Как стать автором
Обновить
172.85
Рейтинг

Обновленные WD Black NVMe: на что действительно способна 3D NAND?

Блог компании Western Digital Высокая производительность *Хранение данных *Хранилища данных *Накопители

По меркам рынка компьютерных комплектующих Western Digital начала осваивать сегмент твердотельных накопителей сравнительно недавно: если опустить первые попытки в виде Silicon Edge Blue (2009 год) и гибридного WD Black SSHD (2013), то отправной точкой можно назвать 11 октября 2016 года, когда состоялся анонс линейки SATA-дисков WD Green и Blue SSD, а чуть позднее вышли высокоскоростные WD Black NVMe SSD, ориентированные на энтузиастов. С тех пор прошло 2 года. За это время мы перепрофилировали производственные мощности на выпуск инновационной 3D NAND, лишенной ряда недостатков планарной флэш-памяти, и обновили модельный ряд SSD-накопителей. «Черная» серия также эволюционировала: 4 июня 2018 года мы представили новое поколение WD Black 3D NVMe SSD. Какие же выгоды обеспечил переход на новый техпроцесс и чем NVMe-устройства отличаются от SATA?

WD Black 3D NVMe SSD наглядно продемонстрировали все преимущества новой архитектуры чипов флэш-памяти и переработанного контроллера, позволивших существенно повысить производительность накопителей, о чем красноречиво свидетельствует приведенная ниже таблица.

Сравнение производительности WD Black NVMe SSD первого и второго поколений на примере 500-гигабайтных моделей

Модельный номер


WDS512G1X0C


WDS500G2X0C


Форм-фактор


M.2 2280


Интерфейс


PCI Express 3.0 x4 – NVMe


Чипы памяти


SanDisk 15-нм 128-Гбит TLC NAND


SanDisk 64-слойная 256-Гбит BiCS3 3D TLC NAND


Контроллер


Marvell 88SS1093


SanDisk 20-82-007011


Буфер


LPDDR3-1600, 512 Мбайт


DDR4-2400, 512 Мбайт


Скорость последовательного чтения, МБ/с


2050


3400


Скорость последовательной записи, МБ/с


700


2500


Скорость произвольного чтения (блоки по 4 Кбайт), IOPS


170 000


410 000


Скорость произвольной записи (блоки по 4 Кбайт), IOPS


130 000


330 000


Ресурс записи, ТБ


160


300


Как видно, переход на новый техпроцесс обеспечил практически 40% прирост производительности по чтению, четырехкратный — по записи и случайным операциям, а рабочий ресурс изделий возрос практически вдвое, что, безусловно, придется по вкусу контентмейкерам и геймерам. Кстати, специально для самых хардкорных игроков и тех, чья работа связана с обработкой видео, мы выпустили терабайтный флагман, способный похвастаться уже 500 тысячами IOPS при чтении и 400 000 — при записи!

Результаты действительно впечатляющие, и тем более странно выглядит ситуация с SATA-версиями твердотельных накопителей. Наверняка те, кто следил за развитием технологии 3D NAND, испытал разочарование, ознакомившись с цифрами:

  • скорость последовательного чтения — 560 МБ/с против 545 ранее;
  • скорость последовательной записи — 530 МБ/с против 525;
  • скорость произвольного чтения — 95000 IOPS против 100000;
  • скорость произвольной записи — 84000 IOPS против 80000.

Вызывает замешательство, не так ли? При прочих равных, в случае с SATA производительность осталась практически на неизменном уровне, но в чем же тогда был смысл модернизации? Вкратце — в увеличении объема в прежнем форм-факторе, а также повышении отказоустойчивости накопителей, о чем мы подробно писали в одном из предыдущих материалов, посвященных 3D NAND. Что же касается скоростных показателей, то увы — здесь все упирается в особенности самого интерфейса, которые попросту не позволяют раскрыть весь потенциал технологии. Подробнее об этом мы и поговорим сегодня.

Несколько слов о SATA, AHCI и NVMe


Давным-давно, несколько десятилетий назад, винчестеры для персональных компьютеров использовали интерфейс ST-506/412, получивший свое название в честь первого 5.25-дюймового жесткого диска.


Первый 5.25-дюймовый жесткий диск Seagate ST-506

Главная его особенность заключалась в том, что плата самого HDD содержала лишь модули управления двигателем, актуатором и коммутатором головок, а также аналоговой обработки — все остальное располагалось в контроллере самого PC. Такой подход был достаточно дешев в реализации, однако уже тогда пропускная способность интерфейса оказалась ниже, чем потенциально могли обеспечить первые персональные компьютеры. Но в те времена торопиться было некуда, а по соотношению цены и качества все всех устраивало.

Однако прогресс не стоял на месте, а потребности частных и коммерческих пользователей неумолимо росли. Ни прежняя производительность, ни количество устройств (ST-506/412 позволял подключать лишь два диска) уже никого не могли удовлетворить, и разработчики стали искать альтернативу. Так появился ATA, который на долгие годы стал стандартом для всех ПК, чему в немалой степени способствовало расширение ATAPI, по сути представлявшее собой реализацию набора стандартов SCSI, применяющихся в высокопроизводительных серверах.

Через несколько лет параллельный интерфейс уперся в потолок 133 МБ/с. О себе давала знать и унаследованная от вышеупомянутого ST-506/412 особенность: на один канал подключалась пара дисковых устройства, нивелировать взаимное влияние которых друг на друга оказалось попросту невозможным. Так появился SATA, пропускная способность которого возросла до 150 МБ/с с возможностью дальнейшего наращивания, а благодаря использованию звездообразной топологии, каждый канал стал независимым.

