Crucial M500 960 Гбайт: доступный терабайт и удобное шифрование

Пробные партии чипов NAND Flash-памяти объёмом 128 Гбит были произведены на IMFT, совместном предприятии Intel и Micron, еще в 2011 году. До стадии массового производства они добрались лишь недавно, а вот и самый первый коммерческий SSD, в котором применяются 128-гигабитные NAND-устройства, — Crucial M500. Образец, попавший на тестирование в лабораторию 3DNews, является наиболее вместительной моделью из всей линейки M500 — 960 Гбайт. И тот факт, что мы выбрали именно терабайтную разновидность, в данном случае совершенно не случаен. Ведь главная причина перехода на чипы удвоенной емкости — удешевление производства, что наконец опустит розничные цены SSD большого объема с небес на землю.

⇡#NAND-устройства объемом 128 Гбит

Изготовление одного чипа Flash-памяти объемом 128 Гбит действительно обходится дешевле, чем двух отдельных кристаллов по 64 Гбит каждый, которые используются во всех выпущенных ранее SSD с памятью, произведённой по норме 19 (Toshiba, Samsung) или 20 нм (Intel, Micron). На первый взгляд, нет никакой разницы между массивом ячеек, сосредоточенным на едином полупроводниковом кристалле, и массивом, физически разделенным на два чипа, однако 128-гигабитные NAND-устройства IMFT имеют существенные архитектурные отличия. Основное — это увеличенный в очередной раз размер страницы (минимального массива ячеек, в который может быть записана информация и из которого она может быть считана), с 8 до 16 Кбайт, и размер блока (минимального массива ячеек, который может быть очищен, — не путать с логическими блоками, которыми оперирует хост-контроллер) — с 256 до 512 страниц.

Укрупнение архитектурных элементов позволило выбросить из чипа логику, контролирующую упраздненные страницы и блоки. В результате плотность записи данных возросла с 0,542 до 0,634 Гбит/мм², а это ни много ни мало 17%. Значит, из одной полупроводниковой пластины можно изготовить больше микросхем памяти.

Реорганизация архитектуры также повлияла на различные аспекты производительности NAND-устройства. «Разбухание» страницы с 8 до 16 Кбайт увеличивает время выполнения операций чтения и записи ее содержимого с 100/1300 до 115/1600 мкс соответственно. Впрочем, поскольку увеличение латентности далеко от двукратного, скорость чтения/записи логических блоков, равных или превышающих по размеру 16 Кбайт, только увеличивается. А вот мелкие — по 8 Кбайт и меньше — будут укладываться в страницы с меньшей скоростью и считываться оттуда также более медленно.

Кроме того, для записи логического блока, уступающего по размеру странице, контроллер вынужден «портить» целых 16 Кбайт, что быстро сокращает объем свободных страниц при активной записи по произвольным адресам. Ну а в том случае, когда механизм «сбора мусора» (Garbage Collection) контроллера не успевает подготовить новые чистые страницы, возникает известная проблема накопителей на основе Flash-памяти — для выполнения каждой новой записи требуется процедура read-modify-write. Последовательность действий такова: необходимо скопировать содержимое всего блока в кеш-память, внести в него изменения, попутно обнулив ячейки, и наконец записать данные обратно. Очевидно, что в результате увеличения размера страницы сама процедура read-modify-write стала занимать еще больше времени, чем в случае с чипами объемом 64 Гбит, произведенными по той же норме 20 нм.

Для интереса рассчитаем приблизительную длительность всех шагов read-modify-write при пессимистичном сценарии — внесении изменений в произвольное количество страниц блока, который целиком занят полезными данными:

• Считать данные из 512 страниц, составляющих блок: 115 мкс * 512 = 58 880 мкс.
• Внести изменения в копию считанных данных, сохраненную в кеш-памяти SSD: неизвестно.
• Удалить содержимое блока: 3 800 мкс.
• Записать данные в 512 страниц блока: 1600 мкс * 512 = 819 200 мкс.

В результате даже без учета затрат на изменение данных в кеше и любых промежуточных этапов между непосредственными операциями считывания/программирования, при возникновении процедуры read-modify-write контроллер SSD получает чувствительный штраф на 881 880 мкс, или 0,88188 с! NAND-устройство с архитектурой 64-гигабитных чипов для такой же процедуры требует 361 400 мкс, но почти целая секунда — это уже вечность в масштабах современных полупроводниковых схем.

