Лаборатория 3DNews традиционно уделяет большое внимание тестам твердотельных накопителей, исследуя как производительность, так и надёжность подобных решений. И тому есть простое объяснение: SSD – одна из самых ударных технологий последнего времени, которая буквально за несколько лет позволила поднять отзывчивость персональных компьютеров на принципиально новый уровень. Сегодня ни один энтузиаст не будет задаваться вопросом: располагать ли операционную систему и часто используемые программы на твердотельном накопителе или, может быть, обойтись в конфигурации без новых решений и ограничиться проверенным временем HDD. В любые сборки, где это позволяет бюджет, SSD попадают в обязательном порядке. Где-то это небольшие по объёму первичные накопители, а где-то – рабочие хранилища данных объёмом более терабайта, но любая современная система (если это не совсем ультрабюджетный компьютер) без SSD попросту немыслима.
До недавних пор в большинство компьютеров попадали SSD с интерфейсом SATA, и именно их мы тестировали и рекомендовали прежде всего. Действительно, такие накопители общедоступны, широко совместимы с имеющимися системами, а их стоимость ещё совсем недавно представлялась более оправданной по сравнению с вариантами, использующими скоростную шину PCI Express. Но времена меняются, и сейчас более интересным выбором начинают казаться твердотельные накопители с интерфейсом NVMe. Да, они слегка подороже, но с одной стороны ценовой разрыв между SATA и NVMe SSD планомерно сокращается, а с другой – переплата за более быстрый интерфейс в конечном итоге окупается положительными эмоциями, которые приносит высокое быстродействие. Безусловно, такого же скачка производительности, который мы испытали при переходе от HDD к SSD, в данном случае нет. Но рост скоростей всё равно значителен, и те пользователи, которые уже попробовали поработать в системе с каким-нибудь хорошим NVMe-накопителем, вряд ли после этого согласятся променять его на альтернативу с интерфейсом SATA.
Иными словами, мы пришли к пониманию, что пора, наконец, вплотную заняться сравнительными тестами прогрессивных массовых NVMe SSD. Рост популярности таких решений налицо, а их ассортимент, представленный на прилавках магазинов, расширяется с каждым днём. И если до недавних пор выбор был очень прост, поскольку оптимальным накопителем с NVMe-интерфейсом почти на безальтернативной основе выступал Samsung 960 EVO, то на сегодняшний день его безоговорочное превосходство можно ставить под сомнение. Это, в частности, показало недавнее знакомство с Intel SSD 760p – новым NVMe-продуктом, который как минимум не хуже по производительности, и достаточно привлекателен по цене. Кроме того, за последнее время на рынке появились и другие интересные варианты, обойти которые вниманием было бы по меньшей мере несправедливо.
Первое большое тестирование нового цикла мы посвятим сравнению наиболее ходовых вариантов – M.2-накопителей с интерфейсом NVMe объёмом 240-256 Гбайт.
⇡#Почему NVMe?
Многие считают, что интерфейс NVMe, на который планомерно переходят твердотельные накопители, – это синоним скорости. И действительно, пиковая пропускная способность SATA-интерфейса в его самой распространённой версии 3.1 достигает лишь 600 Мбайт/с, что явно ниже того быстродействия, которое может выдать современный SSD. Это хорошо видно по тому, что производительность линейных операций у различных современных SATA-накопителей практически не различается: её ограничивает именно полоса пропускания интерфейса.
В то же время актуальные накопители с интерфейсом NVMe могут предлагать не только в разы более высокие, но и заметно различающиеся показатели производительности. Например, самые лучшие потребительские NVMe SSD выдают скорости последовательного чтения и записи на уровне 3,5 и 2,7 Гбайт/с соответственно, но в то же время более простые NVMe-модели существенно не дотягивают до этих показателей. И это значит, что в мире NVMe SSD быстродействие – не такая выхолощенная и обесцененная характеристика, как в случае SATA.
Обусловлено это и в самом деле реализацией интерфейса. Для работы интерфейса NVMe на низком уровне выбрана стандартная последовательная шина PCI Express, которая не только легко масштабируется путём увеличения числа используемых линий, но и даже в варианте с одной линией (версии 3.0) может обеспечить пиковую пропускную способность порядка 985 Мбайт/с, то есть, как минимум в полтора раза выше, чем привычный SATA-интерфейс. К тому же подавляющее большинство современных массовых NVMe SSD пользуются двумя или четырьмя линиями PCI Express, то есть итоговая пропускная способность получается на уровне 1,97 или даже 3,94 Гбайт/с. Основанные на флеш-памяти накопители благодаря своей многоканальной архитектуре могут задействовать столь быструю шину без особого труда, поэтому и получается, что скорость NVMe SSD при последовательных операциях оказывается в разы выше, чем у SATA SSD.
| Спецификация | SATA 3.0 | PCI Express 2.0 | PCI Express 3.0 | ||||
| Число линий | — | ×1 | ×2 | ×4 | ×1 | ×2 | ×4 |
| Полоса пропускания, Гбит/с | 6,0 | 5,0 | 10,0 | 20,0 | 8,0 | 16,0 | 32,0 |
| Кодирование | 8b/10b | 8b/10b | 8b/10b | 8b/10b | 128b/130b | 128b/130b | 128b/130b |
| Эффективная пропускная способность, Гбайт/с | 0,6 | 0,5 | 1,0 | 2,0 | 0,99 | 1,97 | 3,94 |
Однако первоначально переход SSD с SATA-интерфейса на NVMe задумывался не столько с целью увеличения пропускной способности, сколько для снижения латентностей и добавления в работу накопителей многопоточности. Открывшиеся при этом возможности масштабирования скоростей последовательного доступа стали лишь полезным дополнением. Главное же в NVMe то, что данный интерфейс конструктивно направлен на работу с накопителями, построенными на базе энергонезависимой памяти, то есть с такими, которые имеют многоканальную параллельную архитектуру с быстрым случайным доступом. И это кардинально отличает интерфейс NVMe от SATA – старого наследственного интерфейса, который пришёл в твердотельные накопители из жёстких дисков и потому совершенно не учитывает специфики внутреннего устройства носителей информации нового поколения.
В частности, используемый в SATA протокол AHCI строится вокруг обслуживания одной общей очереди команд и явным образом предполагает, что поступающие команды обрабатываются устройством с высоким временем доступа – накопителем на жёстких магнитных дисках. По этой причине в AHCI не заложено никакого параллелизма, ведь магнитные носители информации читают и записывают данные исключительно последовательно. Кроме того, поскольку даже самые лучшие HDD не могут предложить задержки меньше нескольких миллисекунд, в AHCI нет никаких оптимизаций для снижения латентностей. На фоне высокого времени доступа физического носителя накладные расходы протокола попросту не имеют никакого значения.
Всё это казалось вполне логичным и естественным для HDD, но, когда SATA-интерфейс пришёл в SSD, протокол AHCI сразу же стал неудобным и даже неуместным. Тем не менее, несмотря на имеющиеся серьёзные нарекания, отказаться от него на первом этапе оказалось невозможно как минимум из-за того, что никакого иного варианта в нужный момент попросту не нашлось. Но что ещё хуже, за то время, пока отрасль вырабатывала и внедряла подходящую альтернативу, SATA SSD смогли широко распространиться и утвердить наследственный интерфейс в роли общеупотребительного решения. Именно поэтому NVMe-накопителям пришлось пробивать дорогу на рынок с большими усилиями. К счастью, на сегодняшний день все препятствия преодолены: поддержка NVMe есть во всех современных платформах и операционных системах, а в продаже доступен широкий спектр потребительских моделей SSD, использующих этот интерфейс.
И в данный момент вопрос о том, накопитель с каким интерфейсом следует предпочесть для современной системы, возникать вообще не должен. NVMe не только выигрывает по пропускной способности, но и специально приспособлен для архитектуры SSD, позволяя минимизировать задержки при работе с данными. Основополагающих преимуществ в нём две. Во-первых, NVMe поддерживает многопоточность, позволяя формировать множественные очереди команд, которые могут обрабатываться многоканальным контроллером SSD в параллельном режиме. Во-вторых, соединяя процессор и носитель информации напрямую, без каких-либо посредников, NVMe-интерфейс приближает данные к точке их использования и убирает два ставших ненужными промежуточных звена: SATA-контроллер и транслятор SATA-команд, который преобразует принятые в протоколе AHCI обращения к секторам и дорожкам в запросы данных из страниц флеш-памяти.