По большому счету, именно топология являлась главным козырем, так как для медленных винчестеров того времени даже полторы сотни мегабайт были избыточными. Чтобы повысить их производительность, необходимо было оптимизировать запросы чтения/записи и минимизировать количество перемещений блока головок. И тут как нельзя кстати пришелся Advanced Host Controller Interface (AHCI) с поддержкой технологии Native Command Queuing (NCQ), то есть, аппаратной установкой очередности команд. Настоящего параллелизма здесь, конечно же, нет: хотя NCQ умеет принимать запросы из нескольких источников одновременно, их дальнейшая реорганизация осуществляется в пределах одной очереди, помогая лишь сократить количество перемещений пишущих головок и период ожидания нужного сектора на треке. С другой стороны, большего и не требовалось, ведь магнитная головка может находиться в каждый определенный момент времени лишь над одним конкретным цилиндром.

С появлением твердотельных накопителей ситуация изменилась с точностью до наоборот. Для SSD даже SATA III оказался тесен, и только разработка нового протокола помогла изменить ситуацию. Кардинально: если AHCI поддерживал лишь одну очередь глубиной 32 запроса, то представленный в августе 2012 года Non-Volatile Memory Host Controller Interface (NVMe) умел обрабатывать уже 65536 очередей глубиной 65536 каждая (то есть, 64К) и использовать многоядерные процессоры. Также добавилась оптимизация задержки прерываний, обеспечивающая практически полуторакратный выигрыш производительности.


Сравнение задержек операций чтения/записи между SAS, SATA и NVMe

Впрочем, NVMe — лишь инструмент, и сам по себе не смог бы обеспечить столь впечатляющих результатов без должной аппаратной поддержки.

Раскрыть потенциал: на что способны новые контроллеры?


Выбирая контроллеры для обновленной линейки WD Black SSD, мы пришли к неутешительному выводу: решения, предлагаемые Marvell, которые использовались ранее, равно как и продукция их конкурентов, попросту не отвечают нашим текущим потребностям. Единственным правильным шагом в данной ситуации стало создание собственных микроконтроллеров, благодаря чему мы получили, во-первых, полную независимость от сторонних разработчиков, а во-вторых — возможность тонко оптимизировать аппаратную платформу под особенности конкретных модификаций накопителей.


Операции распределены между вычислительными блоками

Так появился SanDisk 20-82-007011, в основу которого лег 28-нанометровый трехъядерный процессор на ARM Cortex-R, уже заметно превосходящий по мощности Marvell Eldora, задействованный ранее. Главным же новшеством стала передача части операций, обрабатываемых на программном уровне, специализированным вычислительным блокам: к таковым, например, относится чтение данных из флэш-памяти, обработка NVMe-команд, а также LDPC-кодирование. Последнее, к слову, стало трехуровневым и обрело эшелонированный характер. На практике это означает, что наиболее подходящий алгоритм подбирается исходя из степени износа ячеек памяти. Новый, только что установленный в компьютер WD Black 3D NAND SSD будет использовать облегченный вариант коррекции ошибок, отличающийся быстротой выполнения и минимальными затратами энергии. Напротив, когда ресурс флэш-памяти станет подходить к концу, в дело вступят более ресурсоемкие сценарии которые, хоть и замедлят чтение/запись, позволят предотвратить утрату ценной информации, при этом максимально продлив срок службы SSD.


Сценарий ECC подбирается в зависимости от состояния флэш-памяти

Сам контроллер поддерживает новейший протокол NVM Express 1.3, при этом в нем реализовано 4 линии PCI-E 3.0, а передача информации осуществляется по восьми каналам, так что проблем с пропускной способностью не возникает.

Мы поработали и над устранением еще одного «бутылочного горлышка», в роли которого выступал кэш. Как и ранее, здесь присутствует промежуточный SLC-буфер, однако фирменный алгоритм nCache 3.0 теперь научился переходить в режим direct-to-TLC и записывать данные напрямую в TLC-память. Что же это значит? Вы, как и раньше, пользуетесь всеми преимуществами скоростного кэша, однако если буфер переполнится, драматического падения производительности не произойдет, так как информация будет сбрасываться в память напрямую, минуя кэш. При этом в высокоскоростном SLC-режиме WD Black NVMe демонстрирует впечатляющие 2.4 ГБ/с последовательной записи, а прямая запись в TLC-память осуществляется на скорости 840 МБ/с, что более, чем в 2 раза быстрее по сравнению с предыдущей модификацией. Объем же кэш-памяти остался прежним, что позволило удешевить само устройство.


Динамика изменения производительности по мере заполнения кэш-памяти

Таким образом WD Black NVMe SSD получились действительно сбалансированными: обновленная аппаратная платформа идеально дополняет чипы 3D NAND, полностью раскрывая их потенциал. В сухом остатке имеем по-настоящему надежное решение, ориентированное на тех, кому рамки SATA кажутся слишком узкими, демонстрирующее достойные показатели производительности и способное потягаться за пальму первенства с большинством эталонных моделей в потребительском сегменте благодаря наилучшему соотношению цены и качества.

Автор: Наталья Хлудова
Теги:
Хабы:
Всего голосов 13: ↑12 и ↓1 +11
Просмотры 9.7K
Комментарии Комментарии 32

Информация

Дата основания
Местоположение
США
Сайт
www.wdc.com
Численность
501–1 000 человек
Дата регистрации