Hmb ssd что это такое

Обновлено: 03.07.2024

Любая современная материнская плата имеет слоты M2 для подключения новейших PCI Express устройств. Когда-то мы считали, что твердотельные SSD диски - это лучший способ ускорить работу компьютера, а сегодня им на смену приходит новое поколение накопителей стандарта NVMe, использующих высокоскоростную шину PCI Express для передачи данных. Теперь мы измеряем скорость накопителя в гигабайтах в секунду, и какие-то там 150-200 Мб/с (предел скорости для современных жёстких дисков) можем вообще не учитывать, принимая за погрешность измерений.

Каждый уважающий себя производитель памяти и SSD дисков уже вышел на рынок со своими NVMe накопителеми, благодаря чему цены на NVMe накопители настолько снизились, что обычные SATA SSD пакуют чемоданы для отправления на свалку истории. Сегодня мы рассмотрим основные моменты, на которые нужно обращать внимание при покупке NVME накопителя, тем более, что с каждым днём они становятся более доступны. Поможет нам в этом модель MTE110S от компании Transcend. Этот накопитель использует чипы 3D NAND TLC, HBM-контроллер, использующий память ОЗУ компьютера в качестве буфера и двухстороннюю компоновку, благодаря чему длина модуля составляет всего 80 мм (формат 2280).

1. Убедимся, что материнская плата поддерживает NVMe накопители

Если у вас на материнской плате компьютера имеется слот M.2, это ещё не значит, что вам подойдут NVMe карточки. Слот M.2 может использоваться для с интерфейсом SATA или просто для PCI Express плат расширения, таких как модули Wi-Fi. Поэтому первое правило перед апгрейдом старого компьютера - не полениться почитать инструкцию и найти там информацию о поддержке NVMe накопителей формата M.2. Наша тестовая материнка Asrock Taichi 470 Ultimate поддерживает всё на свете и имеет два слота M.2, один из которых управляется непосредственно процессором, а второй - чипсетом. В оба слота можно установить M.2 накопители.

Так же стоит убедиться, что новый диск физически влезет на плату: обычно производители указывают длину карточки, например 30, 42, 60 или 80 мм. Если же размеры не указаны, то должен быть указан формат: 2230, 2242, 2280, 22110, где 30, 42, 80 и 110 - и есть длина карточки.

Не удивляйтесь, что в комплекте к карточке не будет винтика для фиксации её на материнской плате - у разных производителей ноутбуков, материнок и моноблоков разная резьба, поэтому крепеж поставляется вместе с компьютером или материнкой. По этой причине про комплект поставки Transcend MTE110S можно не говорить: современные NVME платы поставляются в маленьких коробочках, внутри которых - миниатюрная плата, в нашем случае размерами 80x22x3.58 мм и весом всего 8 грамм, меньше чем у DIMM-модулей, но при этом - целых 512 ГБ под ваши самые требовательные игры и программы.

Некоторые M.2 накопители имеют расположение чипов с одной стороны, но наша 512-гигабайтная карточка Transcend MTE110S имеет 2-сторонний дизайн, а вы наверняка уже наслышаны о том, что накопители подобного типа очень сильно греются при работе. Источник тепла - контроллер, маленький чип, который легко может нагреваться до 90 градусов Цельсия. В нашем тестовом Transcend MTE110S используется контроллер Silicon Motion SM2263XT. Он интересен тем, что использует для кэширования ОЗУ компьютера (технология HMB), что позволяет удешевлять SSD накопитель, не устанавливая на него DRAM-чипы. Данная технология автоматически включается в операционных системах Windows 10 Fall Creator's Update (версия 1709 и более поздняя).

2. Имейте в виду - NVMe платы сильно греются

Компания Transcend разместила гарантийную наклейку именно на лицевой стороне модуля, как раз с той стороны, где на современных материнских платах устанавливаются радиаторы на NVMe модули. Наклейка закрывает контроллер и несколько чипов памяти, ухудшая охлаждение устройства. В характеристиках MTE110S сказано, что накопитель имеет расширенный троттлинг для предотвращения перегрева, и это легко проверить на нашей тестовой материнской плате ASRock X470 Taichi, имеющей два слота M2: один с радиатором, другой - без.

Как видите, наклейка не мешает полноценному охлаждению карточки, и если кто-то на форумах пишет, что нужно сдирать стикеры для лучшего охлаждения - это как минимум преувеличение, даже небольшого радиатора достаточно для того, чтобы обезопаситься от троттлинга. А реально ли вообще встретить срабатывание теплозащиты, ведь вряд ли обычный пользователь будет разом записывать на диск сотню гигабайт данных, да ещё и постоянно? Мы ответим на этот вопрос чуть дальше, а пока что вспомним, что новый, только что распакованный накопитель в тестах покажет чудеса скорости, а уже через неделю начнёт работать медленнее. Чтобы избавиться от этого эффекта "нового накопителя", нам нужно полностью заполнить Transcend MTE110S данными, стереть с него все файлы и только после этого мы получим более-менее реальные цифры. Поехали.