| AHCI | NVMe | |
| Максимальная глубина очереди | 1 очередь 32 команды на очередь |
65536 очередей 65536 команд на очередь |
| Некешируемые доступы к регистрам (2000 циклов каждый) | 6 на команды вне очереди 9 на команды очереди |
2 на команду |
| MSI-X и управление прерываниями | Одно прерывание Управление отсутствует |
2048 MSI-X прерываний |
| Параллелизм и многопоточность | Требуется фиксация синхронизации для выдачи команды | Фиксация не требуется |
| Эффективность для 4K-команд | Требуется два серийных запроса DRAM | Требуется один 64-байтовый запрос DRAM |
Всё это положительно сказывается на задержках. Как показывает практика, предлагаемый NVMe-интерфейсом способ доступа к данным, который естественен для твердотельного накопителя, позволяет уменьшить накладные расходы чуть ли не вдвое. Это, в частности, открывает путь для создания накопителей с латентностью на уровне десятка микросекунд. И здесь мы приводим не гипотетическое рассуждение, такие NVMe-накопители известны: например, Intel Optane SSD или Samsung Z-SSD. Подобное качество обслуживания на базе SATA-интерфейса реализовать попросту невозможно.
| Типичный SATA SSD | Типичный NVMe SSD | |
| Скорость последовательных операций | До 550 Мбайт/с чтение До 500 Мбайт/с запись |
До 3500 Мбайт/с чтение До 2500 Мбайт/с запись |
| Скорость случайных операций | До 100K IOPS чтение До 90K IOPS запись |
До 400K IOPS чтение До 400K IOPS запись |
Если углубиться в технические подробности, то в NVMe можно увидеть массу полезных решений, которые делают этот интерфейс очень простым и отзывчивым. Например, передача наиболее типичных 4-килобайтных блоков в нём требует подачи лишь одной команды вместо двух в SATA. А весь набор управляющих инструкций упрощён настолько, что их обработка на уровне драйвера позволяет значительно уменьшить загрузку процессора и возникающие при этом задержки. Что же касается параллелизма и масштабируемости, то в NVMe предполагается возможность одновременного обслуживания до 65536 очередей, причём каждая из них может иметь глубину до 65536 команд. Конечно, для персональных компьютеров такая степень параллелизма невозможна, но при одновременной работе нескольких приложений, активно общающихся с накопителем, загрузка процессора благодаря NVMe может быть несколько понижена.
Таким образом, с точки зрения пользователя NVMe – это максимальная пропускная способность при линейном доступе, максимальная производительность при случайных операциях и минимальные задержки при обращениях к данным. А также некоторые дополнительные удобства вроде меньшей нагрузки на процессор и отсутствия падения производительности при многопоточных операциях с данными. Отказываться от всего этого нет никакого смысла, именно поэтому мы и решили вплотную заняться тестами NVMe SSD.
Вместе с появлением широкого спектра твердотельных накопителей, использующих NVMe-интерфейс, распространение получили новые форм-факторы SSD. И это закономерно, ведь NVMe требует иного подключения – они подсоединяются в систему не SATA-кабелем, а посредством шины PCI Express. Пока индустрия не пришла к единому мнению о том, как должны выглядеть NVMe-накопители, в продаже можно встретить три различных варианта исполнения таких продуктов: HHHL PCIe-карты расширения, M.2-модули и 2,5-дюймовые корпусные изделия формата U.2. Однако в любом случае NVMe-накопитель для транспорта данных использует шину PCI Express, а значит тип исполнения на скоростные характеристики не влияет. Просто разные форматы SSD могут быть удобны в различных ситуациях.
Самый очевидный вариант NVMe SSD, учитывая использование им шины PCI Express, это – стандартная плата расширения. HHHL (Half-Height, Half-Length – половинная высота, половинная длина) PCIe-платы накопителей подобно видеокарте устанавливаются в обычные слоты PCIe перпендикулярно материнской плате и имеют достаточно внушительные габаритные размеры — 167 × 111 мм. Минусы такого форм-фактора очевидны: накопители громоздки, требуют наличия свободных слотов и заведомо не могут быть использованы в компактных или мобильных системах. Однако есть и плюсы: они без каких-либо препятствий могут быть укомплектованы эффективным радиатором, который обеспечит для высокопроизводительного SSD необходимое охлаждение. Тем не менее, из-за накладываемых ограничений накопители в виде плат расширения постепенно отходят на второй план.
Ещё более редкий вид NVMe-накопителей – решения в форм-факторе U.2. Данный формат предполагает помещение NVMe SSD в привычный 2,5-дюймовый корпус, позволяющий в том числе легко монтировать накопители в стандартные корзины и обеспечивать функциональность «горячей замены». Но подключение при этом необходимо выполнять специальным PCIe-кабелем стандарта SFF-8639, а материнская плата должна располагать соответствующими разъёмами SFF-8643. Такой вариант реализации NVMe SSD в силу своей специфики больше характерен для серверов и в настольных компьютерах практически не используется.
Наиболее же популярен в NVMe SSD для персональных компьютеров формат M.2-модулей. Такие накопители выполнены в виде бескорпусных компактных дочерних карт с ножевым разъёмом, которые устанавливаются в специальный слот M.2 на материнской плате параллельно их поверхности. Типичный размер M.2-карты – 22 × 80 мм (существуют так же разновидности 22 × 42, 22 × 60 мм и 22 × 110 мм), то есть это – относительно миниатюрные изделия, которое могут находить применение не только в настольных компьютерах, но и, например, в тонких и лёгких ноутбуках. Любые системы, основанные на современных процессорах, в обязательном порядке снабжаются одним или несколькими слотами для M.2-накопителей, поэтому проблемы совместимости такого форм-фактора постепенно отходят на второй план.
Правда, необходимо иметь в виду, что в слот M.2 на материнской плате могут быть подведены не только необходимые для наиболее быстрых NVMe SSD четыре линии PCI Express 3.0, но и меньшее число линий или же линии более старого стандарта PCI Express 2.0. Более того, бывают слоты M.2 и с интерфейсом SATA, которые PCI Express-подключение вообще не поддерживают. Обычно это касается устаревших или ультрабюджетных конфигураций, но лишний раз проверить, совместима ли ваша система с NVMe-накопителями в формате M.2, требующими для своей работы четыре (или для некоторых моделей SSD – две) линии PCI Express 3.0, перед приобретением соответствующего SSD не помешает. Эту информацию можно получить на сайте производителя материнской платы или в руководстве пользователя.
Ещё один важный нюанс, который следует иметь в виду при использовании M.2 SSD, это – необходимость охлаждения. В быстродействующих NVMe SSD в компактном исполнении несколько тепловыделяющих компонентов сосредоточено на небольшой площади. Поэтому для нормальной работы таких изделий рекомендуется устанавливать радиаторы или организовывать дополнительный обдув M.2-модуля воздушным потоком. В противном случае накопители могут перегреваться и не выдавать ожидаемую производительность.
Тем не менее, мы рекомендуем пользоваться NVMe SSD именно в форм-факторе M.2. Во-первых, если говорить о высокопроизводительных моделях, такие накопители распространены сильнее всего. Ассортимент M.2 NVMe SSD по сравнению с NVMe-накопителями в других форм-факторах гораздо шире, и подобрать подходящий по сочетанию характеристик вариант куда проще. Во-вторых, M.2 NVMe SSD компактнее остальных вариантов: они не требуют никакого кабельного подключения и не изменяют габаритов сборки после своей установки. В-третьих, принять M.2 NVMe SSD сегодня готова практически любая современная настольная или мобильная система. Проблем совместимости с NVMe-накопителями в форм-факторе M.2 на данный момент меньше всего. Кроме того, для M.2 NVMe SSD есть большой выбор плат-переходников, которые позволяют устанавливать их не только в специализированные разъёмы, но и в стандартные слоты PCI Express на материнской плате.
⇡#Таблица характеристик протестированных SSD
В проведённом лабораторией 3DNews сводном тестировании приняло участие восемнадцать современных твердотельных накопителей с интерфейсом NVMe. Все они были выполнены в формате M.2-модулей, и все они имели объём в четверть терабайта, то есть от 240 до 256 Гбайт.
Краткий перечень протестированных моделей с их основными техническими характеристиками, взятыми из официальных источников, приводится в следующей таблице.
С более подробным описанием участников тестов можно ознакомиться на следующей странице обзора.
Источник: 3DNews
