Твердотельное настоящее: тест накопителей SSD

Ассортимент твердотельных дисков, находящихся в продаже, исчисляется сотнями моделей, и зачастую их характеристики настолько схожи, что определить превосходство того или иного устройства по ним практически невозможно. Мало отличается и цена – второй верный показатель качества и возможностей устройства. В то же время даже среди, казалось бы, одинаковых SSD, основанных на одном и том же контроллере и оснащенных одинаковым объемом флеш-памяти, есть экземпляры, отличающиеся от конкурентов довольно сильно.

От чего зависит скорость SSD?

Подавляющее большинство SSD среднего и высокого класса, представленных на рынке, построены на базе контроллеров Sandforce второго поколения. Мы уже неоднократно рассматривали их особенности и принцип работы, потому останавливаться дополнительно не станем. Пока отметим лишь, что контроллер – еще не главный фактор, определяющий быстродействие накопителя.

Вторая платформа, конкурирующая с Sandforce в этом сегменте – Marvell 88SS9174, лежащая в основе накопителей Crucial M4 и Intel 510. SSD этих двух производителей, впрочем, нельзя назвать «братьями-близнецами» – несмотря на одинаковые контроллеры, они заметно отличаются за счет разных прошивок и применения разной NAND-памяти.

Наконец, третий игрок – это принадлежащий компании OCZ разработчик контроллеров Indilinx, на платформе Everest которого основано третье поколение SSD серии Octane этого производителя. К сожалению, в нашем тестировании они не представлены, т.к. доступность их на рынке довольно ограничена.

Наиболее интересен в рамках нашего обзора вопрос о том, чем же отличаются накопители на базе Sandforce SF-2281 между собой, потому рассмотрим возможные варианты.

На производительность SSD, кроме контроллера и его прошивки, оказывают влияние также тип памяти, использованной в них, и характер ее подключения к платформе. На сегодняшний день в накопителях на базе Sandforce встречается память типа Toggle (наиболее быстрая и дорогая, встречается в OCZ Vertex 3 Max IOPS, Kingston HyperX SSD и некоторых других топовых моделях), асинхронная NAND стандарта ONFI 1.x (практически все массовые модели), а также та самая «темная лошадка» – синхронная память стандарта ONFI 2.2. Ее особенность в том, что ONFI 2.2 позволяет обеспечить передачу данных дважды за один такт, подобно технологии DDR в оперативной памяти, в результате теоретическая пропускная способность одного кристалла NAND составляет не 50 МБ/с, а 133 МБ/с. Правда, если в DRAM удвоение пропускной способности происходит всегда, то в случае с NAND имеются факторы, когда прирост будет непостоянным (занятость канала контроллера или чипа служебными операциями, например). Тем не менее, в большинстве случаев подобные чипы памяти обеспечивают заметную прибавку в производительности, в особенности на операциях записи. Что интересно, по заявленным производителями характеристикам определить, какие же чипы установлены на конкретном SSD, практически невозможно – они составляются по результатам синтетических тестов с максимально сжимаемыми данными, где всю работу фактически делает контроллер и не дает раскрыться потенциалу синхронной памяти.

Наконец, последний важный фактор, влияющий на быстродействие SSD – подключение чипов NAND к контроллеру. Sandforce SF-2281 имеет 8 каналов, к каждому из которых можно подключить до 4 кристаллов NAND (уточним, что кристалл и чип NAND – это разные вещи, в чипах высокой плотности может быть два или четыре кристалла). Контроллер способен, во-первых, обращаться ко всем восьми каналам как одновременно, так и отдельно, а во-вторых, может работать с каждым из подключенных кристаллов на отдельном канале индивидуально. На практике эта функциональность наиболее ярко проявляется в виде так называемого 4-way interleaving – четырехкратного чередования доступа. Если задействованы все 8 каналов, и на каждом из них по 4 кристалла NAND, Sandforce SF-2281 значительно эффективнее работает с ними за счет выборочного обращения к отдельным кристаллам. К примеру, SSD достаточно сильно заполнен и долго используется, а значит, вынужден довольно много времени уделять фоновой очистке ячеек, балансировке их износа. Если на канале контроллера будет только один кристалл, и в момент обращения к нему за данными он окажется занят служебными операциями – канал попросту заблокируется, и контроллер будет ждать завершения этих операций. В результате производительность SSD заметно снизится – именно это является одной из основных причин значительного падения быстродействия накопителей на Sandforce после значительного заполнения и долгой эксплуатации. В то же время, если контроллер способен чередовать доступ к кристаллам в пределах канала, он не будет ждать освобождения занятого кристалла, а попросту обратится к свободному, не теряя производительности. Подчеркнем, что 4-way interleaving не делает SF-2281 из 8-канального 32-канальным (ко всем кристаллам одновременно все равно обратиться не получится), а лишь обеспечивает постоянную доступность всех восьми каналов для записи.

