Сьогодні ми хочемо розповісти про один з наших нових продуктів - SSD-накопичувачі Seagate FireCuda 520. Але не поспішайте гортати стрічку далі з думками "ну ось, черговий хвалебний огляд гаджета від бренду" - матеріал ми постаралися зробити корисним і цікавим. Під катом ми перш за все сфокусуємося не на самому пристрої, а на інтерфейсі PCIe 4.0, який використовується. І розповімо, що від нього чекати, чим він добрий і кому може бути потенційно корисним.
Будемо чесні: стандарт PCI Express 4.0 – це не така вже новинка. На споживчому ринку перші пристрої за його підтримкою з'явилися ще влітку минулого року. Дякуємо за це слід сказати компанії AMD: саме вона створила перші платформи, які здатні приймати пристрої з PCI Express 4.0, а також зробила такі пристрої сама – це графічні карти на базі GPU з архітектурою RDNA.
Збільшення пропускної спроможності завжди народжує великі надії, але, як виявилося, відеокарти майже не одержують виграшу від переходу на більш швидкісний інтерфейс. Принаймні якщо говорити про ігрові навантаження. Як показали численні незалежні тести, навіть найшвидші карти з підтримкою PCI Express 4.0, в першу чергу, Radeon RX 5700 XT, працюють однаково як при використанні нового та швидкого інтерфейсу, так і під'єднаними до класичної шини PCI Express 3.0.
Але з твердотілими накопичувачами – зовсім інша справа. Швидкість роботи продуктивних NVMe SSD, що працюють через PCI Express 3.0 (наприклад Seagate FireCuda 510), при лінійних навантаженнях явно впирається в пропускну здатність інтерфейсу. Тому розширення рамок лінії пропускання просто має позитивно позначатися на можливостях дискових підсистем нового покоління.
Хорошою ілюстрацією того, що пропускну здатність мало не буває, виступає той факт, що поки ми говоримо про перші пристрої з підтримкою PCI Express 4.0, комітет PCI Special Interest Group (PCI-SIG) вже затвердив специфікацію PCI Express 5.0, яка робить ще один крок у бік збільшення швидкостей інтерфейсів, якими сучасні процесори пов'язуються із зовнішніми пристроями. Але про це якось іншим разом, сьогодні на порядку денному стоїть саме PCI Express 4.0.
Що хорошого у PCI Express 4.0?
Специфікація PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) стандартизує те, як карти розширення, такі як графічні прискорювачі, звукові контролери, мережні адаптери та, нарешті, NVMe SSD, зв'язуються з базовими компонентами, що становлять платформу ПК. Чим вища версія специфікації PCIe, тим більшу пропускну здатність вона забезпечує. Крім того, коли мова заходить про слоти PCIe, крім версії специфікації говорять також про кількість ліній, що позначається як x1, x2, x4, x8 або x16. Більше ліній теж дає кратно вищу пропускну здатність рахунок розширення шини і є ще одне, екстенсивний шлях поліпшення швидкісних показників інтерфейсу. Але якщо говорити про NVMe SSD, то в них такий підхід застосовувати важко. Твердотільні накопичувачі для ПК, що випускаються в компактному форм-факторі M.2, можуть використовувати дві або максимум чотири лінії, в той час як підтримкою до 16 ліній можна наділити лише повнорозмірні карти для слотів PCIe. Саме тому впровадження нових версій стандарту PCIe вважається ключовою подією для ринку продуктивних SSD.
Всі версії специфікації PCIe мають зворотну сумісність. Накопичувачі, орієнтовані на PCIe 4.0, можуть працювати і в тих платформах, де підтримується лише PCIe 3.0, а материнські плати зі слотами PCIe 4.0 можна безперешкодно встановити компоненти, які працюють відповідно до стандарту PCIe 3.0. Однак як у тому, так і в іншому випадку система працюватиме зі швидкостями PCIe 3.0 – молодшого варіанта стандарту, що підтримується на обох сторонах.