Бюджетный диск даёт чуть меньше 1700 Мб/с на чтение и 1383 Мб/с на запись - при цене, сопоставимой с SATA SSD, это буквально подарок энтузиастам. Все мы любим красивые тесты CrystalDisk Mark, которые на деле имеют мало общего с реальностью, но нам они пригодятся.

3. Их можно подключать в любой слот M.2 NVME

Многие современные материнские платы имеют несколько слотов M2. В нашей тестовой ASRock Taichi X470 Ultimate один слот обслуживался непосредственно процессором, а второй - южным мостом. Соответственно, верхний слот поддерживает соединение PCI Express 3.0 x4, а нижний - PCI Express 2.0 x4. Производительность Transcend MTE110S находится в пределах возможностей шины PCI Express 2.0, так что теоретически, при подключении к южному мосту, этот накопитель должен работать на той же скорости. Проверим?

Если не брать в расчет погрешность и случайный доступ в 8 потоков, то фактически максимальная скорость та же самая, что подтверждает сказанное выше: Transcend MTE110S одинаково работает что в слоте южного моста, что в слоте северного.

Современные контроллеры, применяемые в NVMe накопителях, используют кэширование не только в ОЗУ, но и в NAND-чипах самого накопителя. Часть TLC-ячеек памяти диска при записи используется в режиме SLC, что позволяет создавать огромный буфер с быстрой записью. В частности, в MTE110S под SLC-кэш выделено до 150 Гб, то есть почти треть накопителя, что очень хорошо видно по графику записи HD Tune 5.7.

То есть, практически всегда, когда вы пишете на накопитель, вы пишете в SLC-область, и мало кто станет закидывать на накопитель сразу 200-300 Гб.

4. Обязательно включите оптимизацию

Чтобы скорость всегда была высокой, убедитесь, что в Windows включена оптимизация накопителя по расписанию: нажмите правой кнопкой на иконке SSD-диска -> Свойства -> Сервис -> Оптимизация.

Как правило, еженедельного или даже ежемесячного запуска достаточно, чтобы держать скорость накопителя близко к паспортным данным. Если же не проводить оптимизацию, то скорость записи может быть вот такой:

На диаграмме сверху - наш Transcend MTE110S после нескольких циклов полной записи и удаления данных, без оптимизации. Как говорится, комментарии излишни, и кстати, в духе компании Microsoft, которая часто "забывает" включить ту или иную опцию, оптимизация SSD по умолчанию может быть отключена в Windows 10.

Почти все производители SSD предлагают свой фирменный софт для дисков. У Transcend программа SSD Scope автоматически включает функцию оптимизации диска "TRIM" и следит за обновлениями прошивки. Но самое полезное - это функция клонирования диска для лёгкой миграции на NVMe накопитель.

5. Не бойтесь троттлинга

Возвращаясь к теме нагрева, используя тест последовательной записи, мы можем проверить, перегреется ли Transcend MTE110S без радиатора?

Результаты HD Tune 5.70 сильно отличаются от тех, что показывает CrystalDisk Benchmark, и здесь мы видим максимальную скорость записи на уровне 800 Мб/с, но обратите внимание на температуру: при полной перезаписи накопителя она достигает 71 градуса Цельсия, но троттлинга не видно. Так что, в принципе, если у вас старая или дешёвая материнка без кулера для SSD, то возможно он вам и не понадобится: при записи 512 Гб, температура диска выросла до 71 градуса, а обычно в тестах без радиатора не поднималась выше 61 градуса Цельсия. При какой температуре начинается снижение скорости, выяснить не удалось.

6. Сжатие NTFS улучшает скорость

На таких скоростях, да ещё и с современными процессорами, имеет смысл активно использовать сжатие файловой системы в Windows. Нажмите правой кнопкой на иконке нужного диска в проводнике Windows -> Свойства и поставьте галочку "сжимать диск для экономии места".

Скорость чтения и записи на сжатую папку теперь зависит не столько от самого накопителя, сколько от вашего процессора. Но овчинка выделки стоит, и например 4-5 современных игр сжимаются на 20-30%, в некоторых случаях повышается скорость чтения и записи, т.к. количество блоков данных, проходящих через флэш-память, снижается, а общий объём остаётся тем же. Опять же, меньший объём записи на диск приведет к меньшему износу SSD.

7. Показатель ресурса: TBW - ещё не приговор

Компания Transcend честно указывает ресурс записи, который способен выдержать накопитель MTE110S: для 512-гигабайтной версии он составляет 270 Тб или 135 Тб по JEDEC стандарту. Вроде бы, 275 Тб - это много, если не пытаться угробить диск специально, а 135 Тб - это уже как-то ближе к возможностям, тем более с такими скоростями. Почему по JEDEC стандарту параметр в два раза ниже? Дело в том, что по стандарту JEDEC, значение TBW означает не тот лимит перезаписи, при котором накопитель сдохнет, а то количество перезаписей, при котором вероятность появления бэд-блоков на SSD приблизится к вероятности появления бэд-блоков на HDD в тех же условиях. Ниже на диаграмме вы видите, что вероятность появления невосстанавливаемых ошибок на HDD линейно зависит от выработки ресурса, а на SSD - зависимость экспоненциальная.

Если например, взять по 10 HDD и по 10 SSD объемом 70 Гб, и записать на каждый накопитель по 70 Тб, мы совершим 1000 перезаписей для каждого устройства. Потом надо проверить, не появились ли на каждом из 20 накопителей бэд-блоки. Если появились, посчитать вероятность для каждого диска, и если у SSD и HDD она одинаковая, то ресурс SSD принимаем за 70 TBW. Причем обратите внимание на цифры по оси Y - максимум - 0.05 бэд-блока на каждый накопитель, то есть если взять не 10, а 100 SSD дисков и на каждый записать по 70 Тб, то суммарно на всех них придётся всего лишь 5 бэд-блоков.

Это говорит нам о том, что о ресурсе можно не беспокоиться: как и в любой другой технике, NVMe либо сдохнет, либо нет, поэтому важнее параметра TBW гарантия и наличие сервисных центров.

8. Производительность сильно зависит от заполненности диска

Скорость SSD дисков сильно зависит от объёма свободного пространства: вы уже видели, что SLC-кэширование работает лишь на трети накопителя, и именно в той области мы имеем максимальную скорость записи. Конечно, контроллер будет стараться всегда держать её свободной, но с уменьшением свободного пространства, снизится и скорость накопителя. Синтетические тесты в таких случаях не имеют смысла, и давайте посмотрим на производительность реальных задач, которую мы сэмулируем нашими паттернами тестового пакета IoMeter. Мы будем делать два измерения: для 30% и 80% заполненности, без сжатия NTFS, при нагрузке в 1 поток, характерной для домашнего использования.

Освободи Себя NVMe 1.2 Спецификация представила новую функцию под названием Буфер памяти хоста или HMB (не путать с графической памятью HBM) с обещанием значительно повысить производительность твердотельных накопителей PCIe NVMe. В этой статье мы объясним, что это такое, как оно работает и как ему удается улучшить производительность твердотельных накопителей, обладающих такой способностью.

Большинство современных твердотельных накопителей включают встроенная память DRAM чип, как правило, с 1 ГБ DRAM соотношение за каждый 1 ТБ хранилища . Это Оперативная память обычно предназначен для отслеживания того, где физически расположен каждый логический блок информации, хранящейся в памяти NAND - информации, которая изменяется в каждом цикле записи, и к нему обращаются каждый раз, когда выполняется операция чтения.

Стандартное соотношение DRAM к NAND, которое мы обсуждали, обеспечивает достаточно RAM для SSD контроллер, чтобы использовать очень гибкую таблицу быстрого поиска, а не использовать более сложные структуры данных, которые были бы значительно медленнее. Это резко сокращает объем работы, контроллер SSD должен делать, чтобы выполнять операции ввода и вывода, и является ключом к последовательной производительности.

Твердотельные накопители без DRAM могут быть довольно дешевыми и даже меньшими по размеру, но, поскольку они могут хранить только таблицы индексов данных во внутренней флэш-памяти, их производительность сильно снижается. В худшем случае задержка чтения может быть удвоена, поскольку для каждой операции чтения потребуется одна операция, чтобы узнать, где находятся физические данные, а другая - для чтения самих данных.

Что такое буфер памяти хоста?

Как мы уже говорили в начале, спецификация NVMe 1.2 представила эту новую возможность, называемую буфером памяти хоста или HMB. Эта функция использует возможности DMA интерфейса PCI-Express, чтобы позволить SSD использовать часть памяти DRAM из системы. ЦП вместо того, чтобы требовать, чтобы SSD поставлялся с собственной DRAM.

Другими словами, твердотельный накопитель использует небольшую часть оперативной памяти системы для выполнения этих операций, и поскольку он не предназначен для «замены» внутренней DRAM твердотельных накопителей, а для ее дополнения, он фактически не удалит много оперативной памяти из системы. , просто величины порядка десятков (менее 100 МБ), более чем достаточно для того, что вам нужно.

Правда, что доступ к DRAM через PCIe намного медленнее, чем доступ к микросхеме DRAM, которая находится в самом устройстве, но даже в этом случае производительность значительно улучшается при чтении информации из флэш-памяти SSD.

Как HMB влияет на производительность?

Как мы объясняли ранее, лучшим вариантом для повышения производительности является то, что SSD имеет собственную DRAM, так как доступ будет намного быстрее. Второй вариант - через Буфер Памяти Хоста, который работает через PCIe к системному ОЗУ, и худшим вариантом будет отсутствие всего этого и использование собственной флэш-памяти SSD кэш-памяти.

Эффекты кэша HMB можно ясно увидеть, измерив производительность произвольного чтения SSD при одновременном увеличении рабочей нагрузки (объем данных, к которым активно обращаются одновременно).

Хорошо видно, что до тех пор, пока рабочая нагрузка не достигнет 24 ГБ, производительность SSD остается очень, очень стабильной и только начинает падать с этой цифры. Однако при отключенном HMB производительность постепенно снижается и растет.

Твердотельные накопители (SSD) - отличный способ повысить производительность любого ПК, но, к сожалению, не все они одинаковы, даже если говорить о поколении или его интерфейсе. Одно из самых больших различий, которое мы можем найти между всеми разными SSD единиц на рынке, если у них есть встроенная DRAM , элемент, который может остаться незамеченным во время покупки, но существенно влияет на их производительность. В этой статье мы расскажем вам о различиях между SSD с DRAM или без DRAM , и, конечно, когда было бы целесообразно купить тот или иной.

Независимо от того, какой форм-фактор вы рассматриваете (2.5 дюйма или M.2) или какое поколение или тип интерфейса он имеет (SATA, PCIe), все твердотельные накопители могут иметь или не иметь DRAM. Сам факт наличия этого элемента может значительно увеличить цену устройства, поэтому стоит знать, собираетесь ли вы его использовать или это будет замечено с точки зрения производительности, о чем мы расскажем. вам все ниже. .

Что такое DRAM в SSD и для чего он используется?

Как мы уже говорили ранее, независимо от типа SSD, который вы планируете купить, он может иметь или не иметь встроенную память DRAM (в последнем случае они по праву считаются без DRAM (что просто означает «без DRAM»)). Важно, чтобы при выборе следующего твердотельного накопителя вы сказали себе в этом разделе, поскольку на самом деле не все производители явно указывают его и предполагают, что, если они не укажут, что у них есть DRAM или кеш, пользователь поймет, что они без DRAM .

SSD хранят данные в ячейках памяти, известных как NAND Flash; В течение срока службы SSD данные проходят через эти ячейки автоматически, чтобы гарантировать, что ни одна ячейка памяти не будет потрачена впустую из-за повторяющихся операций чтения / записи, и в результате SSD должен хранить своего рода карту того, где данные находятся внутри диска.

Это необходимо для того, чтобы при запуске программы, игры или когда вы хотите открыть файл, контроллер SSD точно знал, где его найти, чтобы его можно было быстро открыть. И, как вы уже могли предположить, эта «карта» находится в памяти DRAM накопителя. Очевидно, что этот тип памяти имеет динамический произвольный доступ и ведет себя такой же, как у ПК Оперативная память Память но для специального и исключительного использования для контроллера, поэтому его использование увеличивает стоимость производства устройства.

Преимущества и недостатки встроенной памяти DRAM

Твердотельные накопители с микросхемой DRAM обеспечивают лучшую производительность, чем твердотельные накопители без нее. Это связано с тем, что DRAM намного быстрее, чем флэш-память NAND, и вместо того, чтобы заставлять ПК искать соответствующие данные на SSD, ему просто нужно будет запросить DRAM, чтобы найти их. В результате ПК не придется долго ждать, пока SSD получит необходимые данные, что значительно ускорит взаимодействие с пользователем для конечного пользователя.

Твердотельные накопители без DRAM хранят карту данных непосредственно во флэш-памяти NAND устройства, и, как мы упоминали ранее, это намного медленнее, чем DRAM, что приводит к более низкой производительности или, точнее, большей задержке при доступе к данным. Кроме того, хранение данных карты непосредственно во флэш-памяти NAND приводит к повышенному износу ячеек памяти накопителя, что снижает их долговечность. Как правило, это причина того, что твердотельные устройства без DRAM имеют более короткий гарантийный срок.

Однако тот факт, что устройства без DRAM имеют некоторые недостатки по сравнению с теми, у которых есть эти микросхемы, не означает, что вы должны автоматически отказываться от них. Во-первых, твердотельные накопители без DRAM почти всегда дешевле, поскольку их стоимость производства значительно ниже, а во-вторых, в то время как твердотельные накопители без DRAM имеют более высокое время доступа, чем те, которые имеют (так что в целом их производительность ниже), эти устройства по-прежнему довольно быстрые, особенно по сравнению с традиционным механическим жестким диском.

Поэтому, если вы собираетесь перейти с механического жесткого диска на твердотельный и у вас небольшой бюджет, вы все равно можете выбрать SSD без DRAM, потому что у вас будет хороший прирост производительности и вы сэкономите много денег на покупка. , поскольку, как мы объяснили, они намного дешевле в производстве и, следовательно, их продажная цена также ниже.

Какой тип SSD купить в зависимости от использования

Учитывая тот факт, что твердотельные накопители с DRAM имеют лучшую производительность и более длительный срок службы, определенно стоит обратить внимание при покупке следующего твердотельного накопителя и убедиться, что у него есть кеш DRAM. Тем не менее, вы не должны исключать и твердотельные устройства без DRAM, если вы знаете об ограничениях, присущих им, которые мы обсуждали ранее.

Твердотельные накопители без DRAM менее дороги, а это означает, что они могут быть очень недорогим способом вдохнуть новую жизнь в старую машину или иметь большую емкость для компьютеров, для использования которых требуется не высокая производительность, а большая емкость.

Другими словами, если вам нужен максимально быстрый и долговечный SSD, то нет сомнений в том, что вам следует искать тот, который имеет интегрированную DRAM, но если использование, которое вы собираетесь использовать дайте устройству Он легкий, больше для массового хранения, чем для запуска игр или приложений, поэтому вы можете сэкономить много денег, купив твердотельный накопитель без DRAM, поскольку вы можете найти диски большей емкости по более низкой цене, и они все равно будут иметь довольно приличная производительность даже в этом случае.

Без DRAM SSD Модули представляют собой тип твердотельных накопителей, которые, как следует из названия, не имеют встроенной памяти DRAM и поэтому намного дешевле обычных твердотельных накопителей. Но как же отсутствие Оперативная память влияет на такой SSD и почему? В этой статье мы объясняем, как осуществляется доступ к данным на SSD, как отсутствие DRAM влияет на некоторые SSD и каково будущее этого типа периферийных устройств.

SSD-накопитель на данный момент намного дороже жесткого диска с точки зрения стоимости хранения, к этому мы должны добавить периоды, когда оперативная память дорожает или страдает от нехватки. В те времена SSD-диски без DRAM являются самыми дешевыми, если мы сравним их емкость хранения по цене с другими SSD. Но верны ли они с точки зрения производительности?

Контроллер Flash на SSD дисках

Чтобы понять существование Flash Controller, мы должны понять, каким образом CPU / ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР взаимодействует с периферийными устройствами на ПК, это то, что мы называем вводом-выводом с отображением памяти, который переводится в ввод-вывод посредством отображения памяти. Этот метод заключается в присвоении каждому периферийному устройству ряда адресов памяти. Таким образом, когда ЦП делает запрос к указанному адресу памяти, он взаимодействует с этим адресом памяти.

Преимущество, которое это имеет для связи с остальной системной памятью, состоит в том, что это позволяет им видеть остальную память как универсальный колодец ОЗУ. Это даже позволяет ЦП обмениваться данными с памятью различных периферийных устройств, как если бы она была частью его собственной памяти.

Это связано с тем, что ЦП использует виртуальную адресную систему, которая в процессе преобразуется в физические адреса. Мы не собираемся вдаваться в эту статью о доступе к ОЗУ, но мы должны принять во внимание, что каждая память в системе имеет собственную физическую адресацию, поэтому для доступа к указанной памяти необходим модуль, отвечающий за перевод. адреса, в случае RAM - это контроллер памяти, который в настоящее время интегрирован в CPU.

В случае SSD или твердотельных дисков есть флэш-контроллер, его задача такая же, как у контроллера памяти RAM, но вместо того, чтобы делать это с RAM, он делает это с флэш-памятью, найденной в SSD. . В отличие от контроллера памяти, сегодня он не интегрирован в ЦП.

Почему у большинства SSD есть память DRAM?

При доступе к любому типу памяти необходима карта памяти, которая представляет собой структуру данных, которая сообщает процессору, как организована память. В ЦП с поддержкой виртуальной памяти это относится к таблицам страниц, в которых хранится соответствие между виртуальной адресацией, которую ЦП использует для связи с памятью, и физической и реальной адресацией памяти.

Таблицы страниц обычно хранятся в ОЗУ и используются не самим ЦП, а одним из его модулей, MMU, который находится внутри контроллера памяти и является модулем, отвечающим за управление памятью ОЗУ. Ранее мы отмечали, что работа контроллера флэш-памяти такая же, как и у контроллера памяти RAM, но для флэш-памяти.

Проблема? Процесс перемещения адреса требует очень быстрой памяти, поэтому его невозможно выполнить в NAND Flash, поскольку задержка доступа будет достаточно высокой, чтобы полностью устранить все преимущества SSD. Вот почему у большинства твердотельных накопителей есть объем ОЗУ, который служит для сохранения таблицы передачи адресов и для максимально быстрого доступа к данным, необходимым ЦП.

Почему производительность SSD без DRAM ниже?

Да и они называются DRAMLess, их особенности? Они намного дешевле обычных твердотельных накопителей из-за того, что в них нет встроенной памяти DRAM. Недостаток памяти DRAM вынуждает флэш-контроллер в SSD DRAMLess искать вторую самую быструю доступную память, что, хотя на расстоянии кажется контрпродуктивным, - это RAM системы вместо NAND Flash, которая находится в собственный SSD.

Это означает, что в SSD без DRAM для доступа к таблице адресов вам нужно будет сделать запрос в качестве периферийного устройства к IOMMU, и он попадет в системную RAM. Причина, по которой он не доходит до ближайшей флэш-памяти NAND, заключается в том, что такой уровень активности в конечном итоге приведет к более быстрому износу SSD, сокращая срок его службы.

Конечно, бывают случаи, когда флэш-контроллер использует для доступа не оперативную память системы, а саму флэш-память NAND. Какие последствия это имеет? Намного более быстрый износ циклов чтения и записи микросхем NVMe SSD, что приведет к сокращению срока службы SSD.

Будущее SSD без DRAM

Одна из вещей, к которой стремятся в будущем благодаря внедрению таких технологий, как CXL, которая будет интегрирована с PCI Express 5.0, - это тот факт, что периферийные устройства могут напрямую обращаться к пространству оперативной памяти без прохождения через IOMMU. диска, это будет означать, что твердотельные накопители без DRAM будут работать быстрее.

Эта возможность означает, что контроллер памяти, интегрированный в процессоры, выполняет функции контроллера флэш-памяти, обеспечивая прямой доступ к микросхемам памяти NVMe. К этому следует добавить наличие модулей DIMM, которые не имеют микросхем памяти RAM, а имеют энергонезависимую память. Собираемся ли мы расширять хранилище наших компьютеров будущего с помощью модулей DIMM? Кто знает, технология есть.

Другая возможность - это использование встроенной памяти, особенно с использованием конфигураций 3DIC для размещения DRAM, используемого в качестве кеша, поверх контроллера памяти. DRAM все равно будет, но не на отдельном чипе, а встроен в контроллер памяти через вертикальное соединение. Из-за близости этой памяти было бы быстрее

Мы увидим обе концепции в будущем, хотя во втором случае мы увидим их больше в процессорах без встроенного в них флэш-контроллера.

В прошлом году SSD впервые в истории обогнали HDD по объёму продаж. В отличие от винчестеров, здесь сумасшедший технический прогресс. За несколько лет рынок меняется кардинально: интерфейс NVMe вместо SATA, память SLC→MLC→TLC→QLC…

Замена системного диска с HDD на SSD — иногда самый мощный апгрейд, который можно сделать с компьютером. Главный прирост в отклике системы и софта даёт скорость случайного доступа, которая даже у самых дешёвых SSD на пару порядков быстрее, чем у HDD. А современные SSD практически не уступают по скорости оперативной памяти. Основная проблема — живучесть. При интенсивной эксплуатации они слишком быстро выходят из строя.

Давайте посмотрим, что произошло на рынке потребительских SSD за последние десять лет. И как выбор конкретных технологий влияет на производительность.

SSD в целом становятся всё более сложными, поэтому объективная оценка их производительности — не простое занятие. Из-за этого у производителей появляется всё больше способов, как ввести в заблуждение потребителей и спрятать реальную производительность за некой единой «священной» метрикой.

В январе 2021 года издание AnandTech провело тестирование девяти современных моделей SSD на 1 ТБ. Описание этого эксперимента показывает — никакой единой метрики не существует.

Intel X25-M

Много воды утекло с тех пор. Сейчас мы видим десятки терабайтных моделей по гораздо меньшей цене. Но основные принципы работы твёрдотельных накопителей не изменились. И главные проблемы флэш-памяти NAND по-прежнему актуальны:

невозможность напрямую вносить изменения в записанные блоки данных во флэш-памяти, запись новой информации производится в пустые ячейки;
несоответствие между размерами страниц NAND и размерами блоков стирания;
снижение производительности при заполнении накопителя.

Вернуть изначальную производительность старых SSD можно было только с помощью утилиты HDD ERASE, источник

Всё это по-прежнему актуально. Современные твёрдотельные накопители намного больше, быстрее и дешевле, но их контроллеры и прошивки не решили названные проблемы до конца. У современных SSD появились и некоторые дополнительные проблемы, которые ещё больше усложняют механизмы их работы и затрудняют объективное тестирование.

Примерно в 2014 году появились накопители с памятью TLC NAND и поддержкой прямого интерфейса NVMe. К настоящему времени обе эти технологии практически захватили рынок: память MLC практически исчезла, а NVMe — дефолтный интерфейс для новых моделей. Более высокая производительность PCIe/NVMe по сравнению с SATA даёт ошеломляющую разницу в бенчмарках, но с точки зрения дизайна бенчмарков на самом деле важнее был переход на TLC. Это связано с тем, что потребительские твёрдотельные накопители TLC в значительной степени зависят от кэширования SLC.

В накопителе чем больше битов мы записываем в ячейку, тем она сложнее (и медленнее). Современные диски записывают 3 бита на ячейку (TLC) или 4 бита (QLC). Оба варианта медленнее для записи, чем запись 1 бита на ячейку (SLC). Поэтому в SSD часть ячеек обрабатывается в «режиме SLC», это позволяет увеличить поток входных данных.

Недостатком является то, что данные из SLC NAND потом надо переписать в блоки, которые работают как MLC/TLC/QLC. Этот процесс часто называют фолдингом, он обычно автоматически выполняется во время простоя накопителя, где задержка не важна. Таким образом освобождается место в кэше SLC для дальнейшего использования.

Кэширование SLC создаёт два уровня производительности — один внутри кэша, и один снаружи. Большинство пользователей никогда не видят производительности «снаружи кэша». Реальные потребительские рабочие нагрузки почти никогда не пишут десятки или сотни ГБ непрерывно, особенно на высоких скоростях (быстрее, чем гигабитный Ethernet) — даже запись несжатого видео 4k60 немного меньше 1,5 Гбит/с, в то время как высококачественные NVMe теперь предлагают пиковую скорость записи выше 4 Гбита/с. Но на самом деле включение более реального варианта использования с адекватными перерывами для диска, чтобы освободить кэш SLC во время простоя, делает результаты тестирования более релевантными для многих пользователей.

Размеры кэша SLC также зачастую зависят от объёма свободного места на диске. Например, при заполнении SSD на 75% может остаться только 10% от обычного размера кэша SLC. Тесты, которые работают с почти пустым диском, могут преувеличить преимущества кэширования SLC по сравнению с тем, что испытывают пользователи, когда они фактически используют большую часть рекламируемой ёмкости своего накопителя.

Изменение размера кэша SLC в зависимости от объёма свободного места в Intel SSD 665p

Накопители QLC ещё больше усложнили ситуацию, поскольку они пытаются держать кэш максимально заполненным для ускорения доступа к данным.

Накопители NVMe (и некоторые SATA) также чувствительным к температуре. Накопители M.2, потребляющие более 5 Вт на пике, могут сильно нагреваться, поэтому сейчас многие из них поставляются в комплекте с радиаторами.

Кроме интерфейса (SATA, PCIe 3.0, PCIe 4.0) и выбора флэш-памяти TLC или QLC NAND, есть ещё несколько важных технологических различий между SSD высокого класса и начального уровня. Например, метод хранения метаданных Flash Translation Layer (FTL) — информации, какое физическое местоположение соответствует каждому логическому адресу (Logical Block Address, LBA).

В течение нескольких лет большинство SSD использовали большую простую таблицу поиска. Несложно посчитать, что для диска 1 ТБ с секторами по 4 КБ требуется таблица отображения FTL почти на 1 ГБ. Это увеличивает стоимость устройства, а производители SSD пытаются снизить свои расходы. Поэтому интерфейс DRAM исчез практически со всех контроллеров начального уровня — и им приходится как-то управлять гигабитной таблицей FTL, не имея возможности загрузить её в память целиком.

У контроллеров обычно есть встроенный кэш небольшого размера, который исчисляется в мегабайтах. Другой вариант — заимствовать часть оперативной памяти процессора через функцию буфера памяти хоста (HMB). Такая возможность есть в интерфейсе NVMe.

Но в любом случае, отсутствие полноценного буфера DRAM сказывается на производительности всех SSD: во-первых, случайные чтения требуют дополнительной операции чтения для извлечения данных из таблицы до того, как запрошенные данные могут быть прочитаны. Во-вторых, накопителям труднее выравнивать нагрузку и управлять сбором мусора, поэтому у них обычно падает производительность при больших нагрузках на запись и почти полном заполнении.

Аппаратная начинка и архитектура диска непосредственно влияет на его производительность. Для иллюстрации AnandTech приводит бенчмарки девяти современных SSD ёмкостью 1 ТБ из различных сегментов рынка, то есть разных классов.

Серия тестов AnandTech Storage Bench (ATSB) состоит из трёх циклов: Light, Heavy и Destroyer. В первом режиме замеряется скорость выполнения набора «лёгких» задач, соответствующих относительно лёгкому использованию настольного компьютеров: браузер, текстовый редактор и прочее. В режиме Heavy очередь задач возрастает на порядок, в режиме Destroyer — ещё на порядок. Циклы Light и Heavy прогоняются сначала на полностью пустом диске, а потом на частично заполненном.

На странице с результатами показаны средняя скорость передачи данных, средняя задержка, задержки записи и чтения, а также эти показатели для 99-го перцентиля, и энергопотребление каждого накопителя.

Нужно заметить, что обычный юзер 99% времени использует SSD в лёгком режиме. Интенсивный режим включается только изредка, например, во время инсталляции игр или резервного копирования.

Серый график — показатель нового пустого SSD, чёрный — частично заполненного.

Как обсуждалось ранее, размер кэша MLC начинает серьёзно уменьшаться после заполнения диска на 50%. Это и отражается на результатах.

Средняя скорость передачи данных в режиме лёгкого использования (МБ/с)

Средняя задержка в режиме лёгкого использования

Следующие тесты на среднюю скорость случайного чтения и среднюю скорость последовательной записи также запускались дважды: 1) на абсолютно пустом диске с операциями только в диапазоне первых 32 ГБ пространства; 2) при 80% заполнении без ограничения на операции. Разница между серым и чёрными столбцами отражает влияние кэширования SLC, контроллеров без буфера DRAM или с уменьшенным объёмом буфера.

Средняя скорость случайного чтения (МБ/с)

Средняя скорость последовательной записи (МБ/с)

Скорость передачи данных и средняя задержка — основные показатели для типичного варианта использования SSD. Но есть и другой класс тестов — синтетические. Они не столько отражают производительность привода в реальных задачах, сколько показывают разницу во внутренней архитектуре устройства, выпукло демонстрируя отличия в этой архитектуре. Поэтому разница между показателями может быть кардинальной.

Например, последовательное заполнение привода ставит целью оценить размер кэша SLC. Этот тест выходит далеко за пределы любой реальной рабочей нагрузки, а результаты сильно отличаются для разных приводов.

Последовательное заполнение привода: средняя скорость (МБ/с)

Управление питанием SSD жизненно важно для любой системы на аккумуляторах. Система управления питания поддерживает несколько режимов, в том числе простой режим неактивности (SATA ALPM, NVMe APST и PCIe ASPM), который больше подходит для настольных компьютеров и в таблицах обозначен как 'Desktop Idle', и режим глубокого сна, в котором задействуются все энергосберегающие функции, включая DevSleep ('Laptop Idle').

Потребление энергии в неактивном режиме (милливатт)

Даже без активации этих функций накопители потребляют в неактивном режиме очень мало: от 194 до 1152 мВт.

Скорость пробуждения (микросекунд)

Накопители SSD очень сильно продвинулись за последние 10 лет. В частности, у них кардинально снизилось энергопотребление. В режиме ожидания оно гораздо меньше 1 ватта, а судя по логам, SSD обычно проводит в режиме ожидания 99% времени.

Технический прогресс в этой области действительно потрясающий, а некоторые производители считают, что накопители NVMe можно использовать вместо DRAM в неких специфических задачах. Так делает Intel с модулями Optane. В то же время средняя задержка чтения в PCI 4.0 сильно упала, поэтому обычный пользователь может и не заметить разницы PCI 4.0 по сравнению с Optane.

На правах рекламы

Наши эпичные серверы используют only NVMe сетевое хранилище с тройной репликацией данных. Вы можете использовать сервер для любых задач — разработки, размещения сайтов, использования под VPN и даже получить удалённую машину на Windows! Идей может быть много и любую из них поможем воплотить в реальность!

Читайте также: