今天我们想谈谈我们的新产品之一 - 希捷 FireCuda 520 SSD 硬盘。但不要急于进一步滚动浏览提要，并想着“好吧，该品牌的小工具的另一个值得称赞的评论” - 我们试图使材料有用且有趣。 在切入点下，我们首先关注的不是设备本身，而是它所使用的 PCIe 4.0 接口。 我们将告诉您对它的期望、它为什么好以及它可能对谁有用。
说实话：PCI Express 4.0 并不是那么新鲜。 第一批支持其的设备去年夏天出现在消费市场上。 为此，我们应该对 AMD 说一声：正是该公司创建了第一个能够接受 PCI Express 4.0 设备的平台，并且自己也制造了此类设备 - 这些是具有 RDNA 架构的基于 GPU 的显卡。
增加带宽总是会带来很大的希望，但事实证明，显卡几乎没有从切换到更快的接口中获得任何好处。 至少在游戏负载方面是这样。 大量独立测试表明，即使是支持 PCI Express 4.0 的最快卡（主要是 Radeon RX 5700 XT），在使用新的快速接口以及连接到经典 PCI Express 3.0 总线时也能表现出相同的性能。
但对于固态硬盘来说，情况就完全不同了。 通过 PCI Express 3.0（例如 Seagate FireCuda 510）运行的高性能 NVMe SSD 在线性负载下的运行速度明显受到接口带宽的限制。 因此，扩大带宽限制必然会对新一代磁盘子系统的功能产生积极影响。
带宽永远不够的事实的一个很好的例证是，当我们谈论第一批支持 PCI Express 4.0 的设备时，PCI 特别兴趣小组 (PCI-SIG) 已经批准了 PCI Express 5.0 规范，该规范需要它在提高现代处理器与外部设备通信的接口速度方面又向前迈进了一步。 不过，今天 PCI Express 4.0 已提上议程。
PCI Express 4.0 有什么好处？
PCIe（外围组件互连 Express）规范标准化了图形加速器、音频控制器、网络适配器以及最后的 NVMe SSD 等扩展卡与构成 PC 平台的底层组件的通信方式。 PCIe规范的版本越高，提供的吞吐量越高。 另外，在谈论PCIe插槽时，除了规格版本外，还谈论通道数，指定为x1、x2、x4、x8或x16。 由于总线扩展，更多数量的线路还提供了更高的吞吐量，并且代表了另一种提高接口速度特性的广泛方法。 但如果我们谈论 NVMe SSD，那么这种方法就很难应用在其中。 PC SSD 采用紧凑型 M.2 外形尺寸，可使用两个或最多四个通道，而对最多 16 个通道的支持仅限于全尺寸 PCIe 卡。 正因如此，新版本PCIe标准的推出被认为是性能SSD市场的关键事件。
PCIe 规范的所有版本均向后兼容。 面向 PCIe 4.0 的驱动器也可以在仅支持 PCIe 3.0 的平台上工作，并且具有 PCIe 4.0 插槽的主板可以轻松安装按照 PCIe 3.0 标准运行的组件。 然而，在这两种情况下，系统都将以 PCIe 3.0 速度运行，这是双方都支持的标准的初级版本。
PCIe 4.0 的主要创新是单线带宽加倍。 对于已发生的变化的数值估计有不同的选择，但如果我们谈论理论值和峰值，PCIe 4.0 规范假设每个方向的一条线上的最大传输速度为 1,97 GB/s，而在 PCIe 3.0 中，最大速度限制为 0,98 GB/s。 在某些来源中，您可能会发现两倍高的数字，但这是因为它们表示两个方向的总数据传输速度。
正如我们上面所说，这种接口速度的提高实际上对于显卡来说并不是很有用（或者更确切地说，几乎完全没有用）。 同时，通过四个 PCIe 通道运行的 NVMe 驱动器能够在四通道总线上提供高达 7,88 GB/s（理想情况下）的速度，这为性能改进开辟了广阔的空间。
除了增加带宽之外，PCIe 4.0标准还引入了其他创新。 例如，它包含降低功耗的新功能，以及更广泛的设备虚拟化功能。 但开发人员的主要方向仍然是提高速度，几乎所有事情都是为了速度而做的。 例如，新版本接口的多项改进旨在提高信号的完整性及其传输的可靠性。 换句话说，对于大多数消费者来说，PCIe 4.0 意味着更高的带宽，仅此而已。
支持 PCI Express 4.0 的平台怎么样？
不幸的是，尽管 PCI Express 4.0 规范本身早在 2017 年就已获得批准，但市场上仍然没有多少真正的平台支持它。 这意味着，如果你想使用新一代的高性能固态硬盘，你不仅要担心找到这样的硬盘本身，还要担心选择一个能够充分发挥其潜力的平台。
事实是，迄今为止，新的 PCIe 4.0 接口仅由 AMD 支持，而且即便如此，也只是部分支持。 它在一些基于 Zen 2 架构的处理器中实现，更具体地说，在桌面 Ryzen 3000 系列和高性能 Threadripper 3000 系列中实现，但在移动 Ryzen 4000 系列中则没有实现。如果第三代Threadripper的任何Socket sTR4.0主板都支持PCIe 4，则Ryzen 3000处理器将只能在X4.0芯片组构建的主板上以全速模式与PCIe 570外设交互，其中信号线是这样设计的考虑到屏蔽和最小化电噪声的更高要求。
好消息是，潜在的 Ryzen 3000 用户很快就能获得另一类更实惠的主板，支持 PCIe 4.0 显卡和驱动器。 它们将基于新的 B550 芯片组构建，该芯片组将在未来几个月内发布。
至于Intel平台，目前还不支持PCIe 4.0。 此外，即将推出的Comet Lake-S桌面处理器将带来新的LGA 1200处理器插槽和新的4.0系列系统逻辑集，也不会接收PCIe 4.0。 如果我们谈论大众英特尔台式机系统，对该接口的支持可能只有在 Rocket Lake 处理器发布时才会出现，但这将在明年初左右发生。 但该接口可能会更早地进入移动系统：在计划中，Tiger Lake 处理器宣布支持 PCIe 4.0，正式宣布可能会在今年夏天进行。 此外，不能排除高性能 HEDT 台式机今年也将转向 PCIe XNUMX：如果英特尔决定在这一领域提供 Ice Lake-X（服务器 Ice Lake-SP 的类似产品），这将成为可能。
因此，尽管 PCIe 4.0 将在中期内普及，但目前快速 NVMe SSD 的支持者在选择平台时几乎没有选择。 其中最明显的是基于 Ryzen 4 处理器的 Socket AM3000 系统和基于 X570 芯片组的主板。
运行 PCI Express 4.0 的驱动器进展如何？
如果您查看商店货架上展示的一系列支持 PCIe 4.0 的 NVMe SSD，您可能会感觉市场上充斥着各种新一代高速解决方案的选择。 然而，实际上这种印象是具有欺骗性的。 尽管 PCIe 4.0 规范已经存在多年，但硬件平台开发商尚未设法将足够数量的替代品带入量产阶段。
SSD制造商现在唯一可以在其产品中使用的控制器是Phison PS5016-E16。 而且，实际上，这个控制器还不能称为新一代的全面开发。 这是一个基于另一个早期 PS5012-E12 芯片的过渡解决方案，其中负责外部总线的功能块被简单地替换了。
对于最终用户来说，这意味着两件事。 首先，市场上所有支持 PCIe 4.0 的 NVMe 驱动器彼此之间没有太大差异，至少在性能方面如此。 如果您发现某个产品突然宣布更高的额定速度，这很可能是由于营销人员的狡猾，而不是任何真正的优势，因为最终，两种产品都使用相同的控制器。 其次，当今的 PCIe 4.0 驱动器还不能夸耀使用新总线的全部带宽 - Phison PS5016-E16 芯片承诺的最高速度为线性读取 5 GB/s 和记录 4,4 GB/s 的水平。
由此得出一个重要的推论：未来，即使不升级到下一版本的 PCI Express 规范，NVMe SSD 也能实现性能的又一次飞跃。 您只需等待具有重新设计的内核以适应 PCIe 4.0 功能的新型控制器的出现。 此类解决方案已经在开发中。 类似产品的出现至少是三星所期待的，此外，独立工程团队也在研发更先进的控制器：Phison (PS5018-E18)、Silicon Motion (SM2267)、Marvell (88SS1321) 甚至还有不太好的控制器-知名公司Innogrit（IG5236）。
唯一的麻烦是，这一切辉煌可能不会很快出现。 控制器开发是一个漫长的过程，在固件准备或验证期间的最后阶段经常会发生严重的延迟。 此外，整个行业现在都受到了冠状病毒大流行的巨大影响，这就是新产品发布被推迟的原因。
换句话说，您可以等待很长时间才能得到更好的东西，但如果现在需要更高性能的磁盘子系统，那么坚持使用现有的东西 - Phison PS5016-E16 控制器上的驱动器是有意义的。 虽然他们没有选择四个 PCIe 4.0 通道的全部带宽，但他们在小块操作方面可以拥有相当不错的性能，据开发人员称，可以达到 750 万 IOPS。 基于双核 32 位 ARM Cortex R5 处理器的控制器设计和一组专有技巧确保了这一点：动态 SLC 缓存和 CoXProcessor 2.0 技术（典型操作链的硬件加速）。
为什么选择希捷 FireCuda 520？
上面说过，所有支持 PCIe 4.0 的现有消费类 NVMe 驱动器都建立在相同的基础上 - Phison PS5016-E16 控制器。 然而，这并不意味着您在商店中购买第一块 PCIe 4.0 SSD 就是一个好主意。 在这里，我们建议您关注希捷 FireCuda 520，但完全不要关注，因为您正在希捷公司博客上阅读这篇文章。
细节决定成败，如果您开始了解，Seagate FireCuda 520 可能会比许多基于相同 Phison PS5016-E16 芯片的替代品更具吸引力。 造成这种情况的原因有很多，但都归结为一件事：FireCuda 520 中安装的闪存。
从形式上来说，所有配备Phison PS5016-E16控制器的驱动器都使用相同的闪存：Kioxia（原东芝存储器）制造的96层BiCS4（TLC 3D NAND）。 但是，实际内存可能会有所不同。 根据特定制造商为自己选择的优先级，内存可以分为完全不同的质量等级。 例如，在三线公司的产品中，经常会出现“媒体”用途的闪存，一般来说，它是用于闪存驱动器和存储卡的，而不是用于SSD的。
对于希捷硬盘来说，这是完全不可能的。 该公司并不在公开市场上购买闪存，而是与 Kioxia 签订了长期直接协议，该协议是在东芝摆脱内存生产时签订的。 正因为如此，正如他们所说，我们能够获得第一手的 NAND 芯片，并能够获得最优质的芯片。
这不可避免地反映在可靠性参数中。 希捷FireCuda 520系列的代表配备五年保修，安装的资源允许您重写驱动器的全部容量1800次，即平均每天一次。 这些都是非常高的耐用指标，根据这些指标，希捷提供的产品比最受欢迎的三星 970 EVO Plus 高出三倍。
现在是时候展示 Seagate FireCuda 520 的外观了。 这是传统 2 外形尺寸的 M.2280 板，芯片位于两侧。
这里没有提供其他制造商喜欢在其驱动器上堆砌的特殊冷却措施，因为几乎 4.0% 支持 PCIe 2 的主板都有自己的 M.XNUMX 插槽冷却系统。
在其他方面，该硬盘与基于 Phison PS5016-E16 控制器的其他产品类似，但有一个明显的区别 - 控制器芯片带有 Seagate 标记。 这是因为 FireCuda 520 的控制器也不是在公开市场上购买的，而是按特殊订单制造的。 然而，这对最终用户来说意义不大，但真正重要的是使用修改后的固件，其中包含某些优化，可以将希捷硬盘与具有类似硬件的其他SSD区分开来。
