続ケーブルを抜き差し出来るホットスワップ^{[注釈 1]}に対応
• eSATA外部用コネクターとケーブルは規格上、5000回以上の抜き差しに耐えること、となっている（SATA内部用コネクターは、規格上は50回以上となっている）
• eSATA (3 Gb/s) はUSB 2.0接続の5倍以上の速度で通信可能、eSATA (6 Gb/s) はUSB 3.0と同程度
• コネクタ中央の台座部分がUSBコネクタと同じサイズであり、またeSATAもUSBも端子がコネクタの片面にしかついていないことを利用して、片面にUSB用の端子を、もう片面にeSATA用の端子を実装することで、USBケーブルとeSATAケーブルの両方を排他利用して接続できる、コンボコネクタと呼ばれるものも存在し、一部のマザーボードやUSBとeSATAの両方に対応する外付けハードディスクなどで採用されている
  • なお、コネクタの厚みはUSBケーブルの方が厚くなっており、横幅はeSATAケーブルの方が長くなっているため、逆差しをすることはできなくなっている
• eSATA接続ケーブルはシングルシールドの短距離ケーブルか、デュアルシールドの長距離ケーブルのいずれかであり、必ず平衡型のフィーダー線接続でなくてはならない。線を束ねて「ラウンドケーブル」と称するケーブルはeSATAの規格外であり、高速転送時にエラーが多発するなど問題が多い（フィーダー線を丸く加工した物は問題ない）。
• SATA-eSATA変換において、いずれがホストアダプター側となっても良い。例えば、SATA-eSATA変換アダプタ間をeSATAケーブルで結んだ物はそのままSATAケーブルとみなして使用できる。外部エンクロージャーや、ハードディスクを裸で使用する場合に、この様なケーブルトポロジーは便利である。
• 専用のブートROMを搭載したeSATA対応マザーボード又はホストバスアダプタと対応したハードドライブを組み合わせることで、マルチブート環境の構築も簡単に行える。LinuxなどのUNIX系OSのみならず、Windowsのインストールも可能であることに加え、信号変換に伴う転送速度のロスも全く発生せず、AHCIやNCQを含むSATAが持つメリットを最大限に享受することができる。このため、USB 3.0などの後継規格が普及した現在においても、複数のOSを切り替えて使用するユーザーの間では、根強い人気がある。

• 
  周辺機器のeSATAポート
• 
  SATAケーブル端子（左）とeSATAケーブル端子（右）
• 
  eSATAポート拡張ブラケット
• 
  ExpressCard形式のeSATA拡張カード

eSATAp

→「en:eSATAp」も参照

eSATAに5Vと12Vの端子を加えてバスパワー対応にした規格。 eSATAポートの両端に給電用のコネクタを備えており、ケーブルもeSATAp専用品である。 eSATApポートでも通常のeSATAの周辺機器が使用でき、eSATAケーブルも使用できるため下位互換性はあるものの、バスパワーでの使用はパソコン・周辺機器側のポートのeSATApへの対応が必須で、ケーブルもeSATAp専用品が必要であり、eSATApポートを備えたパソコン・インターフェイスカード・周辺機器・eSATAp専用ケーブルは日本では発売されていないため、日本では全く普及していない。

Pre-standard implementations

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2011年8月10日付 SATA-IO 発表。内部インターフェースとしてPCIeを、ソフトウェア基盤としてSATAを用いることでコストを抑え、従来のアプリケーション資産と互換性を保ちつつ、規格上の最大転送速度 8 Gbps (1 GB/s)（X1接続）および16 Gbps (2 GB/s)（X2接続）を実現。新たなデバイス側およびマザーボード側コネクタ規格も制定することで、高速なSATA Express 製品と従来のSATA製品への両対応を可能。2本のSATAケーブルと特殊端子を使用している。

2019年現在、SATA Express を搭載しているマザーボードはほとんどなく、M.2に移行している^[16]。