PCI Express 4.0 インターフェイスを備えた SSD が必要な理由は何ですか? Seagate FireCuda 520を例に説明します。

今日は、当社の新製品の 520 つである Seagate FireCuda 4.0 SSD ドライブについてお話したいと思います。ただし、「このブランドのガジェットについて、また賞賛の声が上がった」と考えて、急いでフィードをさらにスクロールしないでください。資料を有益で興味深いものにします。 このカットでは、まずデバイス自体ではなく、デバイスが使用する PCIe XNUMX インターフェイスに焦点を当てます。 そして、それが何を期待できるのか、なぜそれが良いのか、誰に役立つ可能性があるのか​​を説明します。

正直に言うと、PCI Express 4.0 はそれほど新しいものではありません。 これをサポートする最初のデバイスが消費者市場に登場したのは昨年の夏でした。 この感謝の気持ちを AMD に伝えるべきです。PCI Express 4.0 を搭載したデバイスを受け入れることができる最初のプラットフォームを作成した会社であり、そのようなデバイス自体も製造した会社です。これらは RDNA アーキテクチャを備えた GPU ベースのグラフィックス カードです。

帯域幅の増加は常に大きな希望をもたらしますが、実際のところ、ビデオ カードは、より高速なインターフェイスに切り替えてもほとんどメリットが得られません。 少なくともゲーム負荷に関しては。 多数の独立したテストが示しているように、PCI Express 4.0 をサポートする最速のカード (主に Radeon RX 5700 XT) でさえ、新しい高速インターフェイスを使用する場合と従来の PCI Express 3.0 バスに接続する場合の両方で同じパフォーマンスを発揮します。

しかし、ソリッド ステート ドライブの場合はまったく別の問題になります。 線形負荷下で PCI Express 3.0 経由で動作する高性能 NVMe SSD (Seagate FireCuda 510 など) の動作速度は、インターフェイス帯域幅によって明らかに制限されます。 したがって、帯域幅制限の拡大は、新世代のディスク サブシステムの機能にプラスの影響を与えることは間違いありません。

十分な帯域幅が決して存在しないという事実の良い例は、私たちが PCI Express 4.0 をサポートする最初のデバイスについて話している間に、PCI Special Interest Group (PCI-SIG) がすでに PCI Express 5.0 仕様を承認しているという事実です。これは、最新のプロセッサが外部デバイスと通信する際に経由するインターフェイスの速度向上に向けてさらに一歩前進したものです。 しかし、これについてはまた今度、今日は PCI Express 4.0 が議題になっています。

PCI Express 4.0の何が良いのですか?

PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) 仕様は、グラフィックス アクセラレータ、オーディオ コントローラー、ネットワーク アダプター、そして最後に NVMe SSD などの拡張カードが、PC プラットフォームを構成する基盤コンポーネントと通信する方法を標準化します。 PCIe 仕様のバージョンが高くなるほど、提供されるスループットも高くなります。 さらに、PCIe スロットについて話すときは、仕様のバージョンに加えて、x1、x2、x4、x8、または x16 として指定されるレーンの数についても話します。 回線の数が増えると、バス拡張によりスループットが倍増するため、インターフェイスの速度特性を向上させるもう 2 つの広範な方法になります。 しかし、NVMe SSD について話す場合、このアプローチを NVMe SSD に適用するのは困難です。 コンパクトな M.16 フォーム ファクターで利用可能な PC SSD は XNUMX つまたは最大 XNUMX つのレーンを使用できますが、最大 XNUMX レーンのサポートはフルサイズの PCIe カードに限定されます。 このため、PCIe 標準の新しいバージョンの導入がパフォーマンス SSD 市場にとって重要なイベントと考えられています。

PCIe 仕様のすべてのバージョンには下位互換性があります。 PCIe 4.0 指向のドライブは、PCIe 3.0 のみをサポートするプラットフォームでも動作し、PCIe 4.0 スロットを備えたマザーボードには、PCIe 3.0 標準に従って動作するコンポーネントを簡単に取り付けることができます。 ただし、どちらの場合でも、システムは両方でサポートされている規格のジュニア バージョンである PCIe 3.0 速度で動作します。