Отметим, что четырехкратное чередование лучше всего проявляет себя в моделях SSD емкостью от 240 ГБ – они оснащаются 16 чипами NAND, в каждом из которых по 2 кристалла – в итоге получается та самая оптимальная конфигурация из 32 кристаллов на контроллер. В модели емкостью 120 ГБ устанавливаются однокристальные чипы, и на каждый канал SF-2281 приходится только 2 кристалла, что не дает чередованию работать с максимальной эффективностью.

Участники тестирования

ADATA SSD S511 120 ГБ (AS511S3-120GM)

Первый же участник данного тестирования сочетает в себе отборные компоненты: контроллер SF-2281 и высокоскоростную синхронную память ONFI 2.2. К сожалению, производитель предоставил нам только модель емкостью 120 ГБ, потому проиллюстрировать разницу в скорости, обеспечиваемую 4-way interleaving при прочих равных условиях, нам не удастся. Впрочем, это не слишком снижает привлекательность накопителя ADATA – кроме использования мощного контроллера и скоростной флеш-памяти, он может похвастаться довольно привлекательной ценой.

Intel SSD 320 300 ГБ (SSDSA2BW300G3)

Этот твердотельный накопитель – последователь фактического родоначальника всех SSD для рынка настольных ПК и относится к начальному сегменту. В его основе лежит доминировавший в былые годы (до появления даже первого поколения Sandforce) контроллер Intel, на котором ранее базировались накопители Intel X25-M G2. Судя по заявленным характеристикам (скорость чтения – 270 МБ/c, записи – 205 МБ/c), Intel 320 не сможет потягаться с конкурентами на базе Sandforce. Впрочем, его позиционирование на компьютеры с интерфейсом SATA-II и высокая емкость, безусловно, имеют свою привлекательность для определенной категории потребителей. Intel 320 оснащается 25-нанометровой асинхронной памятью NAND ONFI 1.1.

Intel SSD 520 240 ГБ (SSDSC2CW240A3)

В отличие от младшего брата, Intel 520 разработан без компромиссов: он базируется на Sandforce SF-2281 и синхронной памяти ONFI 2.2. Отметим также, что Intel серьезно озаботилась надежностью и стабильностью этой серии: она была выпущена в продажу значительно позже, чем ожидалось, поскольку Sandforce потребовалось неожиданно много времени на устранение ошибок прошивки, вызывавших BSOD. В Intel 520 не используется фирменная технология Sandforce RAISE (Redundant Array of Independent Silicon Elements), позволяющая выделить один кристалл NAND для целей исправления ошибок чтения данных по принципу, аналогичному RAID для жестких дисков. Вместо этого Intel выделила этот кристалл в качестве дополнительного пространства (емкостью 8 ГБ) для выравнивания износа ячеек и фоновой «чистки мусора». Это должно, в частности, снизить эффект от засорения SSD по мере его использования и уменьшить падение производительности.

Для мониторинга и обслуживания своих твердотельных накопителей компания Intel предлагает специальную утилиту SSD Toolbox. Она позволяет проверить состояние SSD посредством SMART, провести быстрое либо полное сканирование накопителя, оптимизировать ОС для работы с SSD (настроить службы SuperFetch и Prefetch, отключить дефрагментацию и т.п.).

