Обзор NVMe-накопителя Transcend SSD 110S: счастливая жизнь без DRAM-буфера возможна

До недавних пор твердотельные накопители с интерфейсом NVMe воспринимались многими исключительно как нишевые решения для энтузиастов высокой производительности. Несмотря на то, что архитектура NVMe SSD обеспечивает заметное увеличение скоростных показателей, а типичный для таких изделий форм-фактор M.2 компактен и удобен в использовании, широкому распространению таких устройств препятствовала высокая цена. Производители не стесняясь устанавливали на NVMe-накопители дополнительные и немалые наценки, оправдывая их тем, что подобные SSD – это премиальные решения высокого класса, интересные лишь для немногочисленной элиты компьютерного сообщества.

Однако сейчас ситуация быстро и кардинально меняется. Свежая тенденция, которая постепенно начинает определять и направлять происходящие на рынке SSD глобальные процессы, – набирающее обороты снижение стоимости флеш-памяти. После затяжного дефицита, вызванного длительным и тернистым переходом индустрии на 3D NAND, производство флеш-памяти начало расти слишком быстрыми темпами. И сегодня уже нет никаких сомнений, что в ближайшие месяцы отрасль столкнётся с жестоким кризисом перепроизводства. Что, в свою очередь, станет веской причиной для падения цен на твердотельные накопители: прогнозы говорят о том, что в течение последующих 12 месяцев SSD подешевеют в полтора раза или даже сильнее. И более того, процесс в данном направлении уже пошёл.

Затрагивает он не только вездесущие SATA SSD, но и сегмент твердотельных накопителей с NVMe-интерфейсом. Например, недавно вышедший Samsung 970 EVO с начала лета уже успел потерять в цене достаточно заметные 13 процентов. Задумываются о необходимости снижения цен на потребительские NVMe-продукты и другие производители. Более того, на рынке даже постепенно формируется целый подкласс доступных NVMe SSD, представители которого претендуют на то, чтобы начать вытеснять из типичных конфигураций персональных компьютеров привычные SATA-накопители и становиться действительно массовыми решениями. Возникновение этого подкласса подпитывается не только падением стоимости NAND-памяти, но и тем, что независимые тайваньские разработчики контроллеров в лице Phison и Silicon Motion начали поставки недорогих базовых NVMe-чипов, позволяющих экономить на стоимости остальных компонентов.

Так, в течение нескольких последних месяцев в ассортименте у Phison появился двухъядерный четырёхканальный NVMe-контроллер PS5008-E8, который тут же взяли в обиход компании Kingston, Patriot и Corsair, а в ответ Silicon Motion подготовила двухъядерный четырёхканальный NVMe-чип SM2263XT, нашедший применение в продукции HP и Transcend. Накопители, построенные с применением данных платформ, по цене вплотную приближаются к SATA SSD и благодаря этому привлекают к себе повышенное внимание.

Но у кого из перечисленных производителей недорогой SSD с интерфейсом NVMe получился удачнее? Ответить на этот вопрос мы и постараемся в сегодняшнем тестировании, в котором подробно познакомимся с Transcend SSD 110S – доступным типовым NVMe-накопителем на базе новой платформы SMI SM2263XT. При изучении его производительности мы сравним полученные результаты с быстродействием одного из недорогих накопителей на контроллере Phison PS5008-E8, и тем самым определим, какая из моделей NVMe SSD предлагает лучшее сочетание цены и производительности.

Технические характеристики

В этом году тайваньский разработчик контроллеров Silicon Motion сумел сделать гигантский шаг вперёд и вывел на рынок новый модельный ряд базовых чипов для NVMe SSD с очень достойными характеристиками. Со старшим контроллером в нём мы уже хорошо знакомы, это – SM2262, который позволил производителям, не проводящим внутренних разработок проприетарных решений, попасть в «высшую лигу». Наиболее показателен в этой связи пример ADATA: эта компания взяла эталонную версию платформы SM2262 с минимальными оптимизациями, и одного только этого оказалось достаточно, чтобы её новые накопители XPG SX8200 и Gammix S11 получили возможность достойно противостоять таким именитым соперникам, как Samsung 970 EVO или WD Black NVMe.