PCIe 4.0 に含まれる主な革新は、単一回線の帯域幅が 4.0 倍になったことです。 発生した変化を数値的に見積もるにはさまざまなオプションがありますが、理論値とピーク値について言えば、PCIe 1,97 仕様では 3.0 回線で各方向の最大転送速度 0,98 GB/秒を想定していますが、PCIe XNUMX では最大速度は XNUMX GB/s に制限されました。 一部のソースでは XNUMX 倍の高い数値が見つかる場合がありますが、これは両方向の合計データ転送速度を示しているためです。

上で述べたように、実際にはこのようなインターフェイス速度の向上は、グラフィック カードにとってはあまり役に立ちません (というより、ほとんどまったく役に立ちません)。 同時に、7,88 つの PCIe レーンを介して動作する NVMe ドライブは、XNUMX レーンのバス全体で最大 XNUMX GB/秒 (理想的には) を供給できるため、パフォーマンス向上の余地が広がります。

PCIe 4.0 規格では、帯域幅の増加に加えて、他の革新的な機能も導入されています。 たとえば、消費電力を削減するための新機能や、デバイス仮想化のためのより広範な機能が含まれています。 しかし、開発者が進んでいた主な方向は依然として速度の向上であり、ほとんどすべてのことは主に速度の向上のために行われました。 たとえば、新しいバージョンのインターフェイスの多くの改善は、信号の完全性とその送信の信頼性を向上させることを目的としています。 言い換えれば、ほとんどの消費者にとって、PCIe 4.0 はより高い帯域幅を意味するだけであり、それ以上の意味はありません。

PCI Express 4.0 をサポートするプラットフォームについてはどうですか?

残念ながら、PCI Express 4.0 仕様自体は 2017 年に承認されたという事実にもかかわらず、市場にはそれをサポートする実際のプラットフォームがまだ多くありません。 つまり、新世代の高性能ソリッド ステート ドライブを使用したい場合は、ドライブ自体を見つけるだけでなく、その可能性を最大限に発揮できるプラットフォームの選択についても心配する必要があります。

実際のところ、新しい PCIe 4.0 インターフェイスはこれまでのところ AMD によってのみサポートされており、さらに断片的にのみサポートされています。 これは、Zen 2 アーキテクチャに基づいて構築されたプロセッサの一部、具体的にはデスクトップ Ryzen 3000 シリーズと高性能 Threadripper 3000 シリーズに実装されていますが、たとえば、モバイル Ryzen 4000 シリーズには実装されていません。 PCIe 4.0 サポートが第 4 世代 Threadripper の Socket sTR3000 マザーボードで利用可能な場合、Ryzen 4.0 プロセッサは、信号線が設計されている X570 チップセット上に構築されたマザーボードでのみ PCIe XNUMX ペリフェラルとフルスピード モードで通信できます。電気ノイズをシールドし最小限に抑えるための要件の増加を考慮しています。

ここでの良いニュースは、Ryzen 3000 の潜在的な所有者が、PCIe 4.0 グラフィックス カードとドライブをサポートする別のクラスの、より手頃な価格のマザーボードをすぐに入手できるようになるということです。 これらは新しい B550 チップセット上に構築され、今後 XNUMX ～ XNUMX か月以内にリリースされる予定です。

Intel プラットフォームに関しては、まだ PCIe 4.0 をまったくサポートしていません。 さらに、近い将来発売される Comet Lake-S デスクトップ プロセッサには、新しい LGA 1200 プロセッサ ソケットと新しい 4.0 シリーズ システム ロジック セットの両方が搭載されますが、PCIe 4.0 もサポートされません。 大規模な Intel デスクトップ システムについて話す場合、このインターフェイスのサポートは Rocket Lake プロセッサのリリースによってのみ現れる可能性がありますが、これは来年の初め頃になるでしょう。 しかし、このインターフェイスはもっと早くモバイル システムに導入される可能性があります。計画では、Tiger Lake プロセッサに対する PCIe 4.0 のサポートが宣言されており、その正式発表は今夏に行われる可能性があります。 さらに、今年も高性能 HEDT デスクトップが PCIe XNUMX に切り替わる可能性は排除できません。Intel がこのセグメントで Ice Lake-X (サーバー Ice Lake-SP の類似品) を提供することを決定すれば、これが可能になります。

その結果、PCIe 4.0 が中期的に普及するという事実にもかかわらず、現時点では高速 NVMe SSD の支持者にはプラットフォームを選択する際の選択肢がほとんどありません。 それらの中で最も明白なのは、Ryzen 4 プロセッサをベースにした Socket AM3000 システムと X570 チップセットをベースとしたマザーボードです。

PCI Express 4.0 を実行しているドライブの状況はどうですか?