Кроме того SSD Toolbox имеет две очень востребованные среди пользователей твердотельных накопителей функции: под именем SSD Optimizer скрывается принудительная отправка накопителю команды TRIM, инициирующей очистку уже неиспользуемых, но занятых данными ячеек, а также доступна команда Secure Erase, обеспечивающая полное стирание SSD и возвращение его к исходной производительности.

Также SSD Toolbox позволяет следить за обновлениями прошивок для накопителей и, в случае появления свежих версий, загружать и устанавливать их.

Kingston HyperX SSD 240 ГБ (SH100S3/240G)

Суперкар среди твердотельных накопителей. Эта модель сочетает в себе не только мощный контроллер Sandforce SF-2281 и синхронную 25-нанометровую память NAND, но и сверхпроизводительную прошивку, обеспечивающую до 95000 IOPS в режиме случайного чтения блоками по 4 КБ (для сравнения, конкуренты чаще всего заявляют около 80000 IOPS). Как и Intel 520, этот SSD сможет сполна воспользоваться преимуществами четырехкратного чередования, о котором мы говорили выше. В комплекте поставки покупатель найдет не только SSD, но и крепежную рамку для установки в 3.5” отсек корпуса и даже отвертку для этих целей.

Verbatim SATA-III SSD 240 ГБ (3SSD240)

Этот производитель широко известен своими внешними накопителями, однако на рынке SSD он представлен мало. Рассматриваемая нами модель опять основывается на Sandforce SF-2281, однако Verbatim в этом устройстве применила медленную асинхронную память ONFI 1.1. C одной стороны, в тяжелых режимах тестирования и при активной эксплуатации этот SSD будет неизбежно уступать конкурентам с синхронной NAND, с другой стороны, Verbatim компенсирует это заметно сниженной ценой (~$270).

Методика тестирования

Перед замером показателей, все накопители были прошиты наиболее свежей на момент тестирования прошивкой, и приведены в исходное состояние посредством Secure Erase. Набор тестовых приложений включает:

— AS SSD – синтетический тест, замеряющий количество обрабатываемых SSD запросов разного размера и с разной глубиной очереди, и вычисляющий пропускную способность;

— Crystal DiskMark – аналог AS SSD, использующий несколько отличные алгоритмы, в результате чего показатели в этих утилитах часто разнятся;

— Anvil’s Storage Utilities – комплексный тестовый пакет, замеряющий производительность накопителя в разных профилях использования и выводящий результаты как в виде показателей скорости, так и в виде итогового балла;

— IOMeter Workstation – тестовый профиль утилиты IOMeter, моделирующий работу тяжело нагруженной рабочей станции;

— Futuremark PCMark Vantage и PCMark 7 – тестовые пакеты, эмулирующие работу накопителя в наиболее типичных для домашнего и игрового компьютера приложениях.

Кроме оценки производительности новых SSD, мы провели дополнительные тестирования, чтобы определить, как устройства поведут себя при длительной эксплуатации и большом заполнении. Для этого быстродействие в AS SSD замерялось в нескольких сценариях:

— чистый SSD после выполнения Secure Erase (идеальная ситуация);

— сразу после двукратного заполнения несжимаемыми данными и удаления файлов (наиболее «тяжелая» ситуация);

— после 30-минутного «отстоя» для того, чтобы успели поработать встроенные алгоритмы garbage collection и TRIM;

— после принудительной подачи команды TRIM (с помощью утилиты ForceTrim и Intel SSD Toolbox в случае накопителей Intel) и паузы в 10 минут.

Конфигурация тестового стенда

Результаты тестирования

Crystal DiskMark

Первое место ожидаемо занимает Kingston HyperX. Прошивка с отключенным лимитом скорости дает ему возможность немного опередить соперников даже в замере линейных скоростей.

Обратите внимание на низкие показатели ADATA S511 в скорости линейной записи: это прямое следствие вдвое меньшего объема этого накопителя, так как на нем не работает четырехкратное чередование записи. В аутсайдерах, естественно, Intel 320 – устаревший контроллер не дает ему бороться с устройствами на базе Sandforce 2.

AS SSD

В этом тесте ситуация повторяется, хотя Verbatim SATA-III SSD и смог выйти на первую строчку диаграммы за счет минимального опережения по скорости чтения. Вероятнее всего, виной тому алгоритмы прошивок: SSD на базе Sandforce довольно активно занимаются фоновым обслуживанием ячеек флеш-памяти, зачастую не во время. Ничем другим разброс в 10–15 МБ/с, который мы получали на протяжении всего тестирования в разных приложениях при нескольких проходах подряд, объяснить не удается.

Из интересного отметим, что асинхронная память в накопителе Verbatim хоть и уступает по скорости линейной записи, однако по количеству обрабатываемых запросов на запись в секунду держится вполне на уровне своих более «вооруженных» собратьев. Вдвое менее емкий ADATA S511 же не спасает даже синхронная память – наглядная иллюстрация того, что теоретическое удвоение пропускной способности чипов NAND не дает реального удвоения производительности.

Также стоит обратить внимание на тот факт, что Intel 320 оказывается впереди по показателям латентности. Объясняется это очень просто: во-первых, Sandforce SF-2281 постоянно анализирует передаваемые ему данные на предмет сжимаемости, что занимает время, а во-вторых у Intel 320 есть кэш, не предусмотренный платформой Sandforce. Впрочем, разница в 1 миллисекунду все равно пренебрежимо мала.

Anvil’s Disk Utilities

Этот тестовый пакет позволяет проводить замеры, отправляя дискам данные с разной степенью сжимаемости. Таким образом мы эмулируем идеальные и наихудшие условия для Sandforce, а также два приближенных к реальности случая – имитацию базы данных и работы приложений.

Сразу уточним, что график отсортирован по результату, показанному в режиме сжатия 46%, имитирующем работу приложений. Именно поэтому довольно неожиданно вперед выходит Verbatim SATA-III SSD, который хоть и ненамного, но опережает фаворитов от Intel и Kingston. Эта пара, в свою очередь, ведет очень активную борьбу: если отбросить не встречающийся в жизни вариант с полностью сжимаемыми данными (0-Fill), то разница между Kingston HyperX и Intel 520 оказывается минимальной. Отметим интересные результаты ADATA S511: этот SSD по-прежнему отстает от тройки лидеров, но уже не на треть, как в синтетических тестах. Замыкает пятерку, как всегда, Intel 320, демонстрируя нам, что лежащей в его основе абсолютно безразличен характер записываемых на SSD данных.

IOMeter Workstation

Все SSD на базе Sandforce SF-2281 отличаются отличным масштабированием производительности по мере наращивания глубины очереди запросов – контроллер без проблем справляется не просто с их обработкой, а и с переупорядочиванием очереди и отложенной записью.

На графиках, тем не менее, отлично видно, как три модели емкостью 240 ГБ, способные воспользоваться 4-way interleaving, отрываются от ADATA S511 на очереди глубиной 16 команд и выше. Что интересно, использование асинхронной памяти в Verbatim SATA-III SSD не мешает ему бороться с Kingston HyperX и Intel 520 на равных. Intel 320 по-прежнему замыкает строй, удерживая производительность в 7–8 тысяч IOPS при любой глубине очереди, что, конечно, немного для современных SSD, но все же почти на два порядка больше основной части доступных на рынке традиционных жестких дисков.

PCMark Vantage

Переходим к «приближенным к жизни» тестам, и тут же получаем неожиданный результат. Verbatim SATA-III SSD заметно опережает и Kingston HyperX, и Intel 520. PCMark Vantage дает довольно много баллов носителям, обеспечивающим высокую скорость чтения (в частности, в несколько потоков) и низкую латентность, потому в целом показатель довольно объяснимый. К тому же стоит отметить, что асинхронная память NAND (как и Toggle) не использует дополнительный синхронизирующий импульс, который требуется синхронной, и потому имеет немного лучший показатель времени доступа к ячейке. Разница мизерна, но, вполне возможно, на большом числе запросов она все же дает о себе знать.

Стоит обратить внимание на результаты ADATA S511: скорость записи довольно слабо влияет на общий счет в PCMark Vantage, потому этот SSD показывает себя на уровне фаворитов.

