Девять SSD формата M.2: сравнительный обзор и тестирование

⇡#Методика тестирования

Тестирование проводится в операционной системе Microsoft Windows 8.1 Professional x64 with Update, корректно распознающей и обслуживающей современные твердотельные накопители. Это значит, что в процессе прохождения тестов, как и при обычном повседневном использовании SSD, команда TRIM поддерживается и активно задействуется. Измерение производительности выполняется с накопителями, находящимися в «использованном» состоянии, которое достигается их предварительным заполнением данными. Перед каждым тестом накопители очищаются и обслуживаются с помощью команды TRIM. Между отдельными тестами выдерживается 15-минутная пауза, отведённая для корректной отработки технологии сборки мусора. Во всех тестах, если не указано иное, используются случайные несжимаемые данные.

Используемые приложения и тесты:

• Iometer 1.1.0

1. Измерение скорости последовательного чтения и записи данных блоками по 256 Кбайт (наиболее типичный размер блока при последовательных операциях в десктопных задачах). Оценка скоростей выполняется в течение минуты, после чего вычисляется средний показатель.
2. Измерение скорости случайного чтения и записи блоками размером 4 Кбайт (такой размер блока используется в подавляющем большинстве реальных операций). Тест проводится дважды — без очереди запросов и с очередью запросов глубиной 4 команды (типичной для десктопных приложений, активно работающих с разветвлённой файловой системой). Блоки данных выравниваются относительно страниц флеш-памяти накопителей. Оценка скоростей выполняется в течение трёх минут, после чего вычисляется средний показатель.
3. Установление зависимости скоростей случайного чтения и записи при работе накопителя с 4-килобайтными блоками от глубины очереди запросов (в пределах от одной до 32 команд). Блоки данных выравниваются относительно страниц флеш-памяти накопителей. Оценка скоростей выполняется в течение трёх минут, после чего вычисляется средний показатель.
4. Установление зависимости скоростей случайного чтения и записи при работе накопителя с блоками разного размера. Используются блоки объёмом от 512 байт до 256 Кбайт. Глубина очереди запросов в течение теста составляет 4 команды. Блоки данных выравниваются относительно страниц флеш-памяти накопителей. Оценка скоростей выполняется в течение трёх минут, после чего вычисляется средний показатель.
5. Измерение производительности при смешанной многопоточной нагрузке и установление её зависимости от соотношения между операциями чтения и записи. Используются последовательные операции чтения и записи блоков объёмом 128 Кбайт, выполняемые в два независимых потока. Соотношение между операциями чтения и записи варьируется с шагом 10 процентов. Оценка скоростей выполняется в течение трёх минут, после чего вычисляется средний показатель.
6. Исследование падения производительности SSD при обработке непрерывного потока операций случайной записи. Используются блоки размером 4 Кбайт и глубина очереди 32 команды. Блоки данных выравниваются относительно страниц флеш-памяти накопителей. Продолжительность теста составляет два часа, измерения моментальной скорости проводятся ежесекундно. По окончании теста дополнительно проверяется способность накопителя восстанавливать свою производительность до первоначальных величин за счёт работы технологии сборки мусора и после отработки команды TRIM.

• CrystalDiskMark 3.0.3b
  Синтетический тест, который выдает типовые показатели производительности твердотельных накопителей, измеренные на 1-гигабайтной области диска «поверх» файловой системы. Из всего набора параметров, которые можно оценить с помощью этой утилