Обзор NVMe-накопителя Samsung 983 ZET: удивительный SSD на базе NAND-памяти с производительностью как у Optane
Так и хочется спросить: «А что, так можно было?» Ведь Intel долго убеждала всех в том, что высокая производительность уровня Optane SSD возможна исключительно благодаря уникальной памяти 3D XPoint. Но теперь это опровергнуто контрпримером — у Samsung появился SSD с вполне традиционной архитектурой, который работает почти как интеловский флагман
Современные твердотельные накопители для персональных компьютеров можно условно поделить на три принципиально различные подгруппы по уровню их быстродействия. Есть SATA SSD, производительность которых ограничивается полосой пропускания интерфейса. Есть NVMe SSD, которые стоят на ступень выше, потому что в них производительность определяется уже не интерфейсом, а пропускной способностью используемого в накопителе массива флеш-памяти.
И есть Intel Optane SSD – передовой накопитель, построенный на совершенно иных принципах. В нём применяются не чипы NAND, а 3D XPoint – энергонезависимая память с прямой адресацией, основанная на эффекте фазового перехода. Благодаря этому Optane SSD предлагает существенно более низкие, чем любые флеш-накопители, задержки и значительно более высокую скорость работы с небольшими блоками данных.
Надо сказать, что со времени своего появления Intel Optane SSD выступает предметом вожделения многих энтузиастов. Этот накопитель – лучшее, что когда-либо случалось на рынке систем хранения данных, и единственная крупная проблема, не дающая ему широко распространиться, — это высокая цена. Тем не менее Optane SSD прекрасно решает другую задачу имиджевого характера: он иллюстрирует потенциал перспективных технологий и явно показывает, что именно Intel выступает сегодня главным новатором, захватившим первенство в продвижении решений будущих поколений на рынок носителей информации.
Однако эту роль компании Intel во что бы то ни стало хотела бы оспорить Samsung, которая на протяжении многих лет выступает лидером рынка SSD, если говорить об объёмах продаж. Кроме того Samsung смогла захватить первенство и в смысле производительности традиционных твердотельных накопителей с интерфейсом SATA и NVMe, но вот до Optane SSD с его принципиально иной памятью 3D XPoint дотянуться долгое время не могла. Тем не менее с момента первого появления Optane SSD на горизонте южнокорейский производитель запустил разработку конкурента для интеловского флагмана, известного под кодовым именем Z-SSD. И главная интрига заключалась здесь в том, что Samsung поставила перед собой задачу сделать накопитель, аналогичный Optane по производительности, нос использованием уже имеющихся технологий NAND, то есть не прибегая к применению ячеек памяти с какими-то иными физическими принципами.
И надо сказать, что в конечном итоге Samsung Z-SSD не оказался каким-то мифическим проектом, и эта разработка материализовалась во вполне конкретных продуктах, которые действительно способны оспаривать исключительный статус Optane. Почему же об этом не трубят на всех углах? Вопрос действительно интересный, но Samsung по какой-то причине решила не делать на основе технологии Z-SSD накопители, которые могут быть интересны для энтузиастов, а нацелилась исключительно на корпоративных клиентов и центры обработки данных. Тем не менее в семейство Z-SSD вошли два продукта, 983 ZET и SZ985, и для них заявляются такие характеристики производительности, которые не только сравнимы со спецификациями Optane, но и даже в некоторых аспектах превосходят их.
То, что накопители на базе традиционной NAND-памяти смогли оказаться как минимум не хуже решений на базе 3D XPoint, звучит несколько фантастически, поэтому мы постарались достать какой-нибудь образец Samsung Z-SSD. И это нам удалось: в распоряжение лаборатории 3DNews попала самая простая версия Z-SSD, но даже на её примере будет любопытно посмотреть, на что в действительности способна южнокорейская альтернатива Optane и насколько она может быть применима для высокопроизводительных десктопов.
Иными словами, главный вопрос, на который отвечает этот обзор, можно сформулировать так: «Остаётся ли Intel Optane SSD 905P самым быстрым накопителем для экстремальных конфигураций, или у Samsung и впрямь появилось кое-что поинтереснее?»
Технические характеристики
Компания Samsung не очень-то распространяется о том, как устроены накопители Z-SSD на низком уровне. Тем не менее примерную картину того, каким образом обеспечиваются принципиально более высокие показатели быстродействия и чрезвычайно низкие задержки, мы всё-таки можем составить, проанализировав конструкцию платы попавшего в наше распоряжение накопителя 983 ZET.
И сразу же хочется сказать о самой большой неожиданности: Z-SSD в лице 983 ZET основывается не на каком-то особом контроллере, а на хорошо знакомом нам чипе Samsung Phoenix. Получается, что принципиально новый высокопроизводительный SSD, который должен конкурировать с Intel Optane, использует ровно тот же самый контроллер, что и традиционные накопители Samsung 970 PRO и 970 EVO Plus, которые до уровня Optane серьёзно недотягивают.
Но если разобраться, то в этом нет ничего странного. Контроллер Phoenix обладает огромным потенциалом, который в накопителях 970-й серии раскрывается далеко не полностью. Ведь он построен на базе пятиядерного ARM-процессора и обладает восемью каналами для работы с массивом флеш-памяти. Как мы неоднократно убеждались на практике, такого арсенала вполне хватает для того, чтобы создавать решения с лидирующим уровнем производительности на базе MLC и TLC 3D V-NAND.
Z-SSD же должен быть лучше «братьев по контроллеру» из-за иного наполнения массива флеш-памяти, которое как раз и должно поднять быстродействие на новый уровень. Сама Samsung говорит о некой особой памяти, обозначаемой аббревиатурой Z-NAND. Однако тот факт, что в Z-SSD используется стандартный контроллер, явно указывает на родство загадочной Z-NAND с обычной 3D V-NAND-памятью.
И действительно, при более подробном разбирательстве выясняется, что Z-NAND, на базе которой построены все Z-SSD, и Samsung 983 ZET в частности, — это 64-слойная трёхмерная V-NAND. Но не совсем такая, к которой мы привыкли. Это – не TLC- или MLC-память, а однобитовая SLC 3D V-NAND, разработанная Samsung специально в целях уменьшения латентностей при чтении и записи. Второй важной особенностью такой памяти является сравнительно небольшой объём кристаллов, который составляет всего 64 Гбит.
И это значит, что в высокой производительности Z-SSD нет никакого волшебства. А есть два объективных фактора: простая в обслуживании низколатентная однобитовая 3D V-NAND и массив с очень высокой степенью параллелизма, где контроллер может пользоваться не только всеми восемью каналами, но и многократным чередованием устройств в каждом канале. На то, что такие простые вещи действительно работают, указывают официальные спецификации Samsung 983 ZET.
Применение SLC 3D V-NAND попутно решает и ещё одну задачу – такая память очень вынослива. В то время, когда SSD на однобитовой памяти были в ходу, такой флеш-памяти приписывалась возможность переносить более 100 тысяч циклов программирования — стирания. С тех пор прошло немало времени, но выносливость современной памяти с однобитовыми ячейками должна быть не хуже. Снижение технологических норм должно компенсироваться как переходом на трёхмерную 64-слойную структуру, так и появлением в контроллере Phoenix сильных методов коррекции ошибок, основанных на LDPC-кодировании.
Иными словами, Samsung 983 ZET вполне может претендовать на то, чтобы стать таким же «вечным» накопителем, как Intel Optane. Собственно, на это намекает и сам производитель. Для 983 ZET заявлены ровно такие же показатели ресурса, как для Optane SSD 905P, что означает возможность десятикратного перезаполнения всей ёмкости накопителя ежедневно в течение пятилетнего гарантийного срока или способность накопителя за время жизни перенести в общей сложности как минимум 16-18 тысяч циклов полной перезаписи.
И в конечном итоге получается, что характеристики Samsung 983 ZET выглядят даже лучше, чем у Intel Optane SSD 905P. По крайней мере, для представителя семейства Z-SSD заявлены более высокие линейные скорости и более высокая производительность при случайном чтении. Единственное слабое место в спецификациях 983 ZET – скорость произвольной записи. Однако нужно понимать, что в паспортных характеристиках указана устоявшаяся скорость, достигаемая в процессе долговременных непрерывных перезаписей данных. Такая величина имеет смысл для оценки применимости накопителя в серверных средах, но если говорить о возможности использования Z-SSD в десктопах, то скорость случайной записи будет гораздо выше.
Тем не менее, несмотря на близкие заявленные характеристики, Samsung 983 ZET и Intel Optane SSD 905P считать синонимами всё равно нельзя. В этих накопителях используется память с принципиально разной организацией, поэтому и у того, и у другого решения есть уникальные особенности. В то время как Samsung 983 ZET – это классический SSD, в целом работающий точно так же, как любой другой накопитель с NAND-памятью, память в Optane SSD не требует предварительной подготовки перед записью и предполагает прямой, а не страничный доступ. По этой причине Optane SSD работает всегда с постоянной скоростью, вне зависимости от состояния и заполненности массива 3D XPoint, не требует никакого специального обслуживания вроде сборки мусора и не нуждается в подаче команд TRIM со стороны операционной системы.
Внешний вид и внутренняя конструкция
Все представители семейства Z-SSD – это достаточно габаритные устройства. Поскольку они собираются из чипов NAND сравнительно малой ёмкости, уместить массивы флеш-памяти необходимого объёма в форм-факторе M.2 в данном случае возможным не представляется. Поэтому нет ничего удивительного, что попавший в наши руки накопитель Samsung 983 ZET оказался выполнен в виде PCIe-платы HHHL-формата (половинной высоты).
В целом такая плата очень сильно похожа на Optane SSD 900P, и не только по размеру, но и тем, что вся её лицевая поверхность закрыта алюминиевым радиатором, а задняя сторона – стальной пластиной. Но у Samsung радиатор выглядит побрутальнее: на нём нет ни надписей, ни скошенных или закруглённых углов. Зато он окрашен в красивый глубокий синий цвет, так что Samsung 983 ZET всё же не лишён определённого очарования.
Стоит заметить, что радиатор со столь развитым профилем – скорее декоративный, чем реально необходимый элемент 983 ZET. Греется Z-SSD не так сильно, и уж явно меньше, чем, например, представители семейства Optane SSD. Температура накопителя Samsung при длительных операциях редко когда поднимается выше 40 градусов.
Плата 983 ZET годится для установки в обычный слот PCIe 3.0 как минимум с четырьмя линиями и может применяться как в стандартных, так и в низкопрофильных корпусах, для чего в комплекте поставки предусмотрены две различные по высоте крепёжные планки. Обе они имеют вентиляционные отверстия и вырез, через который проглядывается технологический разъём и несколько диагностических светодиодов, по которым можно судить об активности накопителя.
Заглянем под радиатор.
Здесь нас ждёт немало интересного, начиная с того, что между микросхемами, которые он должен охлаждать, и его внутренней плоскостью оставлен промежуток в добрый миллиметр, заполненный толстенными термопрокладками. Причём удостоились их далеко не все микросхемы. Половина чипов флеш-памяти вообще никоим образом с радиатором не контактирует, что ещё раз подтверждает тезис о его декоративном предназначении.
В целом элементную базу Samsung 983 ZET 480 Гбайт формирует контроллер Phoenix, используемый им для буферизации таблицы трансляции адресов чип LPDDR4 ёмкостью 1 Гбайт, а также набор чипов флеш-памяти. Массив SLC 3D V-NAND в версии 983 ZET ёмкостью 480 Гбайт собран из восьми микросхем, каждая из которых содержит внутри себя по восемь 64-гигабитных кристаллов. Также на плате накопителя имеется большое число свободных «посадочных площадок» для дополнительных микросхем, общее число которых при необходимости может быть доведено до 32 штук.
Серверную ориентацию Samsung 983 ZET выдаёт не только исполнение накопителя в виде PCIe-платы половинной высоты, но и наличие на ней аппаратной защиты от перебоев электроснабжения. Схема питания включает три мощных электролитических конденсатора по 270 мкФ, заряда которых должно быть достаточно для корректного завершения работы накопителя в случае внезапного обесточивания системы. Иными словами, рассматриваемый вариант Z-SSD подготовлен для эксплуатации в достаточно жёстких условиях.
Однако вместе с тем устройство Samsung 983 ZET не предполагает значительного резерва флеш-памяти, который часто наличествует в серверных моделях SSD. В рассматриваемой модели накопителя от пользователя «спрятано» лишь 13 % от общего объёма массива памяти, и это типичный для массовых вариантов накопителей объём служебных ячеек. При этом в том же Optane SSD суммарный объём резервной памяти достигает 21 % от общей ёмкости накопителя. Это позволяет предположить, что SLC 3D V-NAND действительно чрезвычайно устойчива к износу даже при серьёзных нагрузках, и Z-SSD не нуждаются в подменном фонде значительного размера.
Тестовый стенд
С выходом процессоров Coffee Lake Refresh мы решили в очередной раз обновить тестовую систему, которая используется для измерения производительности NVMe-моделей SSD. Всё-таки такие накопители в первую очередь покупают энтузиасты, переходящие на новые платформы, и поэтому логично использовать в тестовых испытаниях новейшую платформу.
В итоге в качестве тестовой платформы используется компьютер с материнской платой ASRock Z390 Taichi, процессором Core i7-9700K со встроенным графическим ядром Intel UHD Graphics 630 и 8 Гбайт DDR4-2666 SDRAM. Накопители с интерфейсом M.2 во время тестирования устанавливаются в соответствующий слот материнской платы, подключённый к чипсету. Накопители в виде карт PCI Express устанавливаются в слот PCI Express 3.0 x4, также работающий через чипсет.
Объём и скорость передачи данных в бенчмарках указываются в бинарных единицах (1 Кбайт = 1024 байт).
Отдельное пояснение следует сделать относительно закрытия процессорных уязвимостей Meltdown и Spectre. Существующие патчи заметно снижают производительность твердотельных накопителей, поэтому измерения проводятся с деактивированными «заплатками» OC, предназначенными для закрытия этих уязвимостей.
Список участников тестирования
Исходя из позиционирования, Samsung 983 ZET нужно в первую очередь сравнивать с накопителями серии Optane SSD. Такое очевидное сравнение мы и провели, добавив также на диаграммы результаты самых быстрых традиционных NVMe SSD – Samsung 970 PRO и 970 EVO Plus. Таким образом, в тестировании приняли участие накопители со всеми типами распространённой энергонезависимой памяти: 3D XPoint, а также SLC, MLC и TLC 3D V-NAND.
Формальный список протестированных моделей выглядит следующим образом:
Весьма любопытно, что по скорости линейного чтения при низкой глубине очереди запросов основанный на SLC-памяти Samsung 983 ZET проигрывает не только представителям семейства Optane SSD, но и массовым накопителям на том же контроллере Phoenix, 970 PRO и 970 EVO Plus. Но в то же время его производительность увеличивается почти до предельного для накопителей с интерфейсом PCI Express 3.0 x4 уровня на глубоких очередях, что наводит на мысль о каких-то целенаправленно серверных оптимизациях рассматриваемого SSD.
Зато при линейной записи Samsung 983 ZET – настоящая звезда. Быстрая память и высокий параллелизм позволяет этому накопителю демонстрировать рекордные скоростные показатели при любой глубине очереди запросов, опережая как традиционные SSD, так и представителей семейства Optane.
Производительность произвольного чтения
Уже из спецификаций было ясно, что с точки зрения латентностей при обращении к данным Z-SSD не может на равных тягаться с Optane SSD. Поэтому при мелкоблочном чтении в отсутствие очереди запросов он медленнее, чем накопители на базе 3D XPoint. Однако вместе с тем производительность Samsung 983 ZET при чтении 4-килобайтными блоками втрое выше чем у лучших SSD потребительского уровня. А при увеличении глубины очереди запросов он сначала догоняет представителей семейства Optane SSD, а затем и обгоняет их.
Вывод напрашивается сам собой: для того, чтобы сделать качественный скачок в скорости накопителей, переходить на какие-то принципиально новые типы энергонезависимой памяти совсем не обязательно. Почти то же самое, что предлагает 3D XPoint, можно при желании выжать из обычной NAND-памяти.
Производительность произвольной записи
Операции записи не представляют никакой проблемы для 983 ZET. Здесь выбранная компанией Samsung архитектура показывает свои сильные стороны, и результаты Z-SSD при мелкоблочной записи оказываются как минимум не хуже, чем у Optane SSD 900P и 905P.
Производительность при смешанной нагрузке
Здесь в очередной раз можно убедиться в том, насколько удачным у Samsung получился контроллер Phoenix. Как следует из графиков, в накопителе Samsung 983 ZET с быстрой SLC 3D V-NAND производительность в дуплексном режиме совершенно не падает. И более того, при смешанных операциях 983 ZET выдаёт примерно такую же скорость, как и Optane SSD. А это значит, что во многих реалистичных десктопных сценариях Z-SSD южнокорейского производителя будет выдавать примерно тот же уровень производительности, что флагманские предложения компании Intel.
Производительность в CrystalDiskMark
Очень любопытно посмотреть и на результаты в CrystalDiskMark. В этом бенчмарке Samsung 983 ZET смотрится с Optane SSD примерно на одном уровне и где-то даже лучше, несколько уступая ему разве только при неконвейеризованном случайном чтении небольшими блоками. Но если оценивать 983 ZET мерками обычных SSD на флеш-памяти, то это – просто фантастическая модель.
Производительность в PCMark 8 Storage Benchmark 2.0
Комплексный тест PCMark 8, который оценивает производительность, базируясь на типичных пользовательских сценариях работы в приложениях, считает, что Samsung 983 ZET примерно вдвое быстрее обычных SSD уровня Samsung 970 PRO и 970 EVO Plus. И это ставит его почти на одну ступень с Optane SSD 900P и 905P.
Интегральный результат PCMark 8 нужно дополнить и показателями производительности, выдаваемыми накопителями при прохождении отдельных тестовых трасс, которые моделируют различные варианты реальной нагрузки. Дело в том, что при разноплановой нагрузке флеш-накопители могут вести себя каким-либо особым образом.
И действительно, существуют приложения, где Samsung 983 ZET как минимум не хуже, чем Optane SSD. В качестве примеров особенно удачных для него сценариев можно привести работу в Adobe Photoshop или загрузку уровней в Battlefield 3.
Производительность при реальной нагрузке
За счёт сбалансированной производительности при смешанных операциях и сравнительно высокой скорости записи Samsung 983 ZET демонстрирует лидирующую скорость при работе с файлами внутри накопителя.
А вот по быстродействию при запуске крупных приложений и игр лидируют всё-таки интеловские Optane SSD 900P и 905P, которые предлагают более низкие латентности и более высокую скорость при случайном чтении. Тем не менее нельзя не отметить тот факт, что разрыв в производительности Samsung 983 ZET и Samsung 970 PRO достигает полуторакратного размера. И это в любом случае ставит Z-SSD на ступень выше по отношению ко всем потребительским накопителям на базе MLC- и уж тем более TLC-памяти.
Деградация и восстановление производительности
Наблюдение за изменением скорости записи в зависимости от объёма записанной на диск информации — важный эксперимент, позволяющий понять работу внутренних алгоритмов накопителя. В данном тесте мы загружаем SSD непрерывным потоком запросов на случайную запись 4-килобайтных блоков с очередью максимальной глубины и попутно следим за той производительностью, которая при этом наблюдается. На приведённом ниже графике в виде точек отмечены результаты измерений моментальной производительности, которые мы снимаем ежесекундно, а чёрная линия показывает среднюю скорость, наблюдаемую в течение 30-секундного интервала.
С учётом того, что мы тестируем накопитель, построенный на флеш-памяти, график деградации производительности следует признать образцово-показательным. До полного заполнения массива памяти скорость остаётся практически постоянной с очень небольшим разбросом в результатах последовательных измерений. Затем производительность ожидаемо снижается, но это тоже происходит очень плавно – без каких-либо провалов, свойственных недорогим SSD. Иными словами, Samsung 983 ZET полностью подтверждает свой статус серверного накопителя, причём с достаточно высокой скоростью устоявшейся записи, достигающей 70 тысяч IOPS. В качестве примера напомним, что подобную производительность может выдать «из коробки» далеко не каждый SSD потребительского уровня, а Samsung 983 ZET обеспечивает её после многочасовой непрерывной нагрузки.
Посмотрим теперь, как происходит восстановление скоростных характеристик до первоначальных величин за счёт работы технологии сборки мусора. Для исследования этого вопроса после завершения предыдущего теста, приводящего к снижению скорости записи, мы выжидаем 15 минут, в течение которых SSD может попытаться самостоятельно восстановиться за счёт сборки мусора, но без помощи со стороны операционной системы и команды TRIM, и замеряем быстродействие. Затем на накопитель принудительно подаётся команда TRIM — и скорость измеряется ещё раз, что позволяет убедиться в способности SSD с помощью TRIM полностью восстанавливать свою паспортную производительность.
Сборка мусора и TRIM – функции, которые в серверных моделях SSD практически не востребованы. Однако в Samsung 983 ZET их реализация в некоторой мере присутствует. Вернее, автономную сборку мусора в моменты простоя этот накопитель не осуществляет, но зато на команду TRIM реагирует, как и должен – очисткой неиспользуемых блоков флеш-памяти и возвратом быстродействия к первоначальному уровню.
Важный момент, связанный с TRIM, касается того, насколько большую нагрузку на контроллер вызывает обработка этой команды. Дело в том, что происходит это не так уж и незаметно для пользователя. Когда операционная система передаёт накопителю информацию о том, что какие-то сектора выводятся файловой системой из обращения, контроллер SSD должен консолидировать эти сектора и очистить освобождающиеся страницы флеш-памяти для выполнения будущих операций. Такая перегруппировка требует перезаписи и очистки областей памяти, и это не только занимает заметное время, но и серьёзно нагружает контроллер работой. В результате после удаления с диска больших объёмов данных владельцы SSD часто сталкиваются с эффектом временного замедления или даже с «фризами» накопителя. На практике это может вызвать серьёзный дискомфорт, ведь никто не ожидает, что SSD, основным достоинством которого является моментальная реакция на внешние воздействия, будет замирать на несколько секунд.
Поэтому мы добавили в методику дополнительное исследование, которое позволяет отслеживать, насколько незаметно для пользователя тот или иной SSD обслуживает команды TRIM. Способ проверки очень прост: сразу после удаления крупного файла — объёмом 32 Гбайт — мы проверяем, как накопитель справляется с операциями произвольного чтения данных, контролируя как скорость чтения, так и время ожидания, которое проходит с момента каждого запроса данных до ответа накопителя.
А вот тут действительно интересно. Несмотря на высокий статус Samsung 983 ZET, который подкрепляется мощным контроллером и очень быстрой флеш-памятью, обработать TRIM так, чтобы это не сказывалось на производительности, он всё же не может. И если производительность в процессе очистки блоков флеш-памяти снижается крайне незначительно, то по латентности этот процесс наносит гораздо более заметный удар. На период продолжительностью примерно 15 секунд после удаления крупного файла время отклика возрастает в два-три раза. Впрочем, справедливости ради стоит подчеркнуть, что при десктопном использовании такое увеличение задержек до сотен микросекунд заметно не будет вообще: обычные SSD в любом случае имеют более высокие задержки.
Выводы
Знакомство с Samsung 983 ZET производит неизгладимое впечатление. Но дело здесь не в том, какие показатели быстродействия может обеспечить этот SSD, а в самом принципе. Южнокорейский производитель наглядно продемонстрировал, что в существующих технологиях твердотельных накопителей, основанных на NAND-памяти, пока остаётся скрыт огромный потенциал, осваивать и раскрывать который можно долго – было бы желание.
Демонстрация получилась очень убедительной. Создавая Samsung 983 ZET, инженеры даже особо не старались. Этот накопитель собран из уже имеющихся в распоряжении Samsung компонентов: из широко применяемого в массовых накопителях контроллера Phoenix и из 64-слойной 3D V-NAND-памяти, которая просто переключена в SLC-режим. Тем не менее на выходе получился продукт, совсем не похожий на всё то, с чем нам приходилось сталкиваться ранее: с точки зрения задержек и производительности при операциях с блоками данных небольшого размера 983 ZET в разы превосходит привычные накопители и вплотную приближается к Intel Optane SSD.