很明显，微程序不太可能显着改变控制器的速度特性，但是，它允许做一些事情。 例如，FireCuda 520 拥有动态 SLC 缓存的实现，而基于早期发布的 Phison 控制器的驱动器则使用大小相当有限的静态 SLC 缓存。 新方法允许您在 FireCuda 520 上高速记录大量信息。
它的工作原理非常简单：进入驱动器的任何数据都会以非常快的一位 SLC 模式写入 TLC 闪存。 以这种方式使用的单元会在以后（当用户不再访问驱动器时）或根据需要（如果在写入过程中干净单元池耗尽）转移到 TLC 状态。 换句话说，FireCuda 520上三分之一的可用空间可以以最大速度持续被填满，但随后性能会下降。 但如果稍等一下，剩余的可用空间的三分之一可以再次在高速模式下使用。
例如，这里是容量为 520 TB 的 FireCuda 2 上线性记录到空白的图表。
对于前 667 GB，记录速度为 4,1 GB/s，然后速度急剧下降至 0,53 GB/s，但您应该明白，正常使用驱动器时不会遇到这种情况 - 这需要长期且连续地记录大量信息。
除了固件之外，FireCuda 520 的捆绑软件也很有趣。 专有的 SeaTools SSD 实用程序比第三方程序更方便地监控 SSD 的状态。 此外，它还允许您更新固件、测试性能并执行一些附加操作，例如高级诊断或安全擦除。
还值得一提的是，FireCuda 520 用户可以从 Seagate 网站下载 DiscWizard 程序，以便从以前的磁盘驱动器平滑迁移，传输所有数据和操作系统。
而且真的很快吗？
仍然需要一些实际结果来支持有关 PCI Express 4.0 接口及其支持的驱动器的优势的所有内容。 而且这并不是特别困难，因为 FireCuda 520 确实具有明显更高的性能，这是上一代驱动器所不具备的。 尽管群联 PS5016-E16 控制器因仍未充分利用 PCIe 4.0 的全部带宽而饱受诟病，但希捷 FireCuda 520 的速度表现明显高于硬盘。 PCIe 3.0。
下表将希捷 FireCuda 520 的特性与希捷之前的旗舰 NVMe SSD 型号 FireCuda 510 的特性进行了比较，FireCuda 3.0 是针对 PCIe 4 x2 接口设计的。 例如，比较仅限于容量为 XNUMX TB 的最宽敞、最快的 SSD 选项，但如果我们比较其他容量的修改，情况将大致相同。
然而，护照特征是一回事，现实生活又是另一回事。 因此，我们简单地使用了这两个驱动器 - FireCuda 520 2 TB 和 FireCuda 510 2 TB - 并在测试中对它们进行了比较。
FireCuda 520 2TB
FireCuda 510 2TB
CrystalDiskMark 的结果需要一些评论。 事实证明，新款 PCIe 4.0 SSD 的线性速度明显快于其前代产品：优势几乎达到大小的一倍半，并且在深度队列和最小请求队列中都可以看到。 FireCuda 520 在小块操作方面优于之前版本的希捷 NVMe SSD，尽管这里没有观察到同样令人印象深刻的突破：这一切都归结为控制器逻辑保持不变。 因此，FireCuda 520 将主要在连续工作负载下表现出色。 至于对任意小块的操作，PCI Express 4.0接口自然无法完成与闪存驱动器中的Optane类似的操作。
但不可否认的是，高速线性运算是 FireCuda 520 的一项非常强大的资产。 这可以在 ATTO 磁盘基准测试结果中更详细地看到：一旦用于交换数据的块的容量达到 128 KB 或更多，即使在理论上也无法跟上 FireCuda 520（甚至 Optane 也不是）。能够做到这一点），因为数据交换速度超出了 PCIe 3.0 x4 接口带宽设置的限制。
FireCuda 520 2TB
FireCuda 510 2TB
在综合测试中，一切都令人信服，但在现实生活中呢？ PCMark 10 可以回答这个问题 - 它包含重现用户日常工作期间驱动器上的典型负载的场景。
在这种情况下，FireCuda 520 比其前身快了 30%。 而且，这一优势不仅表现在磁盘操作速度的提高，还表现在磁盘子系统响应时间的显着缩短。 当使用 SSD 作为唯一的通用驱动器时，可以看到这种模式（请参阅完整系统驱动器基准）。 当 SSD 专门充当安装操作系统和软件的系统驱动器时（请参阅快速系统驱动器基准测试）。 即使 SSD 被用作“文件转储”（请参阅数据驱动器基准），但坦率地说，这种情况很少发生。
正常复制文件时，FireCuda 520 的速度优势显而易见。 下图显示了在驱动器内复制包含不同文件、总体积约为 20 GB 的工作目录时的 DiskBench 测试结果。 当然，这里没有观察到像综合测试中那样的增长，但毫无疑问，向 PCIe 25 的过渡使其性能额外提高了 30-4.0%。
为了获得多样性，您还可以查看 PCIe 4.0 驱动器加载游戏应用程序的速度有多快。 作为一个例子，下面是《最终幻想 XIV StormBlood》中的关卡加载时间（选择这个特定游戏是因为它内置了方便的监控工具）。 在这里，FireCuda 520 相对于 FireCuda 510 提供的增益仅超过一秒，虽然不是那么显着，但仍然很明显。
但正如他们所说，在工作站的典型负载下，PCI Express 4.0 是必备的。 事实上，用于专业内容创作的计算机配备了非常强大的多核处理器和快速内存。 在这种情况下，系统的瓶颈很容易出现在磁盘子系统中。 例如，虽然许多视频专业人士以前更喜欢使用 SSD 驱动器构建 RAID 阵列，但他们现在可以使用 FireCuda 520 来满足自己的需求，FireCuda 4 本身可以以超过 XNUMXGB/s 的速度处理数据。
所有这些论点都可以很容易地得到 SPECworkstation 3 测试结果的支持，该测试非常清楚地表明了具有现代接口的驱动器的重要性：与 FireCuda 520 相比，FireCuda 22 处理重型专业磁盘负载场景的速度平均快 510% 。
但应特别注意一般操作指标（归档和复制以及开发软件时处理文件的通常速度）和产品开发（显示 CAD/CAD 系统中以及解决计算流体时的工作速度）动力学问题）。 FireCuda 520 的内在潜力在这里得到了特别令人信服的展现。
总结
给出的示例足以让人毫无疑问地认为，PCIe 4.0 驱动器确实可以让您在解决资源密集型任务时获得更高的性能和更好的响应能力。 因此，在多核 AMD Ryzen 3000 或 Threadripper 3000 处理器上构建高性能系统时，您显然不应忽视最现代的 NVMe SSD 的使用。 希捷 FireCuda 520 可能是一个合适的选择：目前商店中绝对没有更快的产品。
当然，PCIe 4.0 驱动器的价格会比相同的 FireCuda 510 贵一点，但其原因众所周知。 最重要的是，FireCuda 520 的价格相当市场价格，因为这款 SSD 的成本几乎与三线制造商的替代 PCIe 4.0 驱动器相同。
关于测试平台的一些话： 性能测试是在基于 Ryzen 9 3900X 的系统上进行的，该系统基于华擎 X570 Creator 主板并配备 16GB DDR4-3200 SDRAM (16-16-16-32)。 操作系统 Windows 10 Professional 1909，带标准 NVMe 驱动程序 标准 NVM Express 控制器 10.0.18362.1。
来源： habr.com