店頭に並べられている PCIe 4.0 をサポートする NVMe SSD のラインナップを見ると、市場には新世代の高速ソリューションのさまざまなオプションがありすぎているように感じられるかもしれません。 しかし、実際には、この印象は欺瞞です。 PCIe 4.0 仕様は数年前から存在しているにもかかわらず、ハードウェア プラットフォームの開発者はまだ十分な数の代替品を量産段階に導入することができていません。

現在、SSD メーカーが自社製品に使用できる唯一のコントローラーは Phison PS5016-E16 です。 また、実際にはこのコントローラーは新世代の本格的な開発とは言えません。 これはむしろ、別の初期の PS5012-E12 チップに基づく過渡的なソリューションであり、外部バスを担当する機能ブロックが単純に置き換えられています。

エンドユーザーにとって、これは 4.0 つの意味があります。 まず、PCIe 4.0 をサポートする市販のすべての NVMe ドライブは、少なくともパフォーマンスに関しては、互いに大きな違いはありません。 また、特定の製品に対してより高い定格速度が突然宣言された場合、これはマーケティング担当者の狡猾さによるものであり、実際の利点によるものではない可能性が高くなります。なぜなら、最終的には両方の製品が同じコントローラを使用しているからです。 第二に、今日の PCIe 5016 ドライブは、新しいバスの全帯域幅をまだ活用できていません。Phison PS16-E5 チップによって約束されている最大速度は、リニア読み取りで 4,4 GB/s、レコードで XNUMX GB/s のレベルです。

上記から重要な結果が得られます。将来的には、PCI Express 仕様の次のバージョンに移行しなくても、NVMe SSD のパフォーマンスがさらに飛躍する可能性があります。 PCIe 4.0 の機能に合わせて再設計されたコアを備えた新しいコントローラーが登場するのを待つだけです。 そして、そのようなソリューションはすでに開発されています。 同様の製品の登場は少なくともサムスンから予想されており、さらに、独立したエンジニアリング チームも、より高度なコントローラの開発に取り組んでいます。Phison (PS5018-E18)、Silicon Motion (SM2267)、Marvell (88SS1321)、さらにはあまり良くないコントローラです。 -有名な会社 Innogrit (IG5236)。

唯一の問題は、この素晴らしいすべてがすぐには現れないかもしれないということです。 コントローラーの開発は長いプロセスであり、ファームウェアの準備中や検証中の最終段階で重大な遅延が発生することがよくあります。 さらに、業界全体がコロナウイルスのパンデミックによって大きな影響を受けており、そのため新製品のリリースが延期されています。

言い換えれば、より良いものが見つかるまで長い時間待つこともできますが、ディスク サブシステムのより高いパフォーマンスが今必要な場合は、すでに利用可能なもの、つまり Phison PS5016-E16 コントローラー上のドライブに固執するのが合理的です。 4.0 つの PCIe 750 レーンの全帯域幅を選択するわけではありませんが、小ブロック操作ではかなり優れたパフォーマンスを誇り、開発者によると 32 万 IOPS に達します。 これは、デュアルコア 5 ビット ARM Cortex R2.0 プロセッサをベースにしたコントローラーの設計と、動的 SLC キャッシュおよび CoXProcessor XNUMX テクノロジー (一般的な操作チェーンのハードウェア アクセラレーション) という一連の独自のトリックの両方によって保証されます。

Seagate FireCuda 520を選ぶ理由?