Справедливости ради стоит заметить, что при десктопных нагрузках Intel Optane SSD 905P всё-таки немного быстрее, чем Samsung 983 ZET. Однако разрыв между этими моделями получился уже не таким кардинальным, как был между Optane SSD и распространёнными массовыми SSD. Теперь Intel уже точно не сможет кичиться тем, что её новая фирменная память 3D XPoint позволяет создавать накопители на порядки лучше продуктов с памятью типа NAND. И в скорости, и в надёжности Optane SSD 905P и Samsung 983 ZET – решения примерно одного класса, и у Optane SSD остался лишь единственный неоспоримый плюс, которому не может ничего противопоставить Z-SSD, – это отсутствие деградации производительности при длительных нагрузках.
Иными словами, выпустив 983 ZET, компания Samsung наверняка смогла больно ударить по самолюбию Intel, ведь появление подобных Z-SSD накопителей стирает с Optane SSD налёт элитарности и исключительности. Более того, теперь возникают вполне закономерные вопросы, а стоит ли вообще так навязчиво продвигать новые типы энергонезависимой памяти, если потенциал 3D V-NAND далеко не исчерпан. И раз на подобные Optane SSD сверхбыстрые и высокобюджетные решения существует спрос, может быть, логичнее заняться оптимизацией существующих платформ, ведь очевидно, что Z-SSD в любом случае дешевле Optane SSD по себестоимости?
Впрочем, Samsung, судя по всему, в востребованность своей новой разработки верит не особо. Компания лишь показывает, что при желании она способна выпускать конкурирующие с Optane SSD продукты, причём не прибегая к каким-то сверхсложным экспериментальным технологиям. Но двигать подобные решения «в народ» она, по-видимому, не собирается, по крайней мере прямо сейчас. На это явно указывают заградительные рекомендованные цены, которые компания назначила на 983 ZET. Так, накопитель ёмкостью 480 Гбайт обойдётся потребителям в 75 тысяч рублей, а 960-гигабайтная модель, страшно подумать, – в 150 тысяч рублей. Тот же Optane SSD 905P стоит существенно дешевле, а поэтому те, кому нужна непревзойдённая производительность в десктопе, могут не задумываясь продолжать ориентироваться на предлагаемый Intel вариант.
Реальные же покупатели на Samsung 983 ZET могут найтись разве только на серверном рынке, по крайней мере этот SSD демонстрирует достаточно впечатляющие показатели производительности при работе с глубокими очередями запросов, и при такой нагрузке он в ряде случаев даже превосходит флагманский накопитель Intel на базе памяти 3D XPoint.
Так и хочется спросить: «А что, так можно было?» Ведь Intel долго убеждала всех в том, что высокая производительность уровня Optane SSD возможна исключительно благодаря уникальной памяти 3D XPoint. Но теперь это опровергнуто контрпримером — у Samsung появился SSD с вполне традиционной архитектурой, который работает почти как интеловский флагман
Современные твердотельные накопители для персональных компьютеров можно условно поделить на три принципиально различные подгруппы по уровню их быстродействия. Есть SATA SSD, производительность которых ограничивается полосой пропускания интерфейса. Есть NVMe SSD, которые стоят на ступень выше, потому что в них производительность определяется уже не интерфейсом, а пропускной способностью используемого в накопителе массива флеш-памяти.
И есть Intel Optane SSD – передовой накопитель, построенный на совершенно иных принципах. В нём применяются не чипы NAND, а 3D XPoint – энергонезависимая память с прямой адресацией, основанная на эффекте фазового перехода. Благодаря этому Optane SSD предлагает существенно более низкие, чем любые флеш-накопители, задержки и значительно более высокую скорость работы с небольшими блоками данных.
Надо сказать, что со времени своего появления Intel Optane SSD выступает предметом вожделения многих энтузиастов. Этот накопитель – лучшее, что когда-либо случалось на рынке систем хранения данных, и единственная крупная проблема, не дающая ему широко распространиться, — это высокая цена. Тем не менее Optane SSD прекрасно решает другую задачу имиджевого характера: он иллюстрирует потенциал перспективных технологий и явно показывает, что именно Intel выступает сегодня главным новатором, захватившим первенство в продвижении решений будущих поколений на рынок носителей информации.
Однако эту роль компании Intel во что бы то ни стало хотела бы оспорить Samsung, которая на протяжении многих лет выступает лидером рынка SSD, если говорить об объёмах продаж. Кроме того Samsung смогла захватить первенство и в смысле производительности традиционных твердотельных накопителей с интерфейсом SATA и NVMe, но вот до Optane SSD с его принципиально иной памятью 3D XPoint дотянуться долгое время не могла. Тем не менее с момента первого появления Optane SSD на горизонте южнокорейский производитель запустил разработку конкурента для интеловского флагмана, известного под кодовым именем Z-SSD. И главная интрига заключалась здесь в том, что Samsung поставила перед собой задачу сделать накопитель, аналогичный Optane по производительности, нос использованием уже имеющихся технологий NAND, то есть не прибегая к применению ячеек памяти с какими-то иными физическими принципами.
То, что накопители на базе традиционной NAND-памяти смогли оказаться как минимум не хуже решений на базе 3D XPoint, звучит несколько фантастически, поэтому мы постарались достать какой-нибудь образец Samsung Z-SSD. И это нам удалось: в распоряжение лаборатории 3DNews попала самая простая версия Z-SSD, но даже на её примере будет любопытно посмотреть, на что в действительности способна южнокорейская альтернатива Optane и насколько она может быть применима для высокопроизводительных десктопов.
Иными словами, главный вопрос, на который отвечает этот обзор, можно сформулировать так: «Остаётся ли Intel Optane SSD 905P самым быстрым накопителем для экстремальных конфигураций, или у Samsung и впрямь появилось кое-что поинтереснее?»
Технические характеристики
Компания Samsung не очень-то распространяется о том, как устроены накопители Z-SSD на низком уровне. Тем не менее примерную картину того, каким образом обеспечиваются принципиально более высокие показатели быстродействия и чрезвычайно низкие задержки, мы всё-таки можем составить, проанализировав конструкцию платы попавшего в наше распоряжение накопителя 983 ZET.
Но если разобраться, то в этом нет ничего странного. Контроллер Phoenix обладает огромным потенциалом, который в накопителях 970-й серии раскрывается далеко не полностью. Ведь он построен на базе пятиядерного ARM-процессора и обладает восемью каналами для работы с массивом флеш-памяти. Как мы неоднократно убеждались на практике, такого арсенала вполне хватает для того, чтобы создавать решения с лидирующим уровнем производительности на базе MLC и TLC 3D V-NAND.