Также не будем забывать, что даже в той ситуации, когда нагрузка не столь интенсивна, а процент свободного объема на SSD достаточно велик, чтобы процедура read-modify-write редко вставала на пути быстрой отработки команд хост-контроллера, механизм «уборки мусора» все равно сталкивается с ней, выполняя фоновую дефрагментацию массива и подготовку пустых страниц.

Нельзя обойти вниманием и тот факт, что попутно с увеличением латентности при выполнении read-modify-write многократно возрастает и Write Amplification — разница между объемом данных, отправленных на SSD хост-котроллером, и тем объемом, который непосредственно записывается в ячейки Flash-памяти. К примеру, при необходимости записать 4 Кбайт данных в вышеописанной ситуации на микросхеме объемом 64 Гбит перезаписывается блок, содержащий 1024 Кбайт, а на 128-гигабитном чипе — уже 8192 Кбайт. В том и другом случае имеет место Write Amplification со множителем, соответственно, 256 и 2048. Конечно, приятно, что IMFT нашла возможность повысить плотность записи Flash-памяти, оставаясь в рамках текущего техпроцесса 20 нм, — это на некоторое время откладывает снижение ресурса службы ячеек, ожидаемое в связи с грядущим переходом на норму 16 нм (заявленное количество циклов перезаписи для 128-гигабитных чипов такое же, как и для чипов по 64 Гбит, — 3000). Но модифицированная архитектура располагает к тому, что исчерпываться оно будет более активно.

Подведем промежуточный итог. Чипы MLC Flash-памяти объемом 128 Гбит в силу одних лишь архитектурных изменений отличаются от своих 64-гигабитных аналогов, произведенных по тому же техпроцессу 20 нм, а) более низкой себестоимостью, б) увеличенной производительностью при чтении/записи логических блоков размером 16 Кбайт и выше, в) повышенной латентностью при чтении/записи более мелких блоков. Кроме того, радикально более затратная отработка операций read-modify-write выдвигает особые требования к производительности контроллера SSD, выполняющего сбор мусора. Ну и чуть-чуть беспокоит ситуация с потенциально более интенсивным износом ячеек.

⇡#Чередование: беда SSD малого объема

Напомним об одном приеме, за счет которого производители повышают пропускную способность твердотельных накопителей. В большинстве современных SSD форм-фактора 2,5 дюйма к каждому каналу контроллера (а их у всех популярных контроллеров по восемь), подключено по несколько NAND-устройств в режиме чередования. Понятие «чередование» (interleaving) должно быть знакомо читателям, заставшим компьютеры эпохи SDRAM, где оно употреблялось в отношении оперативной памяти. В случае с SSD принцип чередования не изменился: в то время как контроллер ожидает, когда одно NAND-устройство на канале записывает в ячейки уже переданные ему данные, начинается программирование другого устройства.

В протестированных нами твердотельных накопителях объемом 240-256 Гбайт с памятью 19-20 нм, как правило, применяется чередование четырех NAND-устройств на каждом канале, в то время как вдвое менее ёмкие SSD довольствуются чередованием двух NAND-устройств. Как следствие, различается производительность SSD разного объема под одной маркой: вплоть до 30% при последовательной записи. В моделях с «сырым» объемом чипов 512 Гбайт встречается и восемь NAND-устройств на канале, но в такой конфигурации, по-видимому, чередуются уже пары кристаллов, что не дает никакого дальнейшего прироста быстродействия.

Ну а теперь, когда в распоряжении производителей оказалось ядро Flash-памяти объемом 128 Гбит, можно набирать SSD того же объема из вдвое меньшего числа NAND-устройств. Как следствие, минимальная «сырая» емкость массива памяти, при которой устройство достигает пиковой для его архитектуры производительности, изменяется с 256 на 512 Гбайт. А устройства объемом 128 Гбайт перемещаются в нишу аутсайдеров, в которой среди SSD на 64-гигабитных микросхемах пребывают SSD объемом 64 Гбайт. Упс.

⇡#Интерфейс ONFi 3.0

Еще одно новшество 128-гигабитных чипов производства IMFT — интерфейс ONFi версии 3.0, который увеличивает скорость передачи данных чипов в одном направлении до 400 Мбайт/с с 200 Мбайт/с, характерных для ONFi 2.0. Впрочем, если судить по спецификациям, пропускная способность Crucial M5 весьма далека от совокупного потенциала восьми каналов с такими NAND-устройствами — даже без учета эффекта чередования. Здесь вступают в силу ограничения производительности контроллера, да и лимит интерфейса SATA 6 Гбит/с уже близок.

Впрочем, у ONFi 3.0 есть и другие достоинства, а именно — пониженное напряжение питания и терминация сигнала на чипе, что позволяет более эффективно расходовать энергию.

⇡#Crucial M500: технические характеристики, цены

В целом профиль производительности всех представителей серии M500 напоминает таковой у прочих SSD на платформе Marvell (к примеру, Plextor M3 Pro или M5 Pro). Именно с Plextor M5 Pro наиболее интересно сравнить новинки, поскольку SSD обеих марок комплектуются одинаковым контроллером Marvell 88SS9187-BLD2, а основное различие заключается в интерфейсе используемой памяти: Toggle-Mode DDR 2.0 в случае Plextor и ONFi 3.0 у Crucial. Оба интерфейса обеспечивают пропускную способность до 400 МБайт/с на чип. Кстати, по-видимому, поддержка ONFi 3.0 — это заслуга разработчиков прошивки M500, ибо в публичной документации на Marvell 88SS9187-BLD2 она не фигурирует.

Блок-схема контроллера Marvell 88SS9187

Если судить по официальным спецификациям, представители серии Crucial M500 по всем статьям уступают как аналогичным Plextor M5 Pro, так и другим наиболее скоростным SSD сегодняшнего дня: OCZ Vertex 450, Corsair Neutron GTX, Samsung SSD 840 Pro. Бросается в глаза и то, насколько сильно различается скорость записи у модификаций M500 объемом 240 и 480 Гбайт. Версия на 120 Гбайт, соответственно, еще медленнее. Вот эффект от 128-гигабитных NAND-устройств: максимальную производительность M500 показывает только в модификациях объемом 480 и 960 Гбайт. А вот если бы Crucial выпустила версию M500 объемом 60 Гбайт, то в ней были бы задействованы всего четыре канала контроллера из восьми доступных, что вылилось бы в совсем убогие показатели производительности.

Примечательно, что объемы накопителей в серии M500 соответствуют числам, свойственным SSD на платформе SandForce. Помимо традиционного для большинства SSD резерва (over-provisioning) в объеме разницы между двоичным и десятичным исчислением объема (объем «сырой» Flash-памяти составляет, допустим, 512 двоичных гигабайт, но пользователю доступно 512 десятичных гигабайт), Crucial, как и SandForce, откладывает 1/16 «сырого» объема для хранения данных четности в структуре, подобной RAID-5 у жестких дисков или RAISE на SandForce. Она и называется похоже — RAIN, Redudant Array of Independent NAND.

Впрочем, самое важное в Crucial M500 — объем. Конечно, это не первая линейка SSD, которая включает устройство емкостью около 1 Тбайт, но в широкой рознице набор предложений крайне ограничен. Если исключить накопители для шины PCI-E и корпоративные модели с интерфейсами SAS или SATA, то единственным аналогом Crucial M500 в России остается Samsung SSD 840 EVO. Как Samsung, так и Crucial в Московских интернет-магазинах продаются в среднем за 20,5 тыс. рублей. Дорого? Но давайте рассмотрим других конкурентов, найденных на newegg.com (где все, конечно же, дешевле, чем в России): $1 000 за SSD Mushkin либо $3 000 за OCZ Octane.

Как Crucial M500, так и Samsung SSD 840 EVO обеспечивают весьма существенную экономию по сравнению с предшественниками, только разным путем. Напомним, что SSD 840 EVO комплектуется памятью типа TLC, с которой мы познакомились на примере Samsung SSD 840. Розничные цены на менее емкие разновидности M500 также близки к ценам на Samsung SSD 840 EVO соответствующего объема. Примерно в этой же ценовой категории играют SSD на базе SandForce. А вот накопители, которые сегодня считаются чемпионами (пресловутые Corsair Neutron GTX, Plextor M5 Pro, OCZ Vertex 450, Samsung SSD 840 Pro) уже чувствительно дороже.

⇡#Windows 8 + Crucial M500 = полнодисковое шифрование с человеческим лицом

Шифрование данных внутри накопителя по алгоритму AES-256 не представляет собой ничего нового. Многие современные SSD умеют на лету зашифровывать данные, и происходит это совершенно «бесплатно» для производительности. Отчего же этой возможностью пользуется пренебрежительно малый процент владельцев? Все потому, что производители самих SSD и разработчики популярных ОС до сих пор никак не могли сойтись в создании надежного и дружественного пользователю интерфейса управления ключом шифрования. Единственный способ повесить замок большинство SSD — это установить пароль на загрузку ПК в BIOS, который попутно продублируется в виде ATA Password и инициирует генерацию нового ключа для AES-256. Сомнительное удобство.

С другой стороны, в операционных системах Windows 7 и OS X существуют встроенные утилиты BitLocker и FileVault, но они шифруют избранные тома поверх таблицы разделов диска, что замедляет дисковые операции и дополнительно нагружает CPU. Между тем оказывается, что версия BitLocker в Windows 8 научилась задействовать аппаратное шифрование на SSD при условии, что он соответствует определенным стандартам, а именно — TCG OPAL 2.0 и IEEE-1667, и в таком случае классифицируется Windows как так называемый eDrive. Crucial M500 является первым из известных нам потребительских SSD, удовлетворяющих этим требованиям.

Есть и ряд дополнительных условий, в которые входит сама поддержка BitLocker (есть в версиях Windows 8 Pro и Enterprise), загрузка с UEFI (причем версии не младше, чем 2.3.1) и собственно аппаратный ключ шифрования в виде устройства TPM или обычной USB-флешки. Когда все готово, достаточно просто активировать BitLocker в «Панели управления». Процесс «шифрования» осуществляется мгновенно, поскольку контроллер SSD так или иначе все равно шифрует контент. Лишней вычислительной нагрузки как на накопитель, так и на CPU шифрование не создает.

В принципе, при том уровне производительности, которого достигли современные SSD (да и CPU), пользователи, озабоченные сохранностью чувствительной информации от посторонних глаз, могут пренебречь падением быстродействия, возникающим при программном шифровании (разве что владельцам SSD на SandForce придется туго), и все же очевидно, что будущее принадлежит аппаратным решениям. Надеемся, что другие производители накопителей последуют примеру Crucial, а Microsoft проведет ликбез среди миллионов пользователей, которые даже не подозревают, что в Windows 8 есть такая опция.

Наконец, у M500 есть еще одна особенность, связанная с шифрованием, — уникальный идентификатор (PSID, Physical ID) на крышке устройства, с помощью которого можно восстановить работоспособность SSD в случае потери ключа шифрования. Содержимое при этом будет утеряно, но хотя бы не «брикнется» сам накопитель. Впрочем, как именно применяется PSID, пока непонятно.

⇡#Crucial M500: комплект поставки, конструкция

Комплект поставки SSD очень скуден. Помимо самого диска, в коробке находится только пластиковая рамка, которая добавит 2 миллиметра к толщине накопителя. Прикрепить рамку к диску стоит в только том случае, если последний будет использоваться в ноутбуке с 9-миллиметровым слотом для жёсткого диска. Крепится она при помощи тонкого слоя клея, который на неё предварительно нанесён.

Внешний вид у Crucial M500 CT960M500SSD1 самый обычный — большинство твердотельных дисков выглядит точно также.

Внутри Crucial M500 также мало отличается от многих своих собратьев. Его печатная плата крепится к половинке корпуса при помощи четырёх винтов. Контроллер и чип кеш-памяти контактируют с корпусом при помощи толстой розовой термоленты. Таким образом, корпус Crucial M500 может частично выполнять роль радиатора. В данном случае эффективный отвод тепла от контроллера актуален как никогда: известно, что прошивка сбрасывает производительность в случае, если температура чипа превышает 70 °C.

Marvell 88SS9187-BLD2

На печатной плате распаяно 16 чипов Micron MT29F512G08CKCABH7-6Q:A, в каждом из которых находится по четыре NAND-устройства объёмом 128 Гбит каждое. Общий объём чипа составляет 512 Гбит. Это самые ёмкие чипы памяти, которые попадали в нашу тестовую лабораторию. Помимо чипов с постоянной памятью, на плате накопителя находятся два чипа еэш-памяти Micron MT41K256M16HA-125 M:E с интерфейсом DDR3 SDRAM 1600 МГц, объёмом по 256 Мбайт каждый. Общий объем кеш-памяти равняется 512 Мбайт.

Обычно большой объем кеша указывает на то, что он активно используется для хранения пользовательских данных, но в случае с M500 известно, что в один момент времени объем пользовательских данных в кеше не превышает 5 Мбайт. Остальное занимает для своих нужд прошивка контроллера, и львиная доля объема приходится на таблицу соответствия логических блоков данных и страниц Flash-памяти (Indirection Table), которая у M500 представляет собой массив фиксированного размера, где номера логических блоков и адреса страниц хранятся в соотношении 1:1 — в противоположность «старым» структурам в виде древовидных графов, динамически растущих по мере наполнения SSD. Плоская таблица уменьшает разброс латентности при произвольном доступе, но зато требует колоссального объема для кеширования в DRAM.