AMD против Intel: проверяем производительность SSD

Полтора года тому назад компания AMD выпустила процессоры Ryzen, основанные на микроархитектуре Zen 2. Вместе с увеличившейся производительностью и принципиально новым для процессорного рынка чиплетным дизайном они получили поддержку нового поколения интерфейса PCI Express – PCIe 4.0. Как это обычно и бывает с новыми стандартами, устройств, способных сразу же перейти на использование PCIe 4.0, оказалось немного. Не имея особого выбора, AMD в продвижении новой платформы решила опереться на NVMe-накопители с поддержкой PCIe 4.0, которые на тот момент были доступны в единственном варианте – на базе контроллера Phison PS5016-E16. Однако этот выбор вряд ли можно признать удачным. Как только такие накопители добрались до прилавков магазинов, мы провели их подробное тестирование в паре с процессорами Ryzen и пришли к выводу, что все заявления о преимуществах PCIe 4.0 больше похожи на не слишком добросовестный маркетинг, основанный на манипулировании числами из спецификаций, в действительности не имеющими ничего общего с реальным пользовательским опытом. По факту выходило так, что накопители с поддержкой PCIe 4.0 работали... медленнее привычных моделей с интерфейсом PCIe 3.0!

С тех пор прошло более года, и мы вновь решили вернуться к исследованию того, насколько для современных систем может быть полезна шина PCIe 4.0 в контексте подключения к ним твердотельных накопителей. За это время произошли заметные изменения. Во-первых, у AMD появились новые процессоры семейства Ryzen 5000, основанные на микроархитектуре Zen 3. Контроллер PCIe 4.0, как и весь чиплет ввода-вывода, в них не изменился, но зато они получили более совершенную топологию, которая потенциально могла улучшить производительность работы дисковой подсистемы за счёт снижения внутрипроцессорных задержек. Во-вторых, для платформы Socket AM4 с поддержкой шины PCIe 4.0 вышел новый набор системной логики B550, рассчитанный на широкое применение в системах среднего уровня. И наконец, серьёзный сдвиг наметился в ассортименте потребительских NVMe SSD, в котором наконец-то стали появляться вертикально интегрированные и созданные серьёзными разработчиками решения, а не базирующиеся на контроллерах Phison, никогда не блиставших своими возможностями.

В новом тестировании мы заново проверим, могут ли современные потребительские твердотельные накопители с поддержкой PCIe 4.0 считаться действительно нужным атрибутом производительных систем на базе процессоров Ryzen последних поколений. Мы оценим, какой прирост быстродействия в реальных условиях может дать применение лучших NVMe SSD сегодняшнего дня по сравнению с теми PCIe 3.0-накопителями, которые считались оптимальным выбором год назад. Кроме того, мы постараемся ответить на вопрос о том, насколько обделёнными должны себя чувствовать обладатели систем на базе процессоров Intel из-за того, что у них до сих пор нет поддержки актуальной версии интерфейса PCI Express.

⇡#Чем хорош интерфейс PCI Express 4.0

Прежде чем переходить к практическим результатам, необходимо напомнить, что вообще хорошего приносит интерфейс PCI Express 4.0, которому посвящён этот материал. Тем более, никаких замысловатых технологий в данном случае нет – переход от третьей к четвёртой версии интерфейса проложен самым очевидным маршрутом.

Стандарт PCIe 4.0 был утверждён в 2017 году, его главное отличие от предыдущего стандарта PCIe 3.0 заключается в увеличенной вдвое пропускной способности. Причём такой переход выполнен с сохранением полной прямой и обратной совместимости: рост скорости достигается простым увеличением частоты передачи данных с сохранением старой схемы кодирования сигнала.

Обмен данными по шине PCIe 3.0 происходит с частотой 8 млрд пересылок в секунду, а в стандарте PCIe 4.0 эта частота увеличена до 16 млрд пересылок в секунду. Таким образом, в то время как пропускная способность одной линии PCIe 3.0 составляла 985 Мбайт/с (с учётом 128b/130b-кодирования), в стандарте PCIe 4.0 она выросла вдвое – до 1969 Мбайт/с. Далее естественным образом расширились полосы пропускания всех стандартных для массовых ПК шин. Скорость PCIe 4.0 x4 увеличилась до 7,9 Гбайт/с, а шина PCIe 4.0 x16 оказалась способна пересылать данные с максимальной пропускной способностью 31,5 Гбайт/с (в каждую сторону).

