Обзор NVMe-накопителя Samsung 980 PRO: всё бы было хорошо, если б это был не «про»

Путь на рынок нового поколения твердотельных накопителей, обладающих поддержкой скоростного интерфейса PCI Express 4.0, оказался очень непростым. Вернее, этот путь пока ещё даже не пройден, поскольку те NVMe SSD под PCI Express 4.0, которые можно купить сегодня, скорее похожи на какие-то насмешки над новыми технологиями, чем на революционные высокопроизводительные продукты, коими они должны быть по логике вещей. Несмотря на то, что с момента выхода массовых платформ, где появился скоростной вариант интерфейса PCI Express, прошло более года, на рынке до сих пор доступны потребительские PCI Express 4.0-накопители только одного типа – построенные на контроллере Phison E16. Данный контроллер является незамысловатой адаптацией старого и довольно посредственного чипа Phison E12 с заменённым блоком внешнего интерфейса, поэтому он не только не позволяет накопителям на его основе задействовать полную пропускную способность PCI Express 4.0 x4 при последовательных операциях, но и не даёт им показать удовлетворительный уровень производительности при произвольном доступе к данным.

Иными словами, в томительном ожидании того момента, когда предлагаемая процессорами AMD Ryzen 3000 поддержка скоростного интерфейса наконец обретёт реальный смысл, прошёл уже целый год. За это время ни Phison, ни Silicon Motion дальше деклараций и демонстрации ранних предсерийных образцов контроллеров SSD нового поколения пока не продвинулись. Не представили массовых решений для PCI Express 4.0 и производители первого эшелона, которые полагаются на собственные вертикально интегрированные платформы SSD.

Но теперь всё наконец-то должно поменяться. На рынок массовых NVMe SSD под PCI Express 4.0 выходит крупный и авторитетный игрок, который не привык к полумерам и всегда громко и убедительно заявляет о своих амбициях, сразу же ставя всех конкурентов в позицию догоняющих. Да, речь про Samsung. О том, что корейский производитель готовит свой первый и флагманский массовый SSD с полноценной поддержкой PCI Express 4.0 — 980 PRO — было известно уже достаточно давно. Но сегодня этот накопитель теряет статус перспективного продукта и становится реальностью. В ближайшие недели новинка поступит на прилавки магазинов по всему миру, в том числе и в России: в нашей стране поступления товарных партий Samsung 980 PRO стоит ожидать в конце сентября – начале октября.

Несмотря на то, что отделаться от желания упрекнуть Samsung в излишней медлительности с внедрением PCI Express 4.0 очень трудно, в действительности сейчас – весьма подходящий момент для того, чтобы начинать продвижение нового поколения высокоскоростных устройств на рынок. Во-первых, платформы с поддержкой этого интерфейса – уже далеко не диковинка. Та же AMD предлагает целых два набора системной логики, платы на базе которых могут принять новые накопители, – дорогой X570 и более доступный B550. Кроме того, поддержка PCI Express 4.0 появилась и у Intel — пусть пока только в ноутбуках на процессорах Tiger Lake, но начало положено. Во-вторых, с популяризацией накопителей с интерфейсом PCI Express 4.0 должно сильно помочь следующее поколение игровых консолей, поскольку часть их магии обусловлена именно использованием SSD такого типа, и об этом явно говорят и Microsoft, и Sony. В результате пользователи, желающие идти в ногу со временем, наверняка обратят своё внимание на Samsung 980 PRO, а южнокорейский производитель наверняка рассчитывает, что его новинка станет не нишевым продуктом для техноманьяков, а вполне востребованным массовым накопителем.

Более того, текущие планы Samsung предполагают, что одним только 980 PRO дело не ограничится. В ближайшей перспективе поддержка PCI Express 4.0 появится в более доступных продуктах серий EVO и даже QVO. Но начинать корейская компания решила всё же со старшего устройства. И это значит, что на примере 980 PRO мы сразу же должны увидеть максимальную производительность, которую разработчики Samsung сумели выжать из имеющихся технологий. По изначальному замыслу, 980 PRO должен стать новым недосягаемым лидером среди NVMe SSD на следующий год-два. И именно поэтому от знакомства с 980 PRO можно ждать очень многого. Но что вышло у Samsung на самом деле?

⇡#Внешний вид и устройство

Во внешности Samsung 980 PRO никаких технологических прорывов не угадывается. Выглядит накопитель совершенно типично: если вы держали в руках какой-то из предыдущих NVMe SSD корейского производителя, то новинка при первом знакомстве не удивит. Но если копнуть поглубже, то выяснится, что перед нами продукт совершенно иного рода как по сравнению с прямым предшественником, 970 PRO, так и на фоне более современного 970 EVO Plus. Реализация интерфейса PCI Express 4.0 потребовала применения в 980 PRO нового контроллера Elpis, с которым мы до сих пор не сталкивались. А для того, чтобы этот контроллер cмог раскрыть себя в полной мере, накопитель укомплектовали свежей 128-слойной TLC 3D V-NAND шестого поколения, которая отличается оптимизированным дизайном и увеличенными скоростями.

И говоря о памяти, сразу нужно отметить, что Samsung, долгое время лидировавшая по техпроцессам 3D V-NAND с большим отрывом, на этот раз оказалась отнюдь не первым производителем, применившим 128-слойную память в серийном продукте. Компанию обогнали другие корейцы – HK Hynix, с конвейера которых с начала года сходят накопители серий Platinum P31 и Gold P31, построенные на базе 128-слойной TLC 3D NAND собственной разработки.

Но огорчительно совсем не это, а то, что Samsung 980 PRO переехал на память с трёхбитовыми ячейками, тогда как раньше накопители, имеющие приставку PRO в названии, базировались на двухбитовой MLC-памяти. Впрочем, сама Samsung не считает, что произошла какая-то катастрофа. По мнению компании, реальные обладатели 980 PRO даже не заметят, что имеют дело с более плотной флеш-памятью.

В пользу этого приводятся весомые аргументы. Износостойкость и долговечность TLC 3D V-NAND проблемой не является уже давно – современные техпроцессы вкупе с мощным математическим аппаратом, который применяется для коррекции ошибок, успешно решили эту проблему. Что же касается традиционно более низкой производительности, то она легко исправляется алгоритмами SLC-кеширования, с одной стороны, и прогрессом в характеристиках разрабатываемой TLC 3D V-NAND – с другой. Например, используемая в 980 PRO 128-слойная память быстрее на 10 % прошлой 96-слойной версии, которая в своё время сделала из 970 EVO Plus лидирующий по скорости NVMe SSD, даже без всякого кеширования.

Выполнен Samsung 980 PRO в виде привычного M.2-модуля форм-фактора 2280. При этом компания принципиально использует односторонний монтаж компонентов на печатную плату: предполагается, что такие накопители могут трудиться не только в настольных высокопроизводительных компьютерах, но и, например, в тонких и лёгких ноутбуках.

Именно с таким широким позиционированием связано нежелание Samsung использовать радиаторы на своих NVMe SSD. Производитель считает, что сохранить стандартные габариты гораздо важнее. Тем не менее перегрев серьёзной проблемой для 980 PRO быть не должен (хотя это мы ещё проверим). Во-первых, контроллер Elpis производится по самому современному техпроцессу с нормами 8 нм, прямо как чипы NVIDIA Ampere. Во-вторых, Samsung продолжает делать ставку на фирменную наклейку с внутренним слоем медной фольги, которая раньше достаточно неплохо помогала рассеивать выделяемое SSD тепло.

Теплоотводящая наклейка находится на нижней стороне накопителя, на лицевой же поверхности размещается другая этикетка – информационная. Из интересных деталей на ней можно заметить дату производства. Например, прибывший к нам образец был изготовлен совсем недавно, в августе. Поэтому логично предположить, что дизайн своего PCI Express 4.0-накопителя Samsung доделывала всю весну и лето, а анонс задержался не из-за логистических проблем, связанных с пандемией.

Печатная плата Samsung 980 PRO имеет новый дизайн, она отличается от плат, на которых базировались 970 PRO и 970 EVO Plus. Это закономерно, ведь все составные части накопителя изменились.

Тем не менее вся элементная база Samsung 980 PRO – как и раньше, всего лишь четыре микросхемы. Помимо нового 8-нм контроллера Elpis, благодаря которому как раз и реализуется поддержка PCI Express 4.0, это – микросхема оперативной памяти LPDDR4 для буферизации таблицы трансляции адресов и две микросхемы TLC 3D V-NAND, в которых штабелировано по 8 или 16 полупроводниковых кристаллов. Все компоненты в составе SSD изготовлены самой Samsung, то есть мы имеем дело с вертикально интегрированным продуктом.

Существующие накопители серии Samsung 980 PRO основываются на 128-слойной трехбитовой флеш-памяти с ёмкостью отдельных кремниевых кристаллов по 256 Гбит. Таким образом, потенциал контроллера Elpis способен в полной мере раскрыться в SSD объёмом 1 Тбайт, но и 512-Гбайт версия не должна существенно уступать в быстродействии. Эти две модификации действительно имеют близкую производительность, а вот 256-гигабайтная версия – заметно медленнее.

⇡#Технические характеристики и особенности работы

Сопоставлять характеристики Samsung 980 PRO и предшествующих накопителей вроде 970 PRO или 970 EVO Plus довольно глупо – сегодня мы имеем дело с пришельцем из нового мира, который удваивает скоростные показатели предшественников. Внушительно он смотрится и на фоне моделей с интерфейсом PCI Express 4.0 на контроллере Phison E16: по сравнению с теми же Seagate Firecuda 520, Gigabyte Aorus NVMe Gen4 или Patriot Viper VP4100 новое предложение Samsung обещает быть раза в полтора мощнее. По крайней мере, такой вывод можно сделать, ознакомившись с официальными спецификациями:

Характеристики быстродействия на бумаге, безусловно, выглядят очень красиво, и особенно впечатляюще смотрится число в 1 миллион IOPS при мелкоблочных операциях. Стремительный взлёт этого показателя (а 970 PRO, напомним, обещал лишь полмиллиона IOPS) обуславливается не столько переходом 980 PRO на интерфейс PCI Express 4.0 x4, сколько свойствами нового контроллера Elpis, который среди прочего получил и чисто серверные оптимизации, например способность одновременной работы с 128 очередями запросов (против 32 очередей у Phoenix). Очевидно, Samsung планирует использовать Elpis и в продукции для дата-центров, где столь заметное усиление возможностей параллельной обработки команд действительно имеет значение. Но кое-что перепало и пользователям настольных систем: производительность этого контроллера на однопоточной нагрузке выросла до 22 тысяч IOPS при чтении против 15 тысяч у контроллера Phoenix. А это значит, что 980 PRO должен оказаться заметно проворнее на типовых потребительских задачах – при запуске игр и программ.

При этом принципиальное увеличение производительности не привело к такому же росту энергопотребления и тепловыделения. По крайней мере, из заявлений Samsung следует, что энергопотребление 980 PRO выросло при чтении на скромные 13 %, а при записи – даже снизилось на 5 %.

Однако в приведённой таблице паспортных характеристик таким же позитивным кажется далеко не всё. Определённые вопросы, например, вызывает состав модельного ряда, старшая модификация в котором имеет ёмкость всего 1 Тбайт. Samsung при этом обещает дополнить ассортимент 980 PRO версией объёмом 2 Тбайт до конца года, но по современным меркам и это далеко от рекорда. Некоторые производители успешно освоили выпуск NVMe SSD в формате M.2 2280 ёмкостью не только 2 или 4, но и даже 8 Тбайт.

Ещё один момент, вокруг которого наверняка возникнет бурная дискуссия, – заявленный ресурс 980 PRO. Здесь Samsung проявила радикальный консерватизм и запретила в рамках действия гарантии более 600 перезаписей полной ёмкости накопителя. Это значит, что условия гарантии на новинку по сравнению с 970 PRO стали вдвое хуже, что наверняка будет расценено многими либо как чистосердечное признание Samsung в ухудшении качества продукции, либо как вероломное нападение на права пользователей.

Но сам производитель оправдывает своё решение вовсе не переходом во флагманской серии на TLC 3D V-NAND, а статистикой и здравым смыслом: в действительности за 5 лет эксплуатации выходят за предел в 600 Тбайт записей лишь 0,3 % реальных пользователей, а 99 % владельцев ПК за этот срок не способны записать на SSD больше 150 Тбайт данных. Впрочем, такие аргументы кажутся не слишком убедительными: объём записываемых данных с каждым годом растёт вместе с увеличением разрешения фотографий и видео, а также с ростом объёмов операционных систем, программ и игр. Поэтому ретроспективный анализ здесь может ввести в заблуждение.

Настоящая причина жёстких ограничений по ресурсу, скорее всего, кроется в желании Samsung отбить охоту у корпоративных клиентов закупать 980 PRO для серверных применений. По слухам, с 970 PRO это происходило с завидной периодичностью. Но в итоге Samsung теперь столкнётся с заметными репутационными потерями, ведь по задекларированному ресурсу 980 PRO проигрывает очень многим современным высокопроизводительным NVMe SSD, и объяснить этот факт обычным пользователям будет не так-то просто.

Переход на TLC 3D V-NAND повлёк за собой и ещё одно следствие: в 980 PRO теперь появилось SLC-кеширование, которого в MLC-накопителях Samsung не было. Следовательно, высокие скорости при непрерывной записи 980 PRO показывает не на полной ёмкости, а лишь на какой-то её части. В PCI Express 4.0-накопителе применение нашла технология Intelligent TurboWrite 2.0 – более свежая версия фирменного SLC-кеширования Samsung по сравнению с технологией, применявшейся в 970 EVO Plus. Главное улучшение – в увеличении количества динамически выделяемой под запись в скоростном однобитовом режиме флеш-памяти. Размер фиксированной области, работающей как SLC независимо ни от чего, остался старым – 4 или 6 Гбайт, но в дополнение к ней в SLC-режим теперь может переключаться до половины свободной памяти из основного массива TLC 3D V-NAND. Правда, тут есть некоторые ограничения, поэтому конкретные данные по размеру SLC-кеша в разных модификациях 980 PRO мы собрали в таблицу.

Эксперимент с практической записью на чистый Samsung 980 PRO объёмом 1 Тбайт позволяет убедиться, что обычный пользователь в практическом использовании вряд ли столкнётся с падением скорости записи. Единственное условие: для работы динамической части технологии Intelligent TurboWrite 2.0 нужно сохранять на накопителе определённую долю свободного места.

Отдельно нужно отметить, что в отличие от разработок Phison и Silicon Motion работа кеширования в рамках технологии Intelligent TurboWrite 2.0 не имеет оптимизаций, направленных на улучшение показателей в бенчмарках. Алгоритма отложенного высвобождения SLC-кеша в нём не предусмотрено, и скорость чтения не снижается для файлов, которые были записаны за какое-то время до обращения к ним.

В процессе тестирования было замечено, что рост мощности контроллера Elpis привёл к ускорению выполнения операции TRIM. После удаления файлов большого объёма Samsung 980 PRO больше не демонстрирует падения производительности на несколько секунд, что довольно отчётливо прослеживалось у прошлых накопителей южнокорейского производителя. На следующем графике показана производительность мелкоблочного чтения сразу же после высвобождения на SSD 64 Гбайт данных.

Здесь видны лишь отдельные всплески латентности, которые вряд ли смогут заметить реальные пользователи. В этом отношении Samsung 980 PRO выгодно отличается почти от любого другого современного SSD – фоновая сборка мусора в нём работает действительно незаметно и никак не сказывается на процессах переднего плана.

⇡#Программное обеспечение

Компания Samsung для своих твердотельных накопителей предлагает специальную сервисную утилиту Magician, которая непрерывно развивается и уже доросла до версии 6.2. Впрочем, пока эта утилита не получила полную совместимость с 980 PRO, что серьёзно ограничивает её возможности.

Пока в ней работает лишь общая информационная панель и встроенный тест производительности.

Остальные возможности, в числе которых диагностическое сканирование, настройка резервной области, оптимизация настроек операционной системы, полная очистка диска с гарантированным уничтожением информации и включение шифрования данных, для 980 PRO пока недоступны.

Впрочем, вся эта функциональность, очевидно, будет введена при ближайшем обновлении Magician.