Но SM2262 – далеко не единственный многообещающий вариант, который могут взять на вооружение производители SSD. Наряду с ним Silicon Motion поставляет ещё и SM2263XT – более дешёвый чип, который можно с успехом использовать в недорогих накопителях с NVMe-интерфейсом. По сравнению с SM2262 он обладает уменьшенным до четырёх числом каналов для подключения флеш-памяти, а также, предназначаясь для безбуферных решений, лишён DRAM-интерфейса.

Однако вместе с тем в основе SM2263XT лежит точно такой же, как и в старшем чипе, двухъядерный процессор с архитектурой ARM Cortex, который усилен полным набором ключевых специализированных блоков, включая и фирменный движок NANDXtend, предназначенный для аппаратной реализации алгоритмов коррекции ошибок на основе LDPC-кодов. А это значит, что платформа SM2263XT, несмотря на урезание части возможностей относительно SM2262, обладает хорошей вычислительной мощью и потому может стать основой достаточно интересных воплощений.

Пугает разве только отсутствие DRAM-буфера, но здесь Silicon Motion предлагает любопытную новаторскую компенсацию – технологию HMB (Host Memory Buffer, буфер на стороне хоста). Это означает, что решения на базе SM2263XT не должны быть похожи на безбуферные накопители начального уровня, которые мы видели до настоящего момента. И вот почему.

Большинство современных твердотельных накопителей традиционно имеют три основных компонента: контроллер, флеш-память и DRAM-буфер. Быстрая динамическая память требуется для того, чтобы работать с таблицей трансляции адресов – специальной структурой данных, которая позволяет сопоставлять логические адреса секторов дисковой подсистемы с физическими адресами в массиве флеш-памяти накопителя. Такая таблица – ключевой элемент SSD, обращения к которому происходят при любой операции чтения, чтобы отыскать нужные данные в массиве флеш-памяти, и при любой записи, чтобы найти свободное место для сохранения новой информации.

Вполне естественно, что для скоростного SSD критически важно, чтобы доступ к такой таблице выполнялся максимально быстро, именно этим и обуславливается размещение её рабочей копии в специально выделенной SDRAM поблизости от контроллера. Обычно объём DRAM-буфера в SSD устанавливается из расчёта 1 Мбайт на 1 Гбайт ёмкости накопителя. Такое соотношение позволяет организовать таблицу в виде двоичного дерева, по которому можно быстро осуществлять поиск. Грамотно реализованная и размещённая в DRAM таблица трансляции позволяет, с одной стороны, качественно уменьшить латентности при обращении SSD, а с другой – обеспечить постоянство производительности при длительных интенсивных нагрузках.

Но иногда разработчиками накопителей применяется и иной подход – использование для хранения таблицы трансляции не выделенной DRAM, а собственной флеш-памяти накопителя. Обычно так поступают для снижения стоимости конечного продукта, однако, как мы видели при знакомстве с многочисленными безбуферными моделями SATA SSD, ни к чему хорошему это не приводит. Работа с флеш-памятью происходит значительно медленнее, чем с динамической, вследствие чего задержки при мелкоблочных операциях существенно увеличиваются, и накопители, не имеющие в конструкции DRAM, как правило, принципиально уступают в производительности полноценным решениям.

Спецификация NVMe 1.2 к этим двум традиционным вариантам размещения таблицы трансляции добавила третью, «промежуточную» опцию – технологию HMB, которая как раз и нашла применение в SM2263XT. Её суть заключается в том, что выделенную динамическую память внутри SSD можно и не иметь, а для хранения быстрой рабочей копии таблицы трансляции адресов пользоваться основной оперативной памятью компьютера. Прямой доступ к DDR4 SDRAM, подключенной к процессору, – одна из возможностей шины PCI Express, поэтому для накопителей с интерфейсом NVMe такая архитектура – вполне естественная конфигурация. Конечно, использование памяти, доступ к которой осуществляется через промежуточную шину PCI Express, вызывает определённые накладные расходы, и HMB не может стать полноценной альтернативой DRAM-буферу внутри накопителя в смысле производительности. Но HMB всё равно является заметно лучшим решением, чем хранение таблицы трансляции адресов в массиве флеш-памяти. Именно поэтому данная технология имеет очень хорошие перспективы в сегменте недорогих NVMe SSD.

Правда, есть у HMB и ещё одно серьёзное ограничение: получить в единоличное пользование большую область оперативной памяти SSD не может, и буфер, выделяемый в рамках этой технологии, обычно имеет заметно урезанный размер. Например, в современных реализациях HMB речь идёт о задействовании накопителем нескольких десятков мегабайт основной памяти ПК, в то время как внутренний DRAM-буфер, расположенный в SSD, может иметь объём от сотен мегабайт до нескольких гигабайт. Поэтому в рамках технологии HMB в оперативной памяти располагается лишь некоторая доля записей таблицы трансляции адресов, например та, к которой обращения идут наиболее часто. А это, в свою очередь, означает, что относительно высокие скорости доступа накопители с HMB могут демонстрировать не всегда, а при лишь при обращениях к определённой части данных.

Впрочем, при типичных потребительских нагрузках и при условии грамотного распределения записей таблицы трансляции адресов в оперативной и флеш-памяти серьёзной проблемой это не является. Нужно лишь понимать, что технология HMB – это типично «бытовое» решение, и оно заведомо не годится для высоконагруженных сценариев серверного характера, предполагающих массированные дисковые операции.

Тем не менее производительность SSD, наделённых технологией HMB, может сильно различаться в зависимости от того, сможет ли контроллер накопителя справиться с обработкой запроса, не обращаясь к части таблицы трансляции адресов, находящейся во флеш-памяти. И по тому, как всё это выглядит со стороны пользователя, может возникнуть ощущение, что помимо SLC-кеша в накопителе добавлен ещё один уровень кеширования: операции со сравнительно небольшими объёмами данных (как записи, так и чтения) у SSD с технологией HMB будут проходить с обычным уровнем быстродействия, но в неблагоприятных случаях производительность мелкоблочных операций вполне может снижаться до уровня безбуферных SSD.

Transcend SSD 110S – один из первых накопителей такого рода, в котором использован контроллер SM2263XT, нет DRAM-буфера, но зато поддерживается технология HMВ. И эта комбинация вполне может сработать, тем более что массив флеш-памяти SSD 110S собран из хорошо зарекомендовавшей себя трёхмерной TLC 3D NAND второго поколения компании Micron, которая отличается достаточно высокой производительностью и удобным в обращении размером кристаллов 256 Гбит. В результате скоростные характеристики Transcend SSD 110S выглядят вполне «на уровне» и практически не выдают, что речь идёт о безбуферной модели.

Впрочем, никаких поражающих воображение скоростных показателей в таблице не видно. В сравнении с флагманскими моделями потребительских NVMe-накопителей Transcend SSD 110S медленнее где-то вдвое. Четырёхканальность массива флеш-памяти бьёт по скорости последовательных операций, а отсутствие выделенного DRAM-буфера несколько ограничивает производительность случайных операций чтения и записи.

Но это вовсе не значит, что Transcend SSD 110S не вызывает интереса. Дело в том, что производитель решил придерживаться непривычной ценовой политики, и этот SSD, предназначенный для установки в слот M.2 с интерфейсом PCI Express 3.0 x4, стоит гораздо дешевле, чем его NVMe-собратья. Фактически можно говорить даже о том, что Transcend SSD 110S – это NVMe-накопитель с почти SATA-ценой. Причём очевидно, что установление на этот накопитель низкой цены – это отнюдь не разовая акция, приуроченная к началу продаж. Себестоимость SSD 110S низка благодаря недорогому контроллеру и отсутствию DRAM-буфера, а значит, новинка Transcend сможет оставаться одним из самых доступных NVMe SSD и впредь.

К тому же не нужно забывать, что производительность накопителей, использующих память с трёхбитовыми ячейками, во многом зависит от реализации в них алгоритмов кеширования. И здесь Transcend SSD 110S выгодно отличается от многих дорогих альтернатив. SLC-кеш в нём организован по динамическому принципу. То есть этот накопитель может принять с высокой скоростью не какой-то заранее оговорённый объём данных, а до трети от свободного объёма. И в большинстве случаев запись больших массивов файлов будет происходить на Transcend SSD 110S с хорошим темпом, который не будет быстро и заметно снижаться, как это часто бывает у SSD со статическим SLC-кешем.

В целом проиллюстрировать работу SLC-кеширования можно при помощи графика скорости непрерывной последовательной записи данных на Transcend SSD 110S ёмкостью 512 Гбайт (измерения проводились на свободном SSD).

Скорость записи на Transcend SSD 110S в SLC-режиме достигает порядка 1,4 Гбайт/с, причём на свободный накопитель с такой производительностью можно записать примерно 167 Гбайт данных. В медленный TLC-режим рассматриваемый SSD переходит только после этого. Причём, одновременно с записью новых данных, в TLC-режиме контроллеру нужно ещё и освобождать свободное место – уплотнять данные, которые до этого были записаны в однобитовом SLC-режиме. В результате скорость записи не только снижается до уровня порядка 130 Мбайт/с, но и теряет какую бы то ни было стабильность. К счастью, при обычном домашнем использовании с такими ситуациями придётся сталкиваться нечасто – они могут возникнуть лишь при непрерывной записи очень больших объёмов данных.

Нетрудно проследить и за тем, как сказывается на производительности тот факт, что в оперативной памяти с быстрым доступом у Transcend SSD 110S располагается лишь часть таблицы трансляции адресов. Для этого достаточно понаблюдать за скоростью при случайном мелкоблочном чтении, которое требует множественного поиска совпадений в таблице трансляции адресов. Например, мы измерили зависимость скорости случайного чтения от объема количества данных, в рамках которого осуществляются запросы.

Трактовать эти результаты очень просто. До тех пор, пока объём файлов, с которыми работает контроллер накопителя, остаётся таков, что вся необходимая часть таблицы трансляции адресов помещается в HMB-буфер в оперативной памяти, мы видим постоянную скорость случайного чтения (без очереди запросов) на уровне 57 Мбайт/с. Но как только активная часть таблицы в HMB-буфер помещаться перестаёт, производительность сразу падает. В худшем случае скорость случайного доступа может снижаться примерно вдвое, до весьма скромного уровня 28 Мбайт/с.

Исходя из полученных данных, можно предположить, что для своего HMB-буфера Transcend SSD 110S резервирует в оперативной памяти область размером примерно 25-30 Мбайт. Поэтому с 16-гигабайтным набором файлов он работает с хорошей скоростью, а разрастание этого объёма до 32 Гбайт уже приводит к падению производительности. Эту особенность архитектуры рассматриваемого накопителя тоже нужно иметь в виду.

Кстати говоря, именно по этой причине в модельном ряду Transcend SSD 110S нет версий объёмом более 512 Гбайт. Увеличение ёмкости накопителя раздувает размер таблицы трансляции адресов, однако объём оперативной памяти, который может забрать под свои нужды накопитель в рамках технологии HMB, ограничен достаточно строгими рамками. Поэтому модели большого объёма, построенные по таким принципам, могут оказаться слишком медленными в реальной работе, и их выпуск нецелесообразен.

К сказанному нужно добавить, что на Transcend SSD 110S даётся пятилетняя гарантия, однако ограничения по максимальному объёму записей, в рамках которых действуют её условия, достаточно жёсткие. Стандартом на сегодняшний день уже стал вдвое более высокий задекларированный ресурс.

Внешний вид и внутреннее устройство

Для проведения тестирования мы получили от компании Transcend образец SSD 110S ёмкостью 512 Гбайт. Это – наиболее интересный с точки зрения быстродействия вариант, так как версии меньшего объёма обладают заниженной и неоптимальной степенью параллелизма массива флеш-памяти и потому предлагают более низкую производительность.

Знакомство с физическим исполнением различных NVMe-накопителей в форм-факторе M.2 постепенно превращается в рутинную процедуру. Они мало чем отличаются друг от друга по внешнему виду, особенно если производитель не уделил какого-то специального внимания вопросам теплоотвода. Transcend SSD 110S как раз именно такой: из соображений экономии всё в нём сделано по-простому. Накопитель представляет собой ординарный M.2-модуль типоразмера 2280, выполненный на классическом зелёном текстолите и предназначенный для установки в слот с четырьмя подведёнными линиями PCI Express 3.0.

На лицевую сторону Transcend SSD 110S наклеена небольшая, не отличающаяся красочностью этикетка, на которой напечатан артикул модели и серийный номер накопителя. В целом же рассматриваемый SSD своей внешностью производит скорее впечатление продукта для OEM, а не розничного изделия, нацеленного на аудиторию розничных покупателей. Более того, на свои прошлые NVMe SSD компания Transcend помещала диагностические светодиоды, теперь же нет даже их.

При более близком знакомстве с элементной базой можно подметить некоторые характерные особенности Transcend SSD 110S 512 Гбайт. Например, тот факт, что массив его флеш-памяти собран из восьми микросхем, которые разнесены по обеим сторонам M.2-модуля. Это значит, что такие микросхемы имеют сравнительно простую внутреннюю организацию: в них находится всего лишь по два 256-гигабитных кристалла TLC 3D NAND второго поколения производства Micron. Благодаря этому Transcend получила возможность дополнительно сэкономить, перенеся операции по сборке чипов флеш-памяти на собственные производственные линии. Иными словами, компания закупает у Micron неразрезанные пластины и за резку, тестирование и упаковку берётся сама. Именно поэтому маркировка на чипах выглядит так непривычно и не содержит никаких отсылок к имени автора кремния.

Четырёхканальный чип SMI SM2263XT, который управляет работой массива флеш-памяти, тоже выглядит не совсем привычно. Он выделяется небольшими для NVMe-контроллера размерами: габариты составляют всего 12 × 12 мм, что косвенно указывает на его упрощённое внутреннее устройство. Тем не менее в Silicon Motion не стали отказываться от снабжения младшей микросхемы в модельном ряду металлической теплорассеивающей крышкой, ставшей визитной карточкой контроллеров этой компании.

Микросхемы DDR3 или DDR4 SDRAM на Transcend SSD 110S действительно нет. Как уже было сказано выше, вместо неё накопитель пользуется технологией HMB. Однако стоит иметь в виду, что такой подход, предполагающий размещение части таблицы трансляции адресов в оперативной памяти ПК, требует специальной поддержки со стороны операционной системы. На данный момент её может предоставить лишь Windows 10 версии позднее 1709 или Linux, начиная с релиза 4.14. Во всех же иных случаях (например, в Windows 7) Transcend SSD 110S будет работать «в режиме совместимости» – как крайне медлительный безбуферный накопитель.

Программное обеспечение

Никаких специальных драйверов для полноценной работы Transcend SSD 110S не требуется. Собственно, они и не предусмотрены производителем. В новых сборках Windows 10 технология HMB поддерживается стандартным NVMe-драйвером «из коробки». Никакого дополнительного включения или настройки этой технологии не нужно – всё активируется само и сразу. Правда, в этом есть и минусы: проверить факт размещения в оперативной памяти копии таблицы трансляции адресов или скорректировать размеры выделяемой под это области невозможно. Остаётся лишь полагаться на то, что операционная система делает всё правильно по определению.

Не предлагает никакой информации о работе технологии HMB и фирменная сервисная утилита Transcend SSD Scope. Её возможности типичны для программных продуктов такого класса, и тот факт, что SSD 110S – особенный накопитель, в ней никак не учтены.

SSD Scope позволяет следить за общим состоянием накопителя и оценивать его здоровье обращением к телеметрии S.M.A.R.T. В утилите имеются простые тесты быстродействия, а также реализован ряд сервисных возможностей: сканирование массива флеш-памяти на предмет ошибок, выполнение процедуры «надёжной очистки» флеш-памяти Secure Erase, а также проверка версии микропрограммы и её обновление.

Также в утилиту встроен инструмент для клонирования содержимого дисков, который позволяет выполнить быстрый и безболезненный «переезд» на свежекупленный SSD. Плюс к этому SSD Scope умеет управлять подачей команды TRIM.