В результате накопители, работающие через интерфейс PCIe 4.0 x4, получают удвоенную пропускную способность по сравнению с их предшественниками. Это, естественно, не может автоматически переконвертироваться в удвоение производительности при любых нагрузках, но скорости при линейных операциях, которые в NVMe SSD прошлого поколения уже упёрлись в пропускную способность PCIe 3.0 x4, теперь наверняка заметно увеличатся.

В пользу перехода на использование накопителей с интерфейсом PCIe 4.0 в системах игрового предназначения есть очень наглядный аргумент: Microsoft и Sony, не сговариваясь, отдали предпочтение именно таким SSD в своих новых консолях. Игровые приставки – устройства, производители которых выбирают оптимальные по соотношению цены и производительности решения, поэтому появление в них твердотельных накопителей с интерфейсом PCIe 4.0 явно указывает на то, что их применение должно быть оправданно как минимум в игровых системах.

⇡#Твердотельные накопители для PCI Express 4.0

Ассортимент твердотельных накопителей, способных задействовать для обмена данными с системой новую скоростную шину PCIe 4.0, в последние месяцы стал куда более разнообразным. К многочисленным накопителям на базе контроллера Phison PS5016-E16, который обеспечивал поддержку интерфейса PCIe 4.0 x4 чисто формально – без реальной пользы для быстродействия, наконец-то стали добавляться настоящие модели нового поколения, которым скоростная шина действительно позволяет штурмовать вершины производительности, недоступные ранее потребительским SSD.

Первым накопителем такого рода стал Samsung 980 PRO – новый накопитель лидера рынка, построенный на специально разработанном для PCIe 4.0-систем контроллере Elpis. Используя восьмиканальный массив флеш-памяти на базе 128-слойной TLC 3D V-NAND, этот накопитель способен развивать скорости до 7 Гбайт/с при линейном чтении и до 5 Гбайт/с при линейной записи, а на мелкоблочных операциях он выдает производительность до миллиона IOPS.

Вслед за Samsung 980 PRO на рынок пришёл и второй PCIe 4.0-тяжеловес – накопитель Western Digital SN850, который тоже выдаёт скоростные показатели в полтора-два раза выше скоростей привычных нам NVMe SSD. Как и Samsung, для своего нового накопителя Western Digital разработала специальный контроллер «второго поколения», который в SN850 взаимодействует с восьмиканальным массивом флеш-памяти из 96-слойных чипов BiCS4 (TLC 3D NAND). С точки зрения паспортных показателей быстродействия продукт Western Digital весьма похож на Samsung 980 PRO и обеспечивает линейные скорости 7 Гбайт/с и 5,1 Гбайт/с при чтении и записи соответственно и 1/0,7 млн IOPS — при мелкоблочном чтении или записи.

Вопросу сопоставления производительности этих решений мы посвятим отдельный материал, который выйдет чуть позже, а здесь речь пойдёт о том, какие системы нужны для того, чтобы подобные ультрасовременные накопители могли раскрыть заложенный в них потенциал.

⇡#Поддержка накопителей с интерфейсом PCI Express 4.0 в платформе AMD

Современные массовые системы не могут похвастать повсеместной поддержкой интерфейса PCI Express 4.0. На данный момент PCIe 4.0-устройства можно использовать в полноскоростном режиме исключительно в конфигурациях на процессорах AMD, причём лишь в материнских платах, которые основаны на наборах системной логики X570 или B550. Но даже и в этих случаях существуют определённые ограничения, обусловленные тем, что контроллер PCIe 4.0 пока интегрирован лишь в один полупроводниковый кристалл для потребительских продуктов – чиплет ввода-вывода, используемый в процессорах Ryzen последних поколений. Поэтому поддержка современного интерфейса появляется только там, где этот чип применяется в той или иной роли.

Как известно, чиплет ввода-вывода процессоров Ryzen нынешнего и предыдущего поколений, относящихся к пятитысячной и трёхтысячной сериям, — суть один и тот же кремний, производимый по 12-нм техпроцессу на предприятиях GlobalFoundries. В нём компания AMD, помимо контроллера DDR4 SDRAM, реализовала и контроллер PCI Express 4.0 на 24 линии. Именно благодаря этому полупроводниковому кристаллу процессоры Ryzen семейств Matisse и Vermeer могут работать с PCIe 4.0-видеокартой и одним PCIe 4.0-накопителем. Оставшиеся четыре линии при этом недоступны для пользователя и служат для связи с чипсетом.

Однако наличие в системе процессора Ryzen 3000 или 5000 вовсе не гарантирует способность этой системы работать с PCIe 4.0-устройствами на полной скорости. Дело в том, что AMD разрешает активировать процессорный интерфейс в режиме PCIe 4.0 только на тех платах, которые имеют специально оптимизированную разводку. В число таких плат входят исключительно свежие материнки, построенные на чипсетах X570 и B550. На более старых платах с иными чипсетами поддержка PCIe 4.0 блокируется в BIOS, и процессорный контроллер работает в режиме PCIe 3.0.

При этом между платами на X570 и B550 есть большое различие, обусловленное тем, что эти чипсеты представляют собой принципиально разные микросхемы, спроектированные и выпускаемые разными компаниями.

Флагманский чипсет X570 представляет собой тот же самый процессорный чиплет ввода-вывода, но работающий отдельно от процессора. В нём имеется собственный набор высокоскоростных интерфейсов, за счёт чего он имеет возможность связываться с процессором по шине PCIe 4.0 x4 и предлагать собственными силами ещё 16 дополнительных линий PCIe 4.0. В результате системы, построенные вокруг набора логики X570, поддерживают PCIe 4.0 повсеместно. Современный скоростной интерфейс там подведён ко всем слотам материнской платы, что в конечном итоге позволяет установить помимо PCIe 4.0-видеокарты сразу несколько высокоскоростных NVMe-накопителей.

Микросхема системной логики B550, в отличие от X570, спроектирована внешним подрядчиком – компанией ASMedia, которая занималась созданием и выпуском наборов логики для платформы Socket AM4 ранее. Чипсет В550 нацеливается на системы среднего уровня и потому гораздо проще. В нём поддержки PCIe 4.0 нет вообще, а вместо этого предлагается лишь контроллер PCIe 3.0 на 14 линий. Четыре линии из этого набора используются для связи с процессором, остальные 10 линий PCIe 3.0 могут быть разобраны на слоты расширения. Поэтому материнские платы, построенные на чипсете B550, могут поддерживать PCIe 4.0-устройства лишь в тех слотах, за работу которых отвечает процессор. Следовательно, в таких платах, помимо графической карты, на высокой скорости, свойственной интерфейсу PCIe 4.0, способен работать только один NVMe-накопитель.

Кроме X570 и B550 в пятисотую серию наборов логики AMD входит ещё и микросхема начального уровня A520, однако в ней поддержка PCIe 4.0 не предусмотрена вообще. Даже те слоты на материнской плате, за работу которых отвечает процессор, в платах на A520 обеспечивают лишь пропускную способность PCIe 3.0. Это связано с использованием в недорогих материнских платах упрощённой разводки сигнальных линий.

Более подробно в различиях современных наборов системной логики для платформы Socket AM4 должна помочь разобраться следующая таблица.

⇡#Четыре варианта работы SSD в современной платформе AMD

Исходя из сказанного выше, можно понять, что, даже если говорить о системах на процессорах Ryzen последних поколений, современный высокоскоростной твердотельный накопитель в них может работать в четырёх различных режимах в зависимости от того, в какой материнской плате и в каком слоте он установлен. Варианты такие:

• В режиме PCIe 4.0 через интерфейс, за работу которого отвечает контроллер процессора. Этот режим доступен в материнских платах на базе системной логики X570 и B550 при установке SSD в ближайший к процессору M.2-слот. Обычно такой слот расположен непосредственно под гнездом Socket AM4.
• В режиме PCIe 4.0 через интерфейс, реализованный контроллером в системной логике. Чипсетные M.2-слоты с поддержкой PCIe 4.0 в настоящее время предлагают исключительно материнские платы, основанные на системной логике X570.
• В режиме PCIe 3.0, обеспечиваемом процессорным контроллером по обратной совместимости. Этот режим активируется либо в том случае, когда материнская плата не обладает поддержкой PCIe 4.0 даже для слотов, подключенных к процессору (к числу таких плат относятся те, которые основаны на отличных от X570 и B550 чипсетах), либо при установке в них накопителей без поддержки PCIe 4.0.
• В режиме PCIe 3.0 через чипсетый контроллер. Такие слоты M.2 без поддержки PCIe 4.0 могут присутствовать на платах на базе системной логики B550 и A520 в качестве вторичных.

Все эти варианты различаются по производительности, причём отличия обуславливаются не только версией протокола PCI Express, но и тем, каким контроллером обеспечивается работа этой шины. Чтобы проиллюстрировать это наглядно, мы с помощью бенчмарка CrystalDiskMark провели измерения производительности накопителя Samsung 980 PRO, который сам по себе рассчитан на работу с подключением к шине PCIe 4.0 x4.

	Подключение через CPU	Подключение через чипсет
PCIe 4.0
PCIe 3.0

В первую очередь в глаза бросаются различия в производительности скоростного накопителя, подключенного по PCIe 4.0 и PCIe 3.0. Это совершенно закономерно, поскольку разница между версиями интерфейса в первую очередь заключается в двукратном различии в пиковой пропускной способности. И именно по этой причине накопитель, работая через PCIe 4.0 x4, обеспечивает примерно вдвое более высокую скорость линейных операций, чем в случае подключения через PCIe 3.0 x4. Однако версия интерфейса сказывается и на скорости мелкоблочных операций. Конечно, это влияние не столь заметно, поскольку главным фактором, ограничивающим производительность в данном случае, выступает латентность массива флеш-памяти. Например, если говорить о быстродействии при глубокой очереди запросов, результат Samsung 980 PRO с использованием шины PCIe 4.0 x4 оказывается примерно на 20 % выше.

Вместе с тем нельзя обойти вниманием и тот факт, что процессорный контроллер PCIe 4.0 обеспечивает более высокую производительность накопителя, нежели аналогичный контроллер, встроенный в системную логику. Однако в данном случае разница обусловлена не различиями в контроллерах, тем более что они совершенно одинаковы по архитектуре и реализации. Влияние на производительность оказывает удлинение магистрали «процессор—SSD» в том случае, когда работать с накопителем процессору приходится через чипсет. В этом случае рост задержек при обращениях возникает за счёт промежуточной шины PCIe, которая связывает процессор и чипсет, и за счёт появления на пути данных дополнительных узлов на концах этой шины.

В результате установка высокоскоростного накопителя в дальний от процессора разъём M.2 даже в платах с чипсетом X570 оборачивается падением производительности порядка 5-10 %, которое особенно заметно при мелкоблочных операциях с глубокой очередью запросов.

Вывод из этого очень простой: даже если вы располагаете процессором семейств Ryzen 5000 или Ryzen 3000, имеющим встроенный контроллер PCIe 4.0, одного этого для раскрытия всех возможностей современных скоростных накопителей недостаточно. Требуется также современная материнская плата, в которой нужно использовать «правильный» слот M.2 – тот, который находится ближе к процессорному гнезду.

⇡#Как обстоит дело с поддержкой PCI Express 4.0 в платформе Intel

Рассказ о поддержке PCIe 4.0 в платформе AMD необходимо дополнить замечанием о том, как с такой поддержкой обстоит дело в платформе Intel. Выше уже было сказано, что AMD остаётся пока единственным поставщиком массовых систем с поддержкой скоростной версии PCI Express, однако это – короткое описание текущей ситуации.

Если же говорить более развёрнуто, то необходимо упомянуть, что актуальная платформа LGA1200, которую в настоящее время продвигает компания Intel, поддержку PCI Express 4.0 получит в самой ближайшей перспективе. Она будет введена одновременно с выпуском процессоров семейства Rocket Lake, запланированным на март предстоящего года.

Как предполагается, процессоры Rocket Lake получат встроенный контроллер PCIe 4.0 на 20 линий, 16 из которых выделены на работу с графической картой, а четыре будут отведены на взаимодействие с твердотельным накопителем. Таким образом, по сравнению с текущим поколением процессоров Comet Lake новые Rocket Lake получат поддержку большего числа линий PCIe, работающих на более высокой скорости. Но раскрытие таких возможностей на практике потребует обновления материнских плат: для того, чтобы в будущих LGA1200-платформах можно было полноценно воспользоваться PCIe 4.0-устройствами, будет необходимо совершить переход на платы на базе чипсетов 500-й серии. При этом сама системная логика нового поколения продолжит довольствоваться лишь встроенным контроллером PCIe 3.0. То есть в грядущей платформе Intel поддержку PCIe 4.0 обеспечат лишь те слоты, за работу которых будет отвечать процессор. А это значит, что скоростной NVMe-накопитель в таких системах может быть только один подобно тому, как это реализовано в существующих платах с набором логики AMD B550.