И действительно, при более подробном разбирательстве выясняется, что Z-NAND, на базе которой построены все Z-SSD, и Samsung 983 ZET в частности, — это 64-слойная трёхмерная V-NAND. Но не совсем такая, к которой мы привыкли. Это – не TLC- или MLC-память, а однобитовая SLC 3D V-NAND, разработанная Samsung специально в целях уменьшения латентностей при чтении и записи. Второй важной особенностью такой памяти является сравнительно небольшой объём кристаллов, который составляет всего 64 Гбит.
| Производитель | Samsung | |
|---|---|---|
Серия | 983 ZET | |
Модельный номер | MZ-PZA480BW | MZ-PZA960BW |
Форм-фактор | Half-height Half-length (HHHL) | |
Интерфейс | PCI Express 3.0 x4 — NVMe 1.2 | |
Ёмкость, Гбайт | 480 | 960 |
Конфигурация | ||
Флеш-память: тип, техпроцесс, производитель | Samsung 64-слойная 64-Гбит SLC 3D V-NAND (Z-NAND) | |
Контроллер | Samsung Phoenix | |
Буфер: тип, объём | LPDDR4, 1 Гбайт | LPDDR4, 2 Гбайт |
Производительность | ||
Макс. устойчивая скорость последовательного чтения, Мбайт/с | 3400 | 3400 |
Макс. устойчивая скорость последовательной записи, Мбайт/с | 3000 | 3000 |
Макс. скорость произвольного чтения (блоки по 4 Кбайт), IOPS | 750 000 | 750 000 |
Макс. скорость произвольной записи (блоки по 4 Кбайт), IOPS | 60 000 | 75 000 |
Физические характеристики | ||
Потребляемая мощность: бездействие/чтение-запись, Вт | 5,5/9,0 | |
MTBF (среднее время наработки на отказ), млн ч | 2,0 | |
Ресурс записи, Тбайт | 7440 | 17520 |
Габаритные размеры: Д × В × Г, мм | 167,7 × 69,9 × 18,8 | |
Масса, г | 330 | |
Гарантийный срок, лет | 5 |
Иными словами, Samsung 983 ZET вполне может претендовать на то, чтобы стать таким же «вечным» накопителем, как Intel Optane. Собственно, на это намекает и сам производитель. Для 983 ZET заявлены ровно такие же показатели ресурса, как для Optane SSD 905P, что означает возможность десятикратного перезаполнения всей ёмкости накопителя ежедневно в течение пятилетнего гарантийного срока или способность накопителя за время жизни перенести в общей сложности как минимум 16-18 тысяч циклов полной перезаписи.
И в конечном итоге получается, что характеристики Samsung 983 ZET выглядят даже лучше, чем у Intel Optane SSD 905P. По крайней мере, для представителя семейства Z-SSD заявлены более высокие линейные скорости и более высокая производительность при случайном чтении. Единственное слабое место в спецификациях 983 ZET – скорость произвольной записи. Однако нужно понимать, что в паспортных характеристиках указана устоявшаяся скорость, достигаемая в процессе долговременных непрерывных перезаписей данных. Такая величина имеет смысл для оценки применимости накопителя в серверных средах, но если говорить о возможности использования Z-SSD в десктопах, то скорость случайной записи будет гораздо выше.
| Samsung 983 ZET 960GB | Intel Optane SSD 905P 960GB | |
|---|---|---|
Макс. устойчивая скорость последовательного чтения, Мбайт/с | 3400 | 2600 |
Макс. устойчивая скорость последовательной записи, Мбайт/с | 3000 | 2200 |
Макс. скорость произвольного чтения (блоки по 4 Кбайт), IOPS | 750 000 | 575 000 |
Макс. скорость произвольной записи (блоки по 4 Кбайт), IOPS | 75 000 | 550 000 |
Латентность при чтении, мкс | 20 | 10 |
Латентность при записи, мкс | 16 | 10 |
Внешний вид и внутренняя конструкция
Все представители семейства Z-SSD – это достаточно габаритные устройства. Поскольку они собираются из чипов NAND сравнительно малой ёмкости, уместить массивы флеш-памяти необходимого объёма в форм-факторе M.2 в данном случае возможным не представляется. Поэтому нет ничего удивительного, что попавший в наши руки накопитель Samsung 983 ZET оказался выполнен в виде PCIe-платы HHHL-формата (половинной высоты).
 |  |
Плата 983 ZET годится для установки в обычный слот PCIe 3.0 как минимум с четырьмя линиями и может применяться как в стандартных, так и в низкопрофильных корпусах, для чего в комплекте поставки предусмотрены две различные по высоте крепёжные планки. Обе они имеют вентиляционные отверстия и вырез, через который проглядывается технологический разъём и несколько диагностических светодиодов, по которым можно судить об активности накопителя.
Заглянем под радиатор.
В целом элементную базу Samsung 983 ZET 480 Гбайт формирует контроллер Phoenix, используемый им для буферизации таблицы трансляции адресов чип LPDDR4 ёмкостью 1 Гбайт, а также набор чипов флеш-памяти. Массив SLC 3D V-NAND в версии 983 ZET ёмкостью 480 Гбайт собран из восьми микросхем, каждая из которых содержит внутри себя по восемь 64-гигабитных кристаллов. Также на плате накопителя имеется большое число свободных «посадочных площадок» для дополнительных микросхем, общее число которых при необходимости может быть доведено до 32 штук.
 |  |
Однако вместе с тем устройство Samsung 983 ZET не предполагает значительного резерва флеш-памяти, который часто наличествует в серверных моделях SSD. В рассматриваемой модели накопителя от пользователя «спрятано» лишь 13 % от общего объёма массива памяти, и это типичный для массовых вариантов накопителей объём служебных ячеек. При этом в том же Optane SSD суммарный объём резервной памяти достигает 21 % от общей ёмкости накопителя. Это позволяет предположить, что SLC 3D V-NAND действительно чрезвычайно устойчива к износу даже при серьёзных нагрузках, и Z-SSD не нуждаются в подменном фонде значительного размера.