PCIe 4.0 をサポートする既存のコンシューマ NVMe ドライブはすべて、同じ基盤、Phison PS5016-E16 コントローラー上に構築されていると上で述べました。 ただし、これは、店頭で最初に見つけた PCIe 4.0 SSD を手に取るのが良いという意味ではありません。 ここでは、Seagate FireCuda 520 に注目することをお勧めしますが、この記事は Seagate 企業ブログで読んでいるので、まったく注意する必要はありません。

悪魔は細部に宿っており、理解し始めると、Seagate FireCuda 520 は、同じ Phison PS5016-E16 チップをベースにした多くの代替製品よりも魅力的であることが判明するかもしれません。 これにはいくつかの理由がありますが、それらはすべて、FireCuda 520 に搭載されているフラッシュ メモリという XNUMX つのことに集約されます。

公式には、Phison PS5016-E16 コントローラーを備えたすべてのドライブは、同じフラッシュ メモリー、キオクシア (旧東芝メモリ) 製の 96 層 BiCS4 (TLC 3D NAND) を使用します。 ただし、実際のメモリは異なる場合があります。 特定のメーカーがどのような優先順位を選択したかに応じて、メモリの品質はまったく異なる段階に分類される可能性があります。 たとえば、サード ティア企業の製品には、「メディア」目的のフラッシュ メモリがよく見られます。これは一般的に、フラッシュ ドライブやメモリ カードを対象としていますが、SSD を対象としていません。

Seagate ドライブでは、これは完全に不可能です。 同社はフラッシュメモリを公開市場で購入していないが、キオクシアと長期直接契約を結んでいるが、この契約は東芝がメモリ生産を廃止しようとしていた時期に締結されたものだ。 このおかげで、私たちは NAND チップを直接入手し、最高品質のシリコンにアクセスできるようになりました。

これは必然的に信頼性パラメータに反映されます。 Seagate FireCuda 520 シリーズの代表製品には 1800 年間の保証が付いており、インストールされたリソースにより、ドライブの全容量を 970 回、つまり平均 XNUMX 日に XNUMX 回上書きできます。 これらは非常に高い耐久性の指標であり、これによると、たとえば Seagate の製品は最も人気のある Samsung XNUMX EVO Plus よりも XNUMX 倍優れています。

次に、Seagate FireCuda 520 が外側からどのように見えるかを示します。 これは、両側にチップが配置された従来の 2 フォームファクタの M.2280 ボードです。

PCIe 4.0 をサポートするマザーボードのほぼ 2% が M.XNUMX スロット用に独自の冷却システムを備えているため、他のメーカーが自社のドライブに追加するような特別な冷却対策はここでは提供されていません。

それ以外の点では、このドライブは Phison PS5016-E16 コントローラをベースにした他の製品と似ていますが、コントローラ チップに Seagate のマークが付いているという顕著な違いがあります。 これは、FireCuda 520 のコントローラーも一般市場で購入されたものではなく、特注で作られたためです。 ただし、これはエンド ユーザーにとってあまり意味がありません。本当に重要なのは、Seagate ドライブを同様のハードウェアを備えた他の SSD と区別する特定の最適化を含む、修正されたファームウェアを使用することです。

マイクロプログラムがコントローラーの速度特性を大きく変える可能性は低いことは明らかですが、それによって何らかの変化が可能になります。 たとえば、FireCuda 520 は動的 SLC キャッシュの実装を誇っていますが、以前にリリースされた Phison コントローラに基づくドライブではかなり制限されたサイズの静的 SLC キャッシュが使用されていました。 新しいアプローチにより、FireCuda 520 に大量の情報を高速で記録できるようになります。

動作は非常に簡単です。ドライブに入力されるデータはすべて、非常に高速な 520 ビット SLC モードで TLC フラッシュ メモリに書き込まれます。 この方法で使用されたセルは、後でユーザーがドライブにアクセスしなくなったとき、または書き込みプロセス中にクリーン セルのプールが使い果たされた場合に必要に応じて TLC 状態に転送されます。 言い換えれば、FireCuda XNUMX の空き領域の XNUMX 分の XNUMX は最大速度で継続的に埋めることができますが、そうするとパフォーマンスが低下します。 ただし、少し待てば、残りの空き領域の XNUMX 分の XNUMX が再び高速モードで使用できるようになります。

たとえば、容量 520 TB の FireCuda 2 でのブランクまでのリニア録画のグラフは次のとおりです。

最初の 667 GB では、記録は 4,1 GB/s の速度で実行され、その後速度は 0,53 GB/s に急激に低下しますが、ドライブの通常の使用ではそのような動作は発生しないことを理解する必要があります。これには、必要があります。膨大な量の情報を長期間継続的に記録します。

FireCuda 520は、ファームウェアに加えて、バンドルされているソフトウェアも興味深いものです。 独自の SeaTools SSD ユーティリティは、サードパーティ プログラムよりも SSD のステータスを監視するのにはるかに便利です。 さらに、ファームウェアの更新、パフォーマンスのテスト、および高度な診断や安全な消去などの追加操作の実行が可能になります。

また、FireCuda 520 の所有者は、Seagate Web サイトから DiscWizard プログラムをダウンロードして、以前のディスク ドライブからスムーズに移行し、すべてのデータとオペレーティング システムを転送できることにも言及する価値があります。

そしてそれは本当に速いのでしょうか？

PCI Express 4.0 インターフェイスとそのサポートを備えたドライブの利点についてこれまで述べてきたことを、いくつかの実際的な結果で裏付ける必要があります。 FireCuda 520 は前世代のドライブでは実現できない、著しく高いパフォーマンスを備えているため、これは特に難しいことではありません。 Phison PS5016-E16 コントローラには、依然として PCIe 4.0 の全帯域幅を利用していないという事実による十分な根拠のある不満があるという事実にもかかわらず、Seagate FireCuda 520 の速度パフォーマンスは、明らかに、Seagate FireCuda 3.0 のドライブの速度パフォーマンスよりも優れています。 PCIeXNUMX。

次の表は、Seagate FireCuda 520 の特性と、PCIe 510 x3.0 インターフェイス用に設計された Seagate の以前の主力 NVMe SSD モデルである FireCuda 4 の特性を比較しています。 たとえば、比較は容量が 2 TB の最も大容量で最速の SSD オプションに限定されていますが、他の容量の変更を比較しても、状況はほぼ同じになります。

ただし、パスポートの特徴と実際の生活は別です。 したがって、単純にこれら 520 つのドライブ (FireCuda 2 510 TB と FireCuda 2 XNUMX TB) を使用してテストで比較しました。

FireCuda 520 2TB

FireCuda 510 2TB

CrystalDiskMark の結果にはコメントが必要です。 新しい PCIe 4.0 SSD は、線形速度の点で以前のものよりも著しく高速であることが判明しました。その利点は、サイズがほぼ 520 倍に達し、深いリクエスト キューと最小限のリクエスト キューの両方で確認できます。 FireCuda 520 は、小ブロック操作において Seagate NVMe SSD の前のバージョンよりも優れていますが、ここでは同様の目覚ましい進歩は観察されません。すべては、コントローラーのロジックが同じままであるという事実に帰着します。 そのため、FireCuda 4.0 は主にシーケンシャルなワークロード下で威力を発揮します。 任意の小さなブロックの操作に関しては、PCI Express XNUMX インターフェイスでは、当然のことながら、フラッシュ メモリ ドライブからの Optane と同様の操作は実行できません。

しかし、高速リニア動作が FireCuda 520 の非常に強力な資産であるという事実は否定できません。 これは、ATTO ディスク ベンチマークの結果でより詳細に確認できます。データ交換に使用されるブロックが 128 KB 以上のボリュームになると、理論上でも FireCuda 520 に追いつくことができなくなります (Optane でさえも追いつくことはできません)。これは可能です）、データ交換速度が PCIe 3.0 x4 インターフェイスの帯域幅によって設定される制限を超えるためです。

FireCuda 520 2TB

FireCuda 510 2TB

総合テストでは、すべてが納得以上の結果をもたらしますが、実際の生活ではどうなのでしょうか? PCMark 10 はこの質問に答えることができます。PCMark XNUMX には、ユーザーの日常作業中のドライブへの典型的な負荷を再現するシナリオが含まれています。

この場合、FireCuda 520 は前世代よりも最大 30% 高速です。 さらに、この利点は、ディスク操作の速度の向上だけでなく、ディスク サブシステムの応答時間の顕著な短縮としても表れます。 このパターンは、SSD を唯一のユニバーサル ドライブとして使用する場合に見られます (フル システム ドライブ ベンチマークを参照)。 また、SSD が OS とソフトウェアがインストールされるシステム ドライブの役割だけを担う場合 (クイック システム ドライブ ベンチマークを参照)。 また、SSD が「ファイル ダンプ」として使用される場合でも (データ ドライブ ベンチマークを参照)、率直に言って、これが起こることは非常にまれです。

FireCuda 520 の速度の利点は、ファイルを通常にコピーするときに簡単にわかります。 以下の図は、ドライブ内の合計ボリュームが約 20 GB で、さまざまなファイルを含む作業ディレクトリをコピーしたときの DiskBench テストの結果を示しています。 もちろん、ここでは合成テストのような増加は観察されませんが、PCIe 25 への移行により、疑いもなくさらに 30 ～ 4.0% のパフォーマンスが向上します。

さまざまな目的で、PCIe 4.0 ドライブによりゲーム アプリケーションのロードがどの程度高速になるかを確認することもできます。 例として、以下は Final Fantasy XIV StormBlood のレベルのロード時間です (この特定のゲームを選択したのは、ゲームに組み込まれている便利な監視ツールによるものです)。 ここで、FireCuda 520 が FireCuda 510 に対して提供する利点は XNUMX 秒強であり、それほど重要ではありませんが、それでも顕著です。

しかし、ワークステーション特有の負荷の下では、よく言われるように、PCI Express 4.0 は必須です。 実際、プロのコンテンツ作成を目的としたコンピュータには、非常に強力なマルチコア プロセッサと高速メモリが搭載されています。 この場合、ディスクサブシステムにシステムのボトルネックが発生しやすくなります。 たとえば、多くのビデオ専門家は以前は SSD ドライブから RAID アレイを構築することを好んでいましたが、現在は単体で 520GB/s を超える速度でデータを処理する FireCuda 4 でニーズを満たすことができます。

これらの議論はすべて、最新のインターフェイスを備えたドライブの重要性を明確に示している SPECworkstation 3 テストの結果によって簡単に裏付けることができます。FireCuda 520 は、FireCuda 22 と比較して平均 510% 高速に、専門的な重いディスク負荷シナリオに対処します。 。

ただし、一般的な操作指標 (ソフトウェア開発時だけでなく、アーカイブやコピー時のファイル操作の通常の速度) と製品開発 (CAD/CAD システムでの作業速度および計算流体を解くときの速度を示します) には特別な注意を払う必要があります。ダイナミクスの問題)。 ここでは、FireCuda 520 に内在する可能性が特に説得力をもって明らかにされます。

サマリー

ここに挙げた例は、リソースを大量に消費するタスクを解決する際に、PCIe 4.0 ドライブが実際に高いパフォーマンスと優れた応答性を実現できることに疑いの余地を残すのに十分です。 したがって、マルチコア AMD Ryzen 3000 または Threadripper 3000 プロセッサ上で高性能システムを構築する場合、最新の NVMe SSD の使用を無視すべきではありません。 ここでは Seagate FireCuda 520 が適切な選択肢になるかもしれません。現時点では、これより速いものは間違いなく店頭にありません。

当然のことながら、PCIe 4.0 ドライブの価格は同じ FireCuda 510 よりも少し高くなりますが、その理由はよく理解されています。 そして最も重要なことは、FireCuda 520 の価格がかなりの市場価格であるということです。この SSD の価格は、サード ティア メーカーの代替 PCIe 4.0 ドライブとほぼ同じです。

テスト プラットフォームについて一言: パフォーマンス テストは、ASRock X9 Creator マザーボードをベースにし、3900GB DDR570-16 SDRAM (4-3200-16-16) を搭載した Ryzen 16 32X ベースのシステムで実行されました。 オペレーティング システム Windows 10 Professional 1909 (標準 NVMe ドライバー搭載) 標準 NVM Express コントローラー 10.0.18362.1。

出所： habr.com