И снова на верхней строчке Verbatim SATA-III SSD, хотя разница между всеми тремя 240-гигабайтовыми накопителями на базе Sandforce 2 укладывается в погрешность измерений. В новой версии PCMark ADATA S511 все же уступает более емким моделям – на итоговые результаты в этом пакете скорость записи имеет большее влияние.

Степень деградации и эффективность алгоритмов очистки

Как мы уже упоминали в описании методики тестирования, мы также провели оценку того, насколько сильно падает производительность накопителей по мере заполнения ячеек памяти и, соответственно, с возникновением необходимости одновременно и обслуживать запросы системы, и следить за очисткой и оптимизацией записи.

Как видно на графике, на скорость чтения степень заполненности ячеек NAND не влияет – в отличие от операций записи, контроллеру не нужно выполнять лишнюю работу. А вот с записью дела обстоят намного хуже.

Как видим, после двукратного полного заполнения SSD, скорость записи на них падает примерно на треть. Если после этого дать диску «передышку» на 30 минут для активации внутреннего алгоритма сбора «мусора» и очистки ячеек, который предусмотрен самой прошивкой, производительность немного улучшается, однако радикальных изменений не происходит. Отметим, что в случае Kingston HyperX скорость даже понизилась – возможно, ему попросту не хватило получаса, и повторный тест застал его как раз в момент очистки. К слову, вероятно, это же случилось и с Intel 320 в тесте скорости чтения, ничем иным падение скорости после заполнения накопителя объяснить нельзя – видимо, он тут же после удаления данных принялся чистить ячейки.

Наконец, глянем на эффективность выполнения команды TRIM. Как видим, значительные результаты она приносит только на Intel 520. Что интересно, этот прирост был получен с использованием утилиты ForceTrim – запуск этой команды через Intel SSD Toolbox к улучшению результатов не привел.

Любопытно, что SSD от Verbatim, а также ADATA S511, вообще не пострадали от заполнения ячеек: и в изначальном виде после Secure Erase, и после двукратного заполнения они показывают практически одинаковую скорость на уровне максимальной. Пожалуй, объяснить это можно только тем, что очистка ячеек у них происходит очень агрессивно: как только файл удаляется, прошивка тут же обнуляет ячейки, хранившие его. С одной стороны, это хорошо – скорость будет меньше деградировать по мере «засорения» SSD, а с другой, это должно приводить к повышенному износу ячеек – контроллер чистит их не тогда, когда в них появляется надобность, а в первый же свободный момент. Впрочем, надежность современных чипов NAND пока сохраняется на уровне 3–5 тысяч операций перезаписи ячеек, так что скоропостижного выхода SSD из строя бояться не стоит.

Итоги

Цель этого тестирования состояла в том, чтобы показать, что, казалось бы, одинаковые SSD на одной и той же платформе могут оказаться довольно разными по производительности. К сожалению, замысел провалился: Kingston HyperX и Intel 520, оснащенные синхронной памятью ONFI 2.2, не смогли одержать убедительной победы над Verbatim SATA-III SSD, построенным на более дешевой асинхронной NAND. Впрочем, не стоит воспринимать это как упрек в сторону этих двух накопителей: они очень быстры, и в определенных условиях действительно заметно опережают соперника. Кроме того, на стороне Kingston эффектный внешний вид и хороший комплект поставки, а у Intel в арсенале удобное ПО для обслуживания SSD. Стоит ли это переплаты за эти модели – решать потребителю.

Что касается ADATA S511, то этому накопителю откровенно не повезло с соперниками: будь у нас модель емкостью 240 ГБ, вероятнее всего, у нас было бы 4 победителя. Но, к сожалению, 120-гигабайтовая версия не способна тягаться с более емкими устройствами.

Ну и, наконец, Intel 320. Этот SSD работает ровно так, как его позиционируют: он обеспечивает скорости на уровне предела производительности SATA II, намного опережает жесткие диски, обладает высокой емкостью и приемлемой ценой. В общем, хороший кандидат на апгрейд устаревающего ПК или (совсем идеально) ноутбука.