Тестовый стенд
С выходом процессоров Coffee Lake Refresh мы решили в очередной раз обновить тестовую систему, которая используется для измерения производительности NVMe-моделей SSD. Всё-таки такие накопители в первую очередь покупают энтузиасты, переходящие на новые платформы, и поэтому логично использовать в тестовых испытаниях новейшую платформу.
В итоге в качестве тестовой платформы используется компьютер с материнской платой ASRock Z390 Taichi, процессором Core i7-9700K со встроенным графическим ядром Intel UHD Graphics 630 и 8 Гбайт DDR4-2666 SDRAM. Накопители с интерфейсом M.2 во время тестирования устанавливаются в соответствующий слот материнской платы, подключённый к чипсету. Накопители в виде карт PCI Express устанавливаются в слот PCI Express 3.0 x4, также работающий через чипсет.
Объём и скорость передачи данных в бенчмарках указываются в бинарных единицах (1 Кбайт = 1024 байт).
Отдельное пояснение следует сделать относительно закрытия процессорных уязвимостей Meltdown и Spectre. Существующие патчи заметно снижают производительность твердотельных накопителей, поэтому измерения проводятся с деактивированными «заплатками» OC, предназначенными для закрытия этих уязвимостей.
Список участников тестирования
Исходя из позиционирования, Samsung 983 ZET нужно в первую очередь сравнивать с накопителями серии Optane SSD. Такое очевидное сравнение мы и провели, добавив также на диаграммы результаты самых быстрых традиционных NVMe SSD – Samsung 970 PRO и 970 EVO Plus. Таким образом, в тестировании приняли участие накопители со всеми типами распространённой энергонезависимой памяти: 3D XPoint, а также SLC, MLC и TLC 3D V-NAND.
Формальный список протестированных моделей выглядит следующим образом:
- Intel Optane SSD 905P 480 Гбайт (SSDPE21D480GA, прошивка E2010420);
- Intel Optane SSD 900P 480 Гбайт (SSDPED1D480GA, прошивка E2010325);
- Samsung 970 EVO Plus 500 Гбайт (MZ-V7S500BW, прошивка 1B2QEXM7);
- Samsung 970 PRO 512 Гбайт (MZ-V7P512BW, прошивка 1B2QEXP7);
- Samsung 983 ZET 480 Гбайт (MZ-PZA480BW, прошивка EDZ92R2Q).
- Intel Client NVMe Driver 4.0.0.1007;
- Microsoft Windows NVMe Driver 10.0.16299.371;
- Samsung NVM Express Driver 3.0.0.1802.
Весьма любопытно, что по скорости линейного чтения при низкой глубине очереди запросов основанный на SLC-памяти Samsung 983 ZET проигрывает не только представителям семейства Optane SSD, но и массовым накопителям на том же контроллере Phoenix, 970 PRO и 970 EVO Plus. Но в то же время его производительность увеличивается почти до предельного для накопителей с интерфейсом PCI Express 3.0 x4 уровня на глубоких очередях, что наводит на мысль о каких-то целенаправленно серверных оптимизациях рассматриваемого SSD.
Зато при линейной записи Samsung 983 ZET – настоящая звезда. Быстрая память и высокий параллелизм позволяет этому накопителю демонстрировать рекордные скоростные показатели при любой глубине очереди запросов, опережая как традиционные SSD, так и представителей семейства Optane.
Производительность произвольного чтения
Вывод напрашивается сам собой: для того, чтобы сделать качественный скачок в скорости накопителей, переходить на какие-то принципиально новые типы энергонезависимой памяти совсем не обязательно. Почти то же самое, что предлагает 3D XPoint, можно при желании выжать из обычной NAND-памяти.
Производительность произвольной записи
Производительность при смешанной нагрузке
Производительность в CrystalDiskMark
Очень любопытно посмотреть и на результаты в CrystalDiskMark. В этом бенчмарке Samsung 983 ZET смотрится с Optane SSD примерно на одном уровне и где-то даже лучше, несколько уступая ему разве только при неконвейеризованном случайном чтении небольшими блоками. Но если оценивать 983 ZET мерками обычных SSD на флеш-памяти, то это – просто фантастическая модель.
 Samsung 983 ZET 480 Гбайт |  Intel Optane SSD 905P 480 Гбайт |
Интегральный результат PCMark 8 нужно дополнить и показателями производительности, выдаваемыми накопителями при прохождении отдельных тестовых трасс, которые моделируют различные варианты реальной нагрузки. Дело в том, что при разноплановой нагрузке флеш-накопители могут вести себя каким-либо особым образом.
Производительность при реальной нагрузке
Деградация и восстановление производительности
Наблюдение за изменением скорости записи в зависимости от объёма записанной на диск информации — важный эксперимент, позволяющий понять работу внутренних алгоритмов накопителя. В данном тесте мы загружаем SSD непрерывным потоком запросов на случайную запись 4-килобайтных блоков с очередью максимальной глубины и попутно следим за той производительностью, которая при этом наблюдается. На приведённом ниже графике в виде точек отмечены результаты измерений моментальной производительности, которые мы снимаем ежесекундно, а чёрная линия показывает среднюю скорость, наблюдаемую в течение 30-секундного интервала.
С учётом того, что мы тестируем накопитель, построенный на флеш-памяти, график деградации производительности следует признать образцово-показательным. До полного заполнения массива памяти скорость остаётся практически постоянной с очень небольшим разбросом в результатах последовательных измерений. Затем производительность ожидаемо снижается, но это тоже происходит очень плавно – без каких-либо провалов, свойственных недорогим SSD. Иными словами, Samsung 983 ZET полностью подтверждает свой статус серверного накопителя, причём с достаточно высокой скоростью устоявшейся записи, достигающей 70 тысяч IOPS. В качестве примера напомним, что подобную производительность может выдать «из коробки» далеко не каждый SSD потребительского уровня, а Samsung 983 ZET обеспечивает её после многочасовой непрерывной нагрузки.
Посмотрим теперь, как происходит восстановление скоростных характеристик до первоначальных величин за счёт работы технологии сборки мусора. Для исследования этого вопроса после завершения предыдущего теста, приводящего к снижению скорости записи, мы выжидаем 15 минут, в течение которых SSD может попытаться самостоятельно восстановиться за счёт сборки мусора, но без помощи со стороны операционной системы и команды TRIM, и замеряем быстродействие. Затем на накопитель принудительно подаётся команда TRIM — и скорость измеряется ещё раз, что позволяет убедиться в способности SSD с помощью TRIM полностью восстанавливать свою паспортную производительность.
Сборка мусора и TRIM – функции, которые в серверных моделях SSD практически не востребованы. Однако в Samsung 983 ZET их реализация в некоторой мере присутствует. Вернее, автономную сборку мусора в моменты простоя этот накопитель не осуществляет, но зато на команду TRIM реагирует, как и должен – очисткой неиспользуемых блоков флеш-памяти и возвратом быстродействия к первоначальному уровню.
Важный момент, связанный с TRIM, касается того, насколько большую нагрузку на контроллер вызывает обработка этой команды. Дело в том, что происходит это не так уж и незаметно для пользователя. Когда операционная система передаёт накопителю информацию о том, что какие-то сектора выводятся файловой системой из обращения, контроллер SSD должен консолидировать эти сектора и очистить освобождающиеся страницы флеш-памяти для выполнения будущих операций. Такая перегруппировка требует перезаписи и очистки областей памяти, и это не только занимает заметное время, но и серьёзно нагружает контроллер работой. В результате после удаления с диска больших объёмов данных владельцы SSD часто сталкиваются с эффектом временного замедления или даже с «фризами» накопителя. На практике это может вызвать серьёзный дискомфорт, ведь никто не ожидает, что SSD, основным достоинством которого является моментальная реакция на внешние воздействия, будет замирать на несколько секунд.
Поэтому мы добавили в методику дополнительное исследование, которое позволяет отслеживать, насколько незаметно для пользователя тот или иной SSD обслуживает команды TRIM. Способ проверки очень прост: сразу после удаления крупного файла — объёмом 32 Гбайт — мы проверяем, как накопитель справляется с операциями произвольного чтения данных, контролируя как скорость чтения, так и время ожидания, которое проходит с момента каждого запроса данных до ответа накопителя.
А вот тут действительно интересно. Несмотря на высокий статус Samsung 983 ZET, который подкрепляется мощным контроллером и очень быстрой флеш-памятью, обработать TRIM так, чтобы это не сказывалось на производительности, он всё же не может. И если производительность в процессе очистки блоков флеш-памяти снижается крайне незначительно, то по латентности этот процесс наносит гораздо более заметный удар. На период продолжительностью примерно 15 секунд после удаления крупного файла время отклика возрастает в два-три раза. Впрочем, справедливости ради стоит подчеркнуть, что при десктопном использовании такое увеличение задержек до сотен микросекунд заметно не будет вообще: обычные SSD в любом случае имеют более высокие задержки.
Выводы
Знакомство с Samsung 983 ZET производит неизгладимое впечатление. Но дело здесь не в том, какие показатели быстродействия может обеспечить этот SSD, а в самом принципе. Южнокорейский производитель наглядно продемонстрировал, что в существующих технологиях твердотельных накопителей, основанных на NAND-памяти, пока остаётся скрыт огромный потенциал, осваивать и раскрывать который можно долго – было бы желание.
Демонстрация получилась очень убедительной. Создавая Samsung 983 ZET, инженеры даже особо не старались. Этот накопитель собран из уже имеющихся в распоряжении Samsung компонентов: из широко применяемого в массовых накопителях контроллера Phoenix и из 64-слойной 3D V-NAND-памяти, которая просто переключена в SLC-режим. Тем не менее на выходе получился продукт, совсем не похожий на всё то, с чем нам приходилось сталкиваться ранее: с точки зрения задержек и производительности при операциях с блоками данных небольшого размера 983 ZET в разы превосходит привычные накопители и вплотную приближается к Intel Optane SSD.
Справедливости ради стоит заметить, что при десктопных нагрузках Intel Optane SSD 905P всё-таки немного быстрее, чем Samsung 983 ZET. Однако разрыв между этими моделями получился уже не таким кардинальным, как был между Optane SSD и распространёнными массовыми SSD. Теперь Intel уже точно не сможет кичиться тем, что её новая фирменная память 3D XPoint позволяет создавать накопители на порядки лучше продуктов с памятью типа NAND. И в скорости, и в надёжности Optane SSD 905P и Samsung 983 ZET – решения примерно одного класса, и у Optane SSD остался лишь единственный неоспоримый плюс, которому не может ничего противопоставить Z-SSD, – это отсутствие деградации производительности при длительных нагрузках.
Иными словами, выпустив 983 ZET, компания Samsung наверняка смогла больно ударить по самолюбию Intel, ведь появление подобных Z-SSD накопителей стирает с Optane SSD налёт элитарности и исключительности. Более того, теперь возникают вполне закономерные вопросы, а стоит ли вообще так навязчиво продвигать новые типы энергонезависимой памяти, если потенциал 3D V-NAND далеко не исчерпан. И раз на подобные Optane SSD сверхбыстрые и высокобюджетные решения существует спрос, может быть, логичнее заняться оптимизацией существующих платформ, ведь очевидно, что Z-SSD в любом случае дешевле Optane SSD по себестоимости?
Впрочем, Samsung, судя по всему, в востребованность своей новой разработки верит не особо. Компания лишь показывает, что при желании она способна выпускать конкурирующие с Optane SSD продукты, причём не прибегая к каким-то сверхсложным экспериментальным технологиям. Но двигать подобные решения «в народ» она, по-видимому, не собирается, по крайней мере прямо сейчас. На это явно указывают заградительные рекомендованные цены, которые компания назначила на 983 ZET. Так, накопитель ёмкостью 480 Гбайт обойдётся потребителям в 75 тысяч рублей, а 960-гигабайтная модель, страшно подумать, – в 150 тысяч рублей. Тот же Optane SSD 905P стоит существенно дешевле, а поэтому те, кому нужна непревзойдённая производительность в десктопе, могут не задумываясь продолжать ориентироваться на предлагаемый Intel вариант.
Реальные же покупатели на Samsung 983 ZET могут найтись разве только на серверном рынке, по крайней мере этот SSD демонстрирует достаточно впечатляющие показатели производительности при работе с глубокими очередями запросов, и при такой нагрузке он в ряде случаев даже превосходит флагманский накопитель Intel на базе памяти 3D XPoint.
Последнее редактирование:
