Обзор NVMe-накопителя PNY XLR8 CS3140: Phison E18 против Samsung 980 PRO и WD Black SN850

Когда в середине 2019 года AMD выпустила революционные процессоры Ryzen 3000, в которых впервые появилась поддержка PCI Express 4.0 для видеокарт и накопителей, на рынке была единственная разновидность SSD, способных воспользоваться преимуществами этой шины. Такие SSD основывались на контроллере Phison PS5016-E16, который был спешно подготовлен к моменту выпуска Zen 2, чтобы с его помощью AMD и Phison могли совместно заняться продвижением новой технологии, показывая способность нового поколения SSD в системах на процессорах Ryzen развивать скорости линейного чтения и записи до 5,0 Гбайт/с. Благодаря такой массированной рекламе SSD с контроллером Phison E16 смогли получить некоторую популярность, хотя довольно быстро выяснилось, что все преимущества, на которых акцентировали внимание маркетологи, имеют очень отдалённое отношение к реальной жизни.

Многочисленные независимые тестирования накопителей с контроллером Phison PS5016-E16 продемонстрировали, что возросшие линейные скорости проявляются исключительно в синтетических бенчмарках, а в реальных задачах эти SSD работают не лучше обычных PCIe 3.0-моделей среднего уровня. И это совершенно закономерно, потому что при создании контроллера PS5016-E16 инженеры Phison попросту модернизировали внешний интерфейс у бюджетного контроллера прошлого поколения PS5012-E12, оставив основное ядро тем же самым. Поэтому, когда на рынок начали выходить PCIe 4.0-решения производителей первого эшелона (Samsung 980 PRO, WD Black SN850 и другие), слабость платформы Phison E16 проявилась очень наглядно. Все новые PCIe 4.0 SSD раз за разом выступали на голову выше предложений на платформе Phison, доказывая, что накопителям с микросхемой PS5016-E16 в высшей лиге не место.

Впрочем, делать серьёзный упор на собранную на скорую руку из подручных средств микросхему PS5016-E16 не планировала и сама Phison. Сразу после выхода этого контроллера компания начала работать над проектом более быстрого контроллера PS5018-E18, который, по замыслу, должен был задействовать преимущества PCIe 4.0 уже в полной мере и стать полноправной заявкой Phison на попадание в клуб разработчиков передовых SSD для энтузиастов. Но и тут всё получилось не так, как было запланировано изначально. Выход контроллера PS5018-E18 откладывался несколько раз, и в итоге, хотя впервые его анонсировали ещё летом 2019 года, реальные продажи накопителей на нём начинаются только сейчас.

На сроки повлияло два фактора. Во-первых — выход из состава конгломерата Toshiba подразделения по выпуску флеш-памяти, с которым Phison имела близкие производственные отношения. Платформы Phison до этого комплектовались флеш-памятью Toshiba, но, когда подразделение Toshiba Memory было преобразовано в холдинг Kioxia, многолетние связи прервались. В итоге Phison пришлось переделывать в контроллере PS5018-E18 интерфейс флеш-памяти и переориентировать его на работу с чипами TLC 3D NAND компании Micron. Во-вторых, удар по срокам нанесла и возникшая на TSMC, где они должны были выпускаться, нехватка мощностей. Контрактный производитель полупроводников не считает разработчиков контроллеров SSD приоритетными клиентами ввиду относительно небольших объёмов заказов, поэтому их запросы зачастую удовлетворяются по остаточному принципу. В итоге микросхемы PS5018-E18, для выпуска которых нужен сравнительно свежий 12-нм техпроцесс, могли изготавливаться лишь в очень ограниченных количествах.

В конечном счёте платформа Phison E18 приходит на рынок с заметным опозданием и к тому же делает это очень вяло. Если раньше Phison легко заваливала своими решениями производителей SSD второго-третьего эшелона, то сейчас контроллер PS5018-E18 встречается лишь в очень ограниченном числе накопителей. На данный момент изделия на его основе успели анонсировать Corsair, Gigabyte, PNY и ещё несколько мелких фирм, не представленных на российском рынке, причём широкомасштабные продажи таких моделей фактически так и не начались. Тем не менее нам удалось раздобыть экземпляр новейшего SSD на базе неуловимой микросхемы Phison PS5018-E18 – PNY XLR8 CS3140.

Впрочем, имя конкретного производителя здесь не имеет особого значения. Как и раньше, все конечные продукты на контроллерах Phison делает сама Phison, а партнёры из числа производителей SSD отвечают только за минорные оптимизации прошивки, систему охлаждения, упаковку и маркетинг. Иными словами, все накопители на платформе Phison E18 крайне похожи друг на друга, и по PNY XLR8 CS3140 можно делать общие выводы обо всех родственных моделях.

⇡#Внешний вид и внутреннее устройство

С приходом на рынок накопителей с интерфейсом PCIe 4.0 производители развернули «гонку радиаторов». Всё чаще и чаще нам встречаются компактные M.2 SSD, система охлаждения на которых имеет развитый профиль и высоту по полтора-два сантиметра.

И это неспроста: с переходом на новый интерфейс с пропускной способностью 7,9 Гбайт/с контроллеры стали гораздо мощнее как в вычислительном плане, так и в смысле энергопотребления и тепловыделения. Это относится и к накопителям на базе чипа Phison PS5018-E18: рассматриваемый сегодня PNY XLR8 CS3140 встречает нас крупным алюминиевым радиатором высотой 16 мм и массой около 40 граммов.

Понятно, что такую махину установить в ноутбук или в материнскую плату с собственным охлаждением слота M.2 не получится, но PNY предусмотрела этот момент: у XLR8 CS3140 существует версия без радиатора.

Применённая система охлаждения выглядит довольно эффективной, она охватывает M.2-плату накопителя с двух сторон, при этом радиатор держится на винтах, а не на двухстороннем скотче. При этом между радиатором и микросхемами проложена пластичная термопрокладка с хорошим коэффициентом теплопроводности.

А вот печатная плата PNY XLR8 CS3140 оригинальностью не отличается – она не только имеет референсный дизайн, но и произведена самой Phison на заводе своего традиционного подрядчика, компании Powertech Technology (PTI).

На полученном нами для тестов экземпляре PNY XLR8 CS3140 ёмкостью 1 Тбайт микросхемы расположены на одной стороне, что удобно для охлаждения. Однако разводка печатной платы сделана двухсторонней, поэтому логично предположить, что версия SSD объёмом 2 Тбайт будет нести на себе микросхемы с обеих сторон.

Элементная база PNY XLR8 CS3140 состоит из чипов трёх типов.

Во-первых, это новый производительный контроллер Phison PS5018-E18, выпущенный по 12-нм технологии и имеющий в своей основе пять 32-битных ядер Arm Cortex R5. Три ядра из этого набора работают на частоте 1,0 ГГц, они заняты обработкой операций переднего плана – обслуживанием запросов на чтение и запись данных. Оставшиеся два ядра – энергоэффективные. Они входят в состав фирменного сопроцессора Dual CoXProcessor 2.0, который занят фоновыми задачами – оптимизацией таблицы трансляции адресов, сборкой мусора, мониторингом состояния флеш-памяти и прочими.

Во-вторых, контроллеру помогает в работе оперативная память, которая в данном случае представлена чипом DDR4-1600 объёмом 1 Гбайт, произведённым SK Hynix. В ней буферизируется таблица трансляции адресов.

И в-третьих, контроллер управляет массивом флеш-памяти, который размещён в четырёх микросхемах с мало о чём говорящей маркировкой IA7BG64AIA. Эти микросхемы содержат внутри по четыре 512-гигабитных полупроводниковых кристалла TLC 3D NAND каждая. Таким образом, если говорить про терабайтную модель SSD, то в ней восьмиканальный контроллер Phison PS5018-E18 работает с флеш-памятью с двукратным чередованием. Это не самый быстрый вариант топологии массива, поэтому версия PNY XLR8 CS3140 ёмкостью 2 Тбайт должна быть несколько быстрее.

Что касается нетипичной маркировки микросхем флеш-памяти, то она связана с тем, что эти микросхемы, как и весь накопитель, собраны компанией PTI, которая самостоятельно нарезает кристаллы NAND из 300-мм пластин, тестирует и упаковывает их в чипы. Оригинальным же поставщиком TLC 3D NAND для PNY XLR8 CS3140 (как и для других представленных на рынке SSD на платформе Phison E18) является Micron, а применяемая в данном случае память – широко распространённая 96-слойная TLC 3D NAND.

⇡#Технические характеристики и особенности работы

Платформа Phison E18 в представлении её сторонников — это базис, на котором можно строить флагманские потребительские накопители, сравнимые по производительности с Samsung 980 PRO или WD Black SN850. На её проект, вероятно, действительно возлагались такие надежды, однако перед окончательным выводом E18 на рынок Phison по ряду причин пришлось ухудшить свою разработку. Поэтому то, что мы увидим в тестах PNY XLR8 CS3140, — далеко не максимум заложенных в микросхему PS5018-E18 возможностей.

Проблема главным образом возникла с тем, что изначально контроллер Phison PS5018-E18 должен был выйти в комбинации с новой 176-слойной TLC 3D NAND компании Micron, но в конечном итоге память заменили старой, 96-слойной. Разница между ними огромна, начиная с того, что 176-слойная память базируется не на традиционном плавающем затворе, а на новой архитектуре с замещающим затвором, и заканчивая тем, что новая память использует на треть более скоростную шину и обеспечивает на 35 % более низкие задержки при чтении и записи. Но поскольку дебют прогрессивной и многообещающей 176-слойной памяти в платформе Phison E18 не состоялся, это не могло не сказаться на способности серийных накопителей конкурировать с предложениями лидеров рынка.

Произошедшую деградацию характеристик нетрудно усмотреть даже в паспортных характеристиках PNY XLR8 CS3140. Например, в спецификациях контроллера PS5018-E18 на сайте Phison обещаны линейные скорости до 7,4 и 7,0 Гбайт/с при чтении и записи, а также мелкоблочная производительность на уровне 1 млн IOPS. В то же время для XLR8 CS3140 заявляются более скромные скорости линейной записи, а быстродействие при случайных операциях вообще не указывается. Однако если судить по аналогам XLR8 CS3140, предлагаемым другими производителями, 96-слойная память Micron заметно срезает именно скорость работы с 4-Кбайт блоками, вплоть до уровня порядка 700 тыс. IOPS.

Среди характеристик PNY XLR8 CS3140 стоит отметить довольно бедный состав модельного ряда, который представлен всего двумя вариантами. Появления версий с объёмом менее 1 Тбайт, скорее всего, можно не ждать – при использовании 512-гигабитных устройств NAND такие накопители получили бы крайне низкую степень параллелизма массива флеш-памяти и имели бы удручающую производительность. А вот версии ёмкостью более 2 Тбайт вполне могут появиться впоследствии.

Другая особенность продукта PNY касается отсутствия ограничений в ресурсе записи. На XLR8 CS3140 распространяется пятилетняя гарантия без каких-либо дополнительных условий. И сейчас, во время ажиотажа вокруг криптовалюты Chia, это кажется опрометчивым шагом со стороны производителей. Поэтому весьма вероятно, что гарантийная политика будет в ближайшее время пересмотрена.

Не слишком сильна вера и в то, что утверждение «быстрейший NVMe Gen4 SSD на рынке на данный момент», которое PNY сделала относительно XLR8 CS3140 на своём сайте, соответствует действительности. Мы хорошо помним, что предыдущие попытки Phison сделать передовую NVMe-платформу тоже начинались с подобных громких заявлений, а заканчивались появлением очередного семейства среднебюджетных продуктов, которое неплохо смотрелось лишь в отдельных синтетических бенчмарках, что достигалось специальными уловками во внутренних алгоритмах.

Среди таких оптимизаций – SLC-кеширование, которое в контроллерах Phison работает в две стороны: как при чтении, так и при записи. Во втором случае всё довольно просто: технология ускоренной записи реализована динамическим SLC-кешем с максимальным объёмом 100 Гбайт (для 1-Тбайт версии XLR8 CS3140). Как это выглядит на примере чистого SSD, можно посмотреть на графике ниже. Там отображена практически измеренная пиковая линейная скорость при последовательном безостановочном заполнении объёма накопителя.

Скорость записи в SLC-режиме достигает 5,1 Гбайт/с, и это примерно соответствует тем скоростям, которые мы видели у других флагманских PCIe 4.0-накопителей. Затем скорость снижается до 1,0 Гбайт/с, что тоже не сильно отличается от возможностей прочих флагманских SSD при прямой записи в TLC-режиме.

С производительностью чтения ситуация тоже вполне понятна. Пока свежезаписанный на SSD файл остаётся в SLC-кеше, который опустошается с некоторой задержкой, накопитель способен читать этот файл с мелкоблочной производительностью без очереди запросов на уровне 69 Мбайт/с. Именно такие показатели пользователи будут видеть в бенчмарках. Но реальная скорость мелкоблочного чтения для файлов, которые хранятся на SSD продолжительное время, составляет порядка 45 Мбайт/с, что уже ощутимо ниже скоростей флагманских PCIe 4.0 SSD. Этот трюк с применением SLC-кеша для операций чтения имел место и в прошлом контроллере, PS5016-E16.

В целом в использовании SLC-кеширования при чтении нет ничего плохого, а в некоторых ситуациях оно может оказаться даже полезным. Просто нужно иметь в виду, что результаты синтетических тестов накопителей на платформе Phison E18 могут не соответствовать его производительности при реальной нагрузке, демонстрируя излишне оптимистичные результаты.

Среди сильных сторон алгоритмов PNY XLR8 CS3140 нужно отметить эффективную реализацию фоновой сборки мусора и обработки команды TRIM. Удаление больших объёмов данных почти не приводит к перегрузке контроллера накопителя и впадению SSD в ступор. В эксперименте с удалением файла объёмом 64 Гбайт продолжительность периода, в течение которого SSD демонстрирует серьёзное падение производительности, не превышает одной секунды. Вот как это выглядит: на графике ниже приводится скорость мелкоблочного чтения сразу после удаления такого файла.

Таким образом, с точки зрения скорости обработки TRIM построенный на платформе Phison E18 накопитель PNY XLR8 CS3140 превосходит WD Black SN850, однако всё-таки уступает Samsung 980 PRO, где удаление файлов вообще не влечёт какого-либо снижения производительности.

⇡#Программное обеспечение

Компания PNY предлагает для своих NVMe-накопителей специальную сервисную утилиту PCIe SSD Toolbox. Но обольщаться не надо: с XLR8 CS3140 она несовместима.