О том, как использовать NVMe SSD в Win7x64, читайте в статье «Апгрейд по-чёрному: запускаем NVMe SSD в Windows 7 и 10».
Технические характеристики
Серия MTE220S представлена тремя накопителями с объёмами 256, 512 и 1024 Гб. Мы протестировали модель TS512GMTE220S ёмкостью полтерабайта. Вот её краткие спецификации:
- форм-фактор: M.2 2280
- физический интерфейс: PCI Express 3.0 x4
- логический интерфейс: NVMe 1.3
- расположение чипов: двустороннее
- ресурс записи: 400 Тб (800 циклов программирования/стирания на ячейку).
- неформатированная ёмкость: 476,94 Гб
- среднее время наработки на отказ: 1,5 млн. часов
- размеры: 80 х 22 х 3,6 мм
- масса: 8,0 г.
Такое сочетание параметров довольно типично для современных массовых накопителей, но у каждого из них есть свои особенности. Посмотрим внимательнее на Transcend MTE220S.
SSD в объективе
Сама плата выполнена по упрощённому дизайну: схема питания не предусматривает дублирования, массив памяти объединён через программный RAID средствами контроллера.
Под наклейкой посередине платы расположен чип Silicon Motion SM2262ENG. Это двухъядерный восьмиканальный контроллер, который дебютировал на выставке Computex 2018 в Тайпее.
Компания SMI не просто поставляет микросхемы сторонним разработчикам, а предлагает полный пакет услуг по их адаптации для собственных изделий у «бесфабричных» компаний, вроде Transcend, Kingston и многих других.
Как обычно у SMI, поверхность тонкопрофильного FBGA-корпуса контроллера закрыта медной пластинкой толщиной в доли миллиметра. Это трудно назвать радиатором, скорее – подготовкой для его установки. Штатно какое-либо охлаждение у SSD отсутствует, и мы ещё вернёмся к этому моменту.
Слева расположились две микросхемы памяти производства Micron с FBGA-кодом NW951. Это 64-слойные чипы TLC 3D NAND Gen.2 объёмом по 128 Гб каждый. Ещё два таких же расположены на тыльной стороне платы.
В настоящее время они сняты с производства и имеют статус заказа NRND (не рекомендуются для новых разработок). Однако у морально устаревшей флэш-памяти более толстые диэлектрические слои на плавающем затворе, поэтому (при прочих равных) она более долговечна и часто превосходит заявленный ресурс перезаписи. Произойдёт это или нет – зависит в основном от контроллера: его алгоритмов коррекции ошибок и выравнивания износа блоков.
Одинокая схема справа – чип Samsung с маркировкой K4B4G16-46E-BYMA. Это DRAM-буфер стандарта PC3 14900 (DDR3 1866) объёмом 512 Мб. У старшей модели Transcend MTE220S ёмкостью 1 Тб вторая такая же схема расположена с тыльной стороны платы.
Сам буфер традиционно служит для хранения копии таблицы трансляции адресов. Его использование ускоряет большинство операций чтения/записи, но тут схема подключения слегка упрощённая – по 16-битному интерфейсу. Довольно странное решение с учётом того, что контроллер SM2262EN(G) поддерживает DDR4 и 32-битное подключение.
Посмотрим, как замеченные особенности SSD повлияют на бенчмарки и его реальное использование.
Стенд
Испытания проводились на стенде, состоящим из материнской платы ASUS Maximus VIII Hero (Socket LGA 1151, Z170), процессора Core i7-7700K (штатное напряжение питания и частоты), оперативной памяти Crucial Ballistix DDR4-2400 (2×8 Гб, двухканальный режим, настройки по SPD). Блок питания – Chieftec CFT-600-14CS. Охлаждение – башенный кулер Scythe Mine 2 + четыре корпусных вентилятора Zalman и Arctic Cooling по 140 и 120 мм с управлением через ШИМ.
Для снижения нагрева воздуха внутри корпуса дискретная видеокарта и все лишние компоненты были извлечены. Тестируемый накопитель TS512GMTE220S подключался через разъём M.2 на материнской плате, а вспомогательный SSD KINGSTON SKC1000 – через переходник Socket3 (M.2) – PCI-E x4. Оба SSD работали в режиме x4.
На Transcend MTE220S была установлена ОС Windows 10 x64 версии 1903 (май 2019 г.) и фирменное программное обеспечение SSD Scope. Оптимизированного драйвера для этого накопителя нет, поэтому использовался универсальный NVMe-драйвер Microsoft.
Стенд подключался через ИБП, поэтому для получения максимальных скоростей чтения/записи была отключена очистка буфера кэша записей Windows в настройках SSD. Перед каждым следующим тестом выдерживалась пауза около получаса для гарантированного завершения фоновых операций контроллера по оптимизации расположения данных (TRIM + SLC-cache flush).
Исходные условия
Операционная система заняла 26,9 Гб. Пользователю осталось доступно ровно 450 Гб. Это хороший результат по сравнению с моделями SSD на 480 Гб неформатированной ёмкости, однако в Transcend MTE220S это достигается отсутствием служебной области (over-provisioning). Она используется для переназначения повреждённых блоков и при достаточном объёме существенно продлевает жизнь SSD.
Первичная проверка Transcend MTE220S выполнялась утилитой SSD Scope, которая умеет обновлять прошивку накопителя, клонировать его и тестировать быстродействие. Также она показывает основную информацию, включая данные S.M.A.R.T. Температура Transcend MTE220S в простое колебалась в районе 40 – 45 °С, что было далеко от критического значения 70°С.
На новом SSD скорости всех операций действительно радуют. ОС загружается за 12 – 13 секунд с момента нажатия кнопки питания до появления рабочего стола (все технологии ускоренной загрузки отключены). За вычетом POST и вовсе остаётся секунд восемь.
Результаты первых тестов были очень близки к заявленным скоростным пределам. Собственно, они берутся из спецификации контроллера, и сюрпризов здесь не ожидалось.
Доработка
Такие высокие показатели обусловлены особенностью работы SM2262ENG с массивом памяти TLC. В отличие от большинства подобных решений, он никак не ограничивает размер SLC-кэша. То есть, пока есть свободные блоки, он записывает по одному биту в каждую ячейку (режим псевдо-SLC). Когда пользовательские операции записи завершены, контроллер запускает фоновое уплотнение. Он освобождает блоки, перезаписывая данные из них в частично занятые ячейки.
Это довольно ресурсоёмкая операция, из-за которой температура SSD быстро растёт даже после кратких тестов. При запуске более длительных бенчмарков она поднимается выше 67°С, что очень близко к критической температуре.
По идее при перегреве должно срабатывать дросселирование тактов (тем более, что в NVMe v.1.3 предусмотрен двухуровневый троттлинг), однако мы решили подстраховаться и сделать «доработку напильником»: установили радиаторы на все микросхемы SSD, кроме двух чипов памяти с тыльной стороны.
Нехитрая модернизация заняла несколько минут и буквально вдохнула новую жизнь в испытуемого. Средняя температура в простое упала на 11 – 12 °С, а под нагрузкой – на 8 – 9°С. Максимально зарегистрированная температура составила 60°С, но чаще она была до 57°C. SSD работал стабильно даже после непрерывной перезаписи сотен гигабайт.
Повторное тестирование показало небольшое падение максимальных скоростей линейного чтения и записи (это обусловлено состоянием SLC-кэша) и некоторый прирост производительности в случайных операциях (вероятно – заслуга охлаждения контроллера и чипов памяти).
Тесты
Начнём с любимого производителями теста CrystalDiskMark. Его любят за то, что он показывает пиковые значения скоростей, получаемые за счёт SLC-кэширования и разной алгоритмической оптимизации. Это именно предел, который можно ждать от накопителя, а не средние показатели быстродействия.
Программа AIDA64 тоже имеет встроенный модуль измерения быстродействия накопителя. Её тестовые наборы менее подвержены влиянию алгоритмов кэширования и показывают результаты чуть ближе к средней производительности.
Пока запись происходит блоками от 1 мегабайта и выше, скорости выглядят внушительно: минимальная составляет 1350 Мб/с, а максимальная вдвое больше – 2784 Мб/с.
Однако картина резко меняется, как только начинаются операции с мелкими блоками по 64 Кб. Здесь средняя скорость падает до 960 Мб/с, демонстрируя размах от 612 до 1558 Мб/с.
У контроллера SM2262ENG поддерживается режим прямого обращения к массиву памяти (Direct-to-TLC). Он используется всякий раз, когда заканчивается SLC-кэш или начинаются посекторные операции чтения/записи. В таком режиме не работают никакие оптимизации производительности, и мы получаем чистую скорость TLC 3D NAND.
Средняя скорость оказывается чуть ниже 400 Мб/с, минимальная – в районе 290 Мб/с, а максимальная – 550 Мб/с. У старых SSD на чипах MLC с интерфейсом SATA в таком режиме работы показатели бывали и повыше, но они лишены «допинга» в начале файловых операций.
Утилита SSD-Z показывает зависимость количества операций ввода/вывода за секунду (IOPS) от глубины очереди заданий при фиксированном значении блока. Как обычно, операции с мелкими блоками без кэширования запросов происходят сравнительно медленно (< 10`000 IOPS), а с кэшированием взлетают почти до 190`000 IOPS. Это далеко от заявленного предела в 420 тыс. IOPS, но, возможно, проблема не в накопителе, а в методике измерения. Всё-таки программа уже не новая, а из стадии беты она так и не вышла.
Файловые операции штатными средствами ОС гораздо ближе к настоящим сценариям использования, чем синтетические бенчмарки. Мы создали файл размером ровно 100 Гб на тестовом SSD и измерили время его копирования в соседний каталог на этом же накопителе.
Начало было многообещающим. Transcend MTE220S показал на старте чуть выше 1,5 Гб/с, потом ненадолго снизил скорость до 1,15 Гб/с. У других SSD бюджетного класса SLC-кэш заканчивается в районе 3 – 5 Гб, после чего отмечается резкое падение скорости. Здесь же накопитель уверенно продолжал копирование на 1,31 Гб/с большую часть времени. В режим Direct-to-TLC он перешёл только ближе к завершению операции (примерно после 75 Гб) и дотянул с показателем около 520 Мб/с.
Общее время копирования составило 2 минуты и 5 секунд. Средняя скорость – 819 Мб/с.
Создаваемые fsutil файлы – это просто записи о том, что данные блоки теперь сопоставлены такому-то файлу в NTFS. Пока накопитель новый – это преимущественно массив нулей, то есть набор легко сжимаемых данных.
Попробуем усложнить задачу. Запишем архив WinRAR с максимальной степенью сжатия и скопируем его со вспомогательного SSD, у которого скорость чтения (2700 МБ/с) заведомо выше скорости линейной записи тестового образца (2100 МБ/с).
Начало бодрое: – 1,3 – 1,5 Гб/с. Затем такой же провал до 500+ Мб/с после 2/3 записанного объёма. На этот раз кэш был исчерпан раньше.
Время выполнения операции: 2 минуты 14 секунд. Средняя скорость: 764 Мб/с. Данные с высокой энтропией записываются медленее, но разница не настолько велика, чтобы говорить о какой-то компрессии на лету.
Хардкор
До сих пор мы старались поддерживать условия, близкие к идеальным. А что будет, если пользователь не станет ждать пока контроллер переупорядочит данные и приступит к копированию следующего большого файла спустя пару минут?
В таком случае только единичные блоки успеют перейти в режим псевдо-SLC. Они мгновенно иссякнут, а скорость сначала провалится до 500+ Мб/с, после чего упадёт ниже 270 Мб/с. Контроллер будет пытаться завершить фоновые операции параллельно с записью новых файлов. Температура при этом достигнет 60°С несмотря на радиаторы и хороший продув корпуса.
Выводы
Современные SSD форм-фактора M.2 2280 с интерфейсом PCI-E x4 обладают целым рядом преимуществ: это малые габариты, отсутствие кабелей, оптимизированный для NAND Flash протокол NVMe и низкая себестоимость производства – им даже корпус не нужен.
На первый взгляд все накопители однотипны в пределах своего класса, но между ними есть и тонкие отличия. Например, самые дешёвые SSD, вроде рассмотренного нами ранее WD Blue SN500, не имеют DRAM-буфера. Его отсутствие позволяет опустить ценовую планку, при этом замедляя трансляцию адресов (что особенно заметно в условиях нелинейного характера чтения/записи).
Модели SSD подороже оснащаются буфером DDR3/DDR4. Помимо частот у них отличается и схема подключения: 16-битное или 32-битное. Впрочем, заметить эту разницу получится только в условиях интенсивных нагрузок на файловую систему, что редко встречается у домашних пользователей.
Вопрос надёжности SSD остаётся открытым. Просто имейте в виду, что сейчас он уже в меньшей степени определяется количеством хранимых бит в ячейке. Все перешли на 3D TLC NAND (а то и QLC), и даже умудряются делать на ней серверные решения.
Основную роль теперь играет контроллер, а точнее – задействованные в нём алгоритмы выравнивания износа ячеек, кэширования, отложенной очистки блоков и коррекции ошибок. На мой взгляд, лучше всего они реализованы в новых контроллерах Marvell и Samsung, но первые дороги, а вторые недоступны для сторонних заказчиков. Поэтому для выпуска потребительских SSD бесфабричным компаниям приходится обращаться к независимым тайваньским производителям: Phison, SMI и JMicron.
Здесь платформа на базе контроллера Silicon Motion, памяти 3D NAND TLC и DRAM-буфера выглядит очень привлекательно для бюджетного сегмента. Наверняка мы не раз её встретим с лёгкими вариациями у разных производителей. Преимущество Transcend в том, что за состоянием её накопителя можно следить через фирменную утилиту SSD Scope, которая также выполняет обновление прошивки.
Чип SM2262ENG реализует режим псевдо-SLC на весь доступный объём, что позволяет выпускать SSD с низкой себестоимостью и впечатляющими скоростными показателями, но не путайте максимальную и среднюю производительность. Если пиковые значения скоростей действительно приближаются к пределу шины PCI-E в режиме x4, то за пределами SLC-кэша они даже ниже, чем у MLC-моделей прошлых лет с интерфейсом SATA III.
Ещё одна причина, по которой MTE220S не всегда достигает заявленных скоростей – перегрев контроллера. Считаю, что стоит оснастить его радиатором, особенно если вы планируете использовать SSD в компактных корпусах.
Transcend предоставляет пятилетнюю гарантию на этот SSD. Для её сохранения ваши мелкие доработки должны быть полностью обратимы, поэтому сохраните наклейку и не используйте термоклей.