Головним нововведенням, закладеним у PCIe 4.0, виступає збільшена вдвічі пропускна спроможність однієї лінії. Існують різні варіанти чисельних оцінок змін, але якщо говорити про теоретичні та пікові значення, то специфікація PCIe 4.0 передбачає максимальну швидкість передачі 1,97 Гбайт/с по одній лінії в кожному напрямку, в той час як у PCIe 3.0 гранична швидкість була обмежена величиною 0,98 Гбайт/с. У деяких джерелах ви можете зустріти вдвічі більш високі показники, але це пов'язано з тим, що в них вказується сумарна швидкість передачі даних в обох напрямках.
Як ми говорили вище, такий приріст швидкості інтерфейсу на практиці не надто корисний (а точніше, майже недаремний) для графічних карт. У той же час NVMe-накопичувачі, що працюють через чотири лінії PCIe, одержують можливість прокачувати по шині з чотирьох ліній до 7,88 Гбайт/с (в ідеальному випадку), що відкриває перед ними широкий простір для покращення характеристик.
Крім збільшення пропускної спроможності стандарт PCIe 4.0 передбачає інші нововведення. Наприклад, у ньому закладено нові можливості зниження енергоспоживання, і навіть розгалужені функції віртуалізації пристроїв. Але основний напрямок, в якому рухалися розробники - це все-таки зростання швидкостей, і майже все було зроблено насамперед заради нього. Наприклад, ціла низка удосконалень у новій версії інтерфейсу спрямована на покращення цілісності сигналів та надійності їх передачі. Іншими словами, більшість споживачів PCIe 4.0 має на увазі більш високу пропускну здатність і нічого більше.
Що з платформами із підтримкою PCI Express 4.0?
На жаль, незважаючи на те, що сама по собі специфікація PCI Express 4.0 була затверджена ще в 2017 році, реальних платформ з її підтримкою на ринку досі не так багато. А це означає, що якщо ви захочете скористатися високопродуктивним твердотілим накопичувачем нового покоління, вам доведеться перейматися не тільки пошуком такого накопичувача, але і зайнятися підбором платформи, яка зможе повною мірою розкрити його потенціал.
Справа в тому, що новий інтерфейс PCIe 4.0 поки підтримала тільки компанія AMD, та й то лише фрагментарно. Він реалізований в частині її процесорів, побудованих на архітектурі Zen 2, а конкретніше, в настільних Ryzen серії 3000 і високопродуктивних Threadripper серії 3000, але, наприклад, не в мобільних Ryzen серії 4000. При цьому якщо підтримка PCIe 4.0 є в будь-якій Socket sTR4 -материнської плати для Threadripper третього покоління, процесори Ryzen 3000 зможуть взаємодіяти з PCIe 4.0-периферією в повношвидкісному режимі тільки в материнських платах, побудованих на базі набору логіки X570, де сигнальні лінії спроектовані з урахуванням збільшених вимог до екранування.
Хороша новина тут полягає в тому, що потенційні власники Ryzen 3000 незабаром зможуть отримати в своє розпорядження ще один клас доступніших материнських плат із підтримкою PCIe 4.0-відеокарт та накопичувачів. Вони будуть побудовані на новому наборі системної логіки B550, який має вийти протягом найближчої кількох місяців.
Що ж до платформ компанії Intel, то в них підтримки PCIe 4.0 поки немає взагалі. Більше того, настільні процесори Comet Lake-S, що виходять найближчим часом, які приведуть з собою і новий процесорний роз'єм LGA 1200, і нові набори системної логіки чотирисотої серії, PCIe 4.0 теж не отримають. Якщо говорити про масові десктопні системи Intel, то підтримка цього інтерфейсу може з'явитися лише з виходом процесорів Rocket Lake, але це станеться приблизно на початку наступного року. Зате до мобільних систем цей інтерфейс може потрапити раніше: у планах підтримка PCIe 4.0 декларується для процесорів Tiger Lake, формальний анонс яких може відбутися цього літа. Крім того, не можна виключати, що високопродуктивні робочі десктопи класу HEDT перейдуть на PCIe 4.0 теж цього року: це стане можливим, якщо Intel вирішить запропонувати в цьому сегменті Ice Lake-X - аналоги серверних Ice Lake-SP.
У результаті, незважаючи на те, що PCIe 4.0 у середньостроковій перспективі набуде широкого поширення, прямо зараз у прихильників швидких NVMe SSD варіантів для вибору платформи не так багато. Найочевидніший із них – Socket AM4-система на базі процесора Ryzen 3000 та материнської плати на чіпсеті X570.
Як справи з накопичувачами під PCI Express 4.0?
Якщо подивитися на асортимент NVMe SSD з підтримкою PCIe 4.0, який представлений на прилавках магазинів, може скластися відчуття, що ринок переповнений різними варіантами швидкісних рішень нового покоління. Однак насправді це враження оманливе. Незважаючи на те, що специфікація PCIe 4.0 існує кілька років, розробники апаратних платформ поки що не встигли довести до стадії масового виробництва достатню кількість альтернатив.
Єдиний контролер, який зараз виробники SSD можуть використовувати для своєї продукції, це Phison PS5016-E16. Причому насправді цей контролер не можна назвати повноцінною розробкою нового покоління. Це швидше за перехідне рішення, засноване на іншому, більш ранньому чіпі PS5012-E12, в якому просто замінили функціональний блок, що відповідає за зовнішню шину.
Для кінцевого користувача це дві речі. По-перше, всі представлені на ринку NVMe-накопичувачі з підтримкою PCIe 4.0 відрізняються один від одного не надто сильно, принаймні якщо говорити про продуктивність. І якщо ви бачите, що для якогось продукту раптом заявлені вищі паспортні швидкості, пов'язано це швидше за все з хитрістю маркетологів, а не з реальними перевагами, адже в кінцевому підсумку в обох виробах використовується один і той же контролер. По-друге, сьогоднішні PCIe 4.0-накопичувачі поки що не можуть похвалитися задіянням повної пропускної спроможності нової шини – максимальні швидкості, які обіцяє чіп Phison PS5016-E16, знаходяться на рівні 5 Гбайт/с при лінійному читанні та 4,4 Гбайт/ запис.
Зі сказаного випливає важливий наслідок: у майбутньому NVMe SSD можуть зробити ще один ривок у продуктивності навіть без переходу на наступну версію специфікації PCI Express. Потрібно лише дочекатися появи нових контролерів з переробленим ядром, адаптованим під можливості PCIe 4.0. І такі рішення вже розробляються. Поява подібного продукту як мінімум очікується від Samsung, крім того, над більш досконалими контролерами працюють і незалежні інженерні команди: Phison (PS5018-E18), Silicon Motion (SM2267), Marvell (88SS1321) і навіть не дуже відома компанія Innogrit (IG5236).
Лихо лише в тому, що вся ця пишнота може з'явитися дуже нескоро. Розробка контролерів – це тривалий процес, і серйозні затримки найчастіше трапляються на фінальних етапах – під час підготовки мікропрограми чи під час валідації. До того ж сьогодні на всю індустрію величезний вплив справила пандемія коронавірусу, через що релізи нових продуктів відсунулися більш пізній термін.
Іншими словами, чекати чогось кращого можна довго, а якщо більш висока продуктивність дискової підсистеми потрібна вже зараз, то варто зупинитися на тому, що вже є - накопичувачах на контролері Phison PS5016-E16. Нехай вони і не вибирають повну пропускну здатність чотирьох ліній PCIe 4.0, зате можуть похвалитися досить непоганою швидкодією при дрібноблочних операціях, яка, за інформацією розробників, досягає 750 тисяч IOPS. Забезпечується це дизайном контролера, в основі якого лежить двоядерний 32-бітний процесор ARM Cortex R5, так і набором фірмових хитрощів: динамічним SLC-кешуванням і технологією CoXProcessor 2.0 - апаратним прискоренням типових ланцюжків операцій.
Чому Seagate FireCuda 520?
Вище було сказано, що всі існуючі споживчі NVMe-накопичувачі з підтримкою PCIe 4.0 побудовані на тому самому фундаменті – контролері Phison PS5016-E16. Однак це не означає, що взяти в магазині перший-ліпший SSD для шини PCIe 4.0 буде гарною ідеєю. Тут ми порадили б звернути увагу на Seagate FireCuda 520, але зовсім не тому, що ви читаєте цю статтю в корпоративному блозі Seagate.
Диявол криється в деталях і, якщо почати розбиратися, Seagate FireCuda 520 може виявитися привабливішим за багато альтернатив на тому ж чіпі Phison PS5016-E16. Причин тому кілька, але всі вони зводяться до одного – до встановленої FireCuda 520 флеш-пам'яті.
Формально всі накопичувачі з контролером Phison PS5016-E16 використовують однакову флеш-пам'ять: 96-шарову BiCS4 (TLC 3D NAND) виробництва Kioxia (колишньої Toshiba Memory). Однак фактично ця пам'ять може відрізнятись. Залежно від того, які пріоритети для себе вибрав той чи інший виробник, пам'ять може відноситися до різних градацій якості. Наприклад, у продукції фірм третього ешелону нерідко зустрічається флеш-пам'ять «медіа»-призначення, яка, власне кажучи, призначена для флешок та карток пам'яті, але ніяк не для SSD.
З накопичувачами Seagate таке цілком виключено. Компанія купує флеш-пам'ять не на відкритому ринку, а має довгостроковий прямий договір з Kioxia, який був укладений ще в той час, коли Toshiba позбавлялася виробництва пам'яті. Завдяки цьому ми отримуємо мікросхеми NAND, що називається, з перших рук і маємо доступ до кращого якості кремнію.
Це неминуче відображається у параметрах надійності. Представники серії Seagate FireCuda 520 мають п'ятирічну гарантію, а встановлений ресурс дозволяє перезаписувати повну ємність накопичувача 1800 разів, тобто в середньому раз на день. Це дуже високі показники витривалості, за якими пропозиція Seagate, наприклад, утричі перевершує найпопулярніший Samsung 970 EVO Plus.
І тут настав час показати, як виглядає Seagate FireCuda 520 зовні. Це M.2-плата традиційного форм-фактора 2280 з мікросхемами, розміщеними обох її сторонах.
Тут не передбачено жодних особливих засобів охолодження, які люблять нагромаджувати на свої накопичувачі інші виробники через те, що майже сто відсотків материнських плат з підтримкою PCIe 4.0 мають власні системи охолодження для M.2-слотів.
В іншому накопичувач схожий на інші продукти на базі контролера Phison PS5016-E16, але з помітною відмінністю - на мікросхемі контролера нанесено маркування Seagate. Це пов'язано з тим, що контролери для FireCuda 520 теж закуплені не на відкритому ринку, а зроблені за спецзамовленням. Втім, для кінцевого користувача це означає не так багато, а ось що дійсно важливо, так це використання видозміненої мікропрограми, в якій закладені певні оптимізації, що відрізняють накопичувач Seagate від інших SSD з аналогічною апаратною начинкою.
Зрозуміло, що мікропрограмою навряд чи можна суттєво змінити швидкісні характеристики контролера, проте дещо вона дозволяє. Наприклад, FireCuda 520 може похвалитися реалізацією динамічного SLC-кешування, тоді як накопичувачі на контролерах Phison, що випускалися раніше, користувалися статичним SLC-кешем досить обмеженого обсягу. Новий підхід дозволяє записувати на FireCuda 520 з високою швидкістю набагато більші обсяги інформації.
Працює це дуже просто: будь-які дані, що надходять на накопичувач, записуються в TLC-флеш-пам'ять у дуже швидкому однобітовому SLC-режимі. Переведення використаних таким чином осередків у TLC-стан виконується або потім, коли користувач вже не звертається до накопичувача, або при необхідності, якщо в процесі запису пул чистих осередків вичерпується. Іншими словами, третину вільного на FireCuda 520 місця можна безперервно заповнити з максимальною швидкістю, потім продуктивність знизиться. Але варто трохи почекати, як третину від вільного місця, що залишилося, знову можна буде використовувати в швидкісному режимі.
Ось, наприклад, як виглядає графік лінійного запису на чистий FireCuda 520 ємністю 2 Тбайт.
На перші 667 Гбайт запис здійснюється зі швидкістю 4,1 Гбайт/с, потім швидкість радикально знижується до 0,53 Гбайт/с, але варто розуміти, що при звичайному використанні накопичувача з такою його поведінкою ви не зіткнетеся - для цього потрібно довго і безперервно записувати величезні масиви інформації.
Крім мікропрограми FireCuda 520 цікавий ще й комплектним програмним забезпеченням. Фірмова утиліта SeaTools SSD набагато зручніша для моніторингу стану SSD, ніж сторонні програми. Крім того, вона дозволяє оновлювати прошивку, тестувати працездатність та виконувати деякі додаткові операції на кшталт розширеної діагностики або Secure Erase.
Також варто згадати, що власники FireCuda 520 можуть завантажити із сайту Seagate програму DiscWizard для гладкої міграції з минулих дискових накопичувачів із перенесенням усіх даних та операційної системи.
І що це правда швидко?
Залишається підкріпити все сказане про переваги інтерфейсу PCI Express 4.0 і накопичувача з його підтримкою практичними результатами. І з цим немає особливої складності, тому що FireCuda 520 дійсно має помітно більш високу продуктивність, яка накопичувачам минулого покоління недоступна. Незважаючи на те, що до контролера Phison PS5016-E16 є цілком обґрунтовані претензії, пов'язані з тим, що повною мірою пропускну здатність PCIe 4.0 він все-таки не утилізує, швидкісні показники Seagate FireCuda 520 явно вищі, ніж у накопичувачів для PCIe.
У наступній таблиці характеристики Seagate FireCuda 520 порівнюються з характеристиками FireCuda 510 – минулої флагманської моделі NVMe SSD Seagate, яка розрахована на інтерфейс PCIe 3.0 x4. Для прикладу порівняння обмежене найбільш місткими та швидкісними варіантами SSD ємністю по 2 Тбайт, але, якщо порівнювати між собою модифікації інших ємностей, картина вийде приблизно такою самою.
Втім, паспортні характеристики – справа одна, а реальне життя – інше. Тому ми просто взяли два ці накопичувачі – FireCuda 520 2 Тбайт та FireCuda 510 2 Тбайт – і порівняли у тестах.
FireCuda 520 2 Тбайт
FireCuda 510 2 Тбайт
Результати CrystalDiskMark потребують деяких коментарів. Новий PCIe 4.0 SSD виявився помітно швидше за попередника по лінійних швидкостях: перевага доходить майже до півторакратного розміру і простежується як при глибоких, так і при мінімальних чергах запитів. Перевершує FireCuda 520 минулу версію NVMe SSD Seagate і при дріб'язкових операціях, хоча тут такого ж вражаючого прориву не спостерігається: все впирається в те, що логіка контролера залишилася старою. Таким чином, FireCuda 520 виблискуватиме насамперед при послідовних навантаженнях. Що ж до операцій із довільними блоками невеликого розміру, то інтерфейс PCI Express 4.0, природно, з накопичувача на базі флеш-пам'яті щось схоже на Optane зробити не може.
Але той факт, що високошвидкісні лінійні операції дуже потужний козир FireCuda 520, заперечувати неможливо. Докладніше це видно в результатах ATTO Disk Benchmark: як тільки блоки, якими відбувається обмін даними, набувають об'єму 128 Кбайт і більше, наздогнати FireCuda 520 стає неможливо навіть у теорії (на це не здатний навіть Optane), оскільки швидкості обміну даними виходять за межу , встановлений пропускною спроможністю інтерфейсу PCIe 3.0 x4
FireCuda 520 2 Тбайт
FireCuda 510 2 Тбайт
У синтетичних тестах все виходить більш ніж переконливо, але що у реальному житті? Відповісти на це запитання може PCMark 10 – у ньому є сценарії, які відтворюють типове навантаження на накопичувачі під час повсякденної роботи користувача.
І в цьому випадку FireCuda 520 виявляється швидше за свого попередника на величину до 30%. Причому ця перевага виражається у зростанні швидкостей дискових операцій, а й у помітному зниженні часу реакції дискової підсистеми. Така закономірність простежується при використанні SSD як єдиного та універсального накопичувача (див. Full System Drive Benchmark). І в тому випадку, коли SSD відіграє роль виключно системного диска, на якому встановлено ОС та ПЗ (див. Quick System Drive Benchmark). І навіть тоді, коли SSD відданий під "файлопомийку" (див. Data Drive Benchmark), хоча таке, чесно кажучи, буває дуже нечасто.
Переваги FireCuda 520 легко простежити при звичайному копіюванні файлів. На нижченаведеній діаграмі наводяться результати тесту DiskBench при копіюванні всередині накопичувача робочої директорії з різними файлами загальним об'ємом близько 20 Гбайт. Звісно, такого приросту, як у синтетичних тестах, тут немає, але свої додаткові 25-30 % до продуктивності перехід на PCIe 4.0 дає без питань.
Для різноманітності можна подивитися і на те, наскільки швидше PCIe 4.0-накопичувач дозволяє завантажувати ігрові програми. Для прикладу нижче наведено час завантаження рівня Final Fantasy XIV StormBlood (вибір саме цієї гри обумовлений вбудованими в неї зручними засобами моніторингу). Тут виграш, який забезпечує FireCuda 520 на фоні FireCuda 510, становить секунду з невеликим, що не настільки значно, але однаково відчутно.
Натомість при навантаженнях, властивих робочим станціям, PCI Express 4.0, що називається, must have. Справа в тому, що комп'ютери, націлені на професійне створення контенту, оснащуються дуже потужними багатоядерними процесорами та швидкою пам'яттю. І в цьому випадку вузькі місця в системі можуть виникати в дисковій підсистемі. Наприклад, раніше багато професіоналів, що працюють з відео, воліли збирати RAID-масиви з SSD-накопичувачів, а тепер вони можуть задовольнити свої потреби, обравши FireCuda 520, який приймає дані зі швидкостями понад 4 Гбайт/с поодинці.
Всі ці міркування неважко підкріпити результатами тесту SPECworkstation 3, який дуже явно показує значущість накопичувача із сучасним інтерфейсом: FireCuda 520 справляється з важкими професійними сценаріями дискового навантаження в середньому на 22% швидше, ніж FireCuda 510.
Але особливу увагу варто звернути на показники General Operation (звичайна швидкість роботи з файлами при архівації та копіюванні, а також розробки ПЗ) і Product Development (показує швидкості роботи в CAD/CAD системах і при вирішенні завдань обчислювальної гідродинаміки). Тут закладений у FireCuda 520 потенціал розкривається особливо переконливо.
Резюме
Наведених прикладів достатньо, щоб сумнівів у тому, що PCIe 4.0-накопичувачі дійсно дозволяють отримати більш високу продуктивність і кращу чуйність при вирішенні ресурсомістких завдань, не залишалося. Тому, будуючи високопродуктивну систему на багатоядерних процесорах AMD Ryzen 3000 або Threadripper 3000, нехтувати використанням найсучасніших NVMe SSD не слід. Seagate FireCuda 520 може тут стати підходящим вибором: нічого швидше в магазинах точно на даний момент немає.
Звичайно, PCIe 4.0-накопичувач обійдеться трохи дорожче, ніж той же FireCuda 510, але причини цього добре зрозумілі. А найголовніше, що ціна на FireCuda 520 цілком ринкова, адже цей SSD стоїть майже однаково з альтернативними PCIe 4.0-накопичувачами авторства виробників третього ешелону.
Пара слів про тестову платформу: Тестування продуктивності виконувалося в системі на базі процесора Ryzen 9 3900X, заснованої на материнській платі ASRock X570 Creator та оснащеної 16 Гбайт DDR4-3200 SDRAM (16-16-16-32). Операційна система Windows 10 Professional 1909 із стандартним NVMe-драйвером Standard NVM Express Controller 10.0.18362.1.
Джерело: habr.com