SSD на платформе Sandforce: мощный удар по конкурентам

За прошедшие с момента появления первых SSD Intel два года свои контроллеры и продукты на их основе представили еще несколько компаний, и со временем прочно закрепились на рынке. Казалось бы, ниша SSD слишком мала, чтобы вместить еще одного, никому не известного игрока, однако Sandforce – непростой новичок.

G.Skill FM-25S2S-40GBP2
G.Skill FM-25S2S-80GBP2
G.Skill FM-25S2S-60GBP2

Высочайшая производительность, инновационный алгоритм записи

Резкое падение скорости при записи крупных несжимаемых файлов

Отличные SSD на новой платформе для высокопроизводительных ПК

SSD на платформе Sandforce

Несмотря на большое число присутствующих на рынке брендов и моделей твердотельных дисков, принципиальные различия между ними сводятся к двум факторам: контроллеру, на котором основано устройство, и использованным чипам памяти NAND-флэш, их скорости и объему. До недавнего времени выбор платформ для SSD был представлен пятью возможными чипами, производимыми Intel, Indilinx, Toshiba, Samsung и JMicron. Наиболее производительным является контроллер Intel, несмотря то что выпущен он был еще в 2008 г. и с тех пор подвергался лишь минимальной модернизации. Прямым конкурентом для него считается Indilinx Barefoot, продукт Samsung является основой для SSD среднего класса, а JMicron можно обнаружить в бюджетных моделях, не блещущих производительностью. Более новый контроллер Toshiba был разработан, как ни удивительно, именно в сотрудничестве с JMicron, и ориентирован на соперничество с платформой Samsung в среднем классе. Также особняком стоит платформа Marvell, которая на данный момент представлена лишь одной линейкой продукции – Crucial RealSSD C300, поддерживающими SATA 6 Gbit/s.

Весной 2010 г. появилась первая информация о готовящемся конкуренте контроллерам Intel от малоизвестной компании Sandforce, не занимающейся ни флэш-памятью, ни собственно готовыми SSD. Платформа Sandforce SF-1000 работает по принципиально иному принципу, нежели существовавшие ранее контроллеры, и заслуживает серьезного исследования, которое мы проведем на основе первых попавших в Тестовую лаборатории продуктов на ее основе – G.SKILL Phoenix Pro.

Особенностью организации записи на NAND-флэш является принцип ее адресации: если для обычных жестких дисков логический адрес LBA, к которому обращается ОС, совпадает с физическим кластером, то в SSD он является виртуальным и соответствует странице в 4 КБ, которая, в свою очередь, содержится в минимальной записываемой единице NAND – блоке, емкость которого может доходить до 512 КБ. Это приводит к явлению write amplification («усиления» записи) – коэффициенту между количеством записанных в память полезных данных и реально записанными. Если SSD новый, коэффициент будет близок к 100%, однако постепенное его заполнение будет приводить к тому, что для записи нескольких страниц контроллеру придется считать весь блок, добавить в него новые страницы и записать его полностью заново. В худших случаях write amplification может достигать 2000%, лучший же показатель в 110% до недавнего времени заявлялся Intel. Sandforce использует инновационную технологию записи DuraWrite, позволяющую снизить коэффициент до 50% (!), что означает, что физически в ячейки записывается меньше бит, нежели передается ОС. Достигается это двумя путями: анализом сохраняемых данных на файловом уровне и проставлением в служебной таблице контроллера ссылок на уже имеющиеся в памяти файлы вместо записи дубликатов, а также побитовым анализом поступающих данных и потоковой компрессией их в случае наличия повторяющихся битов (наподобие обычного архиватора). Естественно, далеко не все данные, с которыми работает пользователь, дублируются, однако во многом практически любой файл, кроме уже сжатых форматов (фото, аудио-видео, архивы и т.п.) поддается уменьшению. Как следствие, даже продукты начального уровня на контроллерах Sandforce в режимах последовательного чтения и записи с хорошо поддающимися сжатию данными достигают скоростей 260-280 МБ/с – фактического порога SATA II. Со случайным набором данных, конечно, производительность падает (их приходится записывать полностью), однако сугубо случайный доступ – ситуация крайне специфическая и встречается нечасто. Устранение дубликатов файлов проходит путем их хэширования и последующего сохранения хэшей в недоступной пользователю запасной зоне NAND. Из нее же любой SSD «на лету» выделяет блоки для механизмов фоновой очистки частично заполненных блоков (garbage collection) и равномерного распределения записи по всем доступным блокам (wear leveling), потому устройства на Sandforce требуют большего размера запасной зоны, нежели традиционные SSD. Этим объясняется их нетипичная емкость: 60 ГБ вместо 64, 100 или 120 вместо 128 и т.д. При дальнейшей записи хэш каждого файла сравнивается с уже имеющимися, и при совпадении он просто не записывается в NAND. Sandforce приводит реальный пример эффективности алгоритмов DuraWrite: установка Windows 7 и Office 2007 генерирует 25 ГБ отправляемых на запись данных, однако SSD на самом деле сохраняет лишь 11 ГБ.

Семейство Sandforce представлено двумя моделями контроллеров – SF-1200 и SF-1500, первый ориентирован на пользовательский рынок, второй – на корпоративный. Аппаратных различий между ними нет, дополнительная функциональность SSD на базе SF-1500 реализуется прошивкой. К ней относятся поддержка чипов SLC, возможность задания пользователем ключа шифрования данных, повышенная наработка на отказ и надежность в случае отключения питания (в SSD на SF-1500 устанавливается емкий конденсатор, обеспечивающий безусловное сохранение находящихся в кэше контроллера данных). Интересно, что для работы контроллеру не требуется DRAM-буфер – он оснащен встроенным кэшем, а менее критичные ко времени доступа служебные данные хранятся непосредственно во флэш-памяти. Уменьшенные объемы записи позволили разработчикам продуктов на Sandforce использовать более медленную и менее надежную память, чем у конкурентов на Intel и Indilinx, т.к. алгоритмы сжатия нивелируют падение производительности, а поддержка контроллером ECC и CRC с возможностью восстановления целого блока NAND заботится о сохранности данных.

SSD на платформе Sandforce мощный удар по конкурентам
SSD на платформе Sandforce мощный удар по конкурентам
SSD на платформе Sandforce мощный удар по конкурентам
SSD на платформе Sandforce мощный удар по конкурентам
SSD на платформе Sandforce мощный удар по конкурентам
SSD на платформе Sandforce мощный удар по конкурентам
SSD на платформе Sandforce мощный удар по конкурентам
SSD на платформе Sandforce мощный удар по конкурентам

Продукты на основе SF-1200 могут различаться между собой не только используемыми чипами NAND, что влияет на их производительность, но и объемом запасной зоны: у некоторых моделей она составляет до 28% (их можно узнать по емкости 100 и 200 ГБ), у некоторых – 7% (менее отличающиеся от привычных моделей устройства на 40, 60, 80, 120 ГБ и т.п.) Также интересен нюанс с прошивками: некоторые SSD используют версии без ограничения производительности, у других же продуктов на том же SF-1200 быстродействие при записи случайных блоков данных размером 4 КБ серьезно снижено программно (это сделано для более значительной дифференциации между разными классами SSD на младшей модели контроллера и корпоративными с SF-1500). Для определения, какая прошивка использована в конкретном накопителе, нужно сверяться с заявляемыми производителем характеристиками: если он отдельно указывает возможность обработки 50 000 IOPS в режиме случайной записи блоками по 4 КБ – перед вами модель без ограничения.

Протестированные нами G.Skill Phoenix Pro емкостью 40, 60 и 80 ГБ характеризуются уменьшенной емкостью запасной зоны и использованием прошивки 3.1.0 для контроллера Sandforce SF-1200 со снятым ограничением производительности. Продукты позиционируются как сверхскоростные системные накопители, комплектуются крепежной рамкой в корзину для 3,5” HDD и предлагаются за $160, 202 и 285 соответственно. Заявлены типичные для Sandforce показатели скоростей линейного чтения/записи 275/285 МБ/с, латентность 0,2 мс и те самые 50 000 IOPS случайной 4-килобайтовой записи. Гарантируется наработка на отказ 2 млн. часов. Все устройства используют 34-нанометровые чипы памяти MLC производства Intel/Micron и различаются лишь их количеством: шесть, восемь и двенадцать. Этим обусловлено количество каналов доступа к NAND – три, четыре и шесть, соответственно, что заметно сказывается на быстродействии.

Производительность, демонстрируемая этими SSD в синтетических тестах, действительно поразительна: IOMeter, использующий для нагрузки повторяющийся шаблон данных, показывает крайне высокие результаты линейных скоростей всех трех моделей – около 270 МБ/с и для чтения, и для записи. Также очень высока производительность в шаблонах Workstation и Webserver, абсолютно недостижимая другим SSD, в том числе и модели Kingston на контроллере Intel. С другой стороны, худший из возможных вариантов – полностью случайный набор данных, не поддающийся сжатию алгоритмами DuraWrite , – выявляет «ахиллесову пяту» SSD на базе Sandforce SF-1200 — использование не самых быстрых чипов MLC и дополнительные расходы вычислительных ресурсов контроллера на попытки компрессии и вычисление хэшей снижают скорости до 150-200 МБ/с при чтении и вплоть вплоть до неприемлемых в обычных условиях 43-48 МБ/с при записи. Единственная модель из трех, где падение скорости записи не так радикально — G.Skill FM-25S2S-80GBP2, что наталкивает на возможное объяснение этому явлению – недостаточный объем свободной области, требуемой контроллеру для работы DuraWrite (у моделей на 40 и 60 ГБ ее всего 8 и 4 ГБ, соответственно, тогда как у 80-гигабайтовой – 16 ГБ). Впрочем, ситуации, когда на системный носитель (которым и должен быть SSD) в потоковом режиме записывается абсолютно произвольный набор битов – редкость, и в реальности этот обнаруженный эффект проявляться будет нечасто.

В то же время тестовые пакеты, имитирующие работу в реальных приложениях – PCMark Vantage и Intel NAS Performance Toolkit – демонстрируют, что Sandforce DuraWrite отлично справляются с работой под комбинированной нагрузкой последовательными и случайными запросами. Превосходство над SSD начального уровня с контроллером Intel – более чем трехкратное во всех тестах, включающих в себя смешанный доступ на чтение и запись. Отметим, что в данном случае противостояние не совсем равное: с точки зрения быстродействия конкурентом Sandforce могут быть только Intel X25-M G2 и топовые SSD на Indilinx Barefoot, однако тот же младший G.Skill FM-25S2S-40GBP2 лишь на $25 дороже конкурента, в то время как реальные соперники будут стоить от $250. Пожалуй, на данный момент единственным SSD, способным противостоять новинкам, является Crucial RealSSD C300: модель емкостью 64 ГБ близка по цене к младшему G.Skill и также очень быстра.

Отметим, что набор тестов HDD в составе PCMark Vantage достаточно точно имитирует нагрузку, создаваемую при работе с типичными для настольного ПК утилитами – антивирусным сканером, медиакодировщиками, интернет-браузерами и т.д. В этом случае часть тестов генерируют потоковую нагрузку, плохо поддающуюся сжатию DuraWrite (мультимедиа-тесты, работа с фотографиями), однако Sandforce все равно отлично справляется с нагрузкой. В случае Intel NASPT же мы имеем дело с полностью случайным набором битов, используемом при прохождении тестовой утилитой предзаписанных «трасс» с четко указанными размерами файлов и очередностью обращений к ним. Единственный тестовый профиль, в котором G.Skill Phoenix Pro действительно разгромил Intel X25-V, как мы того ожидали – это Content Creation, где, очевидно, работает механизм поиска дубликатов файлов: утилита имитирует активную работу в одном и том же наборе приложений, которые генерируют идентичные временные файлы и обращаются к SSD постоянно одинаковым образом.

Выводы

Тестирование даже младших моделей SSD на базе нового контроллера Sandforce SF-1200 показывает, что перед нами – новый фаворит. Эта платформа благодаря оригинальному программному решению вопроса преумножения записи позволяет достичь производительности, ранее доступной только RAID-массивам из пары SSD. Конечно, бывают у технологии DuraWrite и «осечки», однако сам характер работы в современных ОС с несколькими приложениями одновременно дает ей возможность раскрывать потенциал контроллера в подавляющем большинстве случаев. В целом можно абсолютно уверенно говорить, что любой SSD на платформе Sandforce будет более удачным выбором, чем подавляющее большинство накопителей на основе других контроллеров, присутствующих на рынке. Однако как долго продлится эта свежеустановленная гегемония – неясно: в ближайшее время новые платформы планируют представить и Intel, и Indilinx.

Что касается G.Skill Phoenix Pro, то эти продукты показали себя с прекрасной стороны: отличная производительность, укомплектованность креплением для десктопных корпусов и приемлемая стоимость делает их хорошим выбором для ПК энтузиастов и рабочих станций. Из трех прошедших тестирование моделей самой удачной, пожалуй, стоит назвать G.Skill FM-25S2S-60GBP2: превосходство в 10-15% над далеко не медленной базовой модификацией емкостью 40 ГБ вполне стоит доплаты в $40.

Технические характеристики

Емкость 40/60/80 ГБ

Тип ячеек MLC

Интерфейс SATA II

Заявленная производительность чтения/записи 285/275 МБ/с

Наработка на отказ 2 млн часов

Цена $160/$202/$285

Продукт предоставлен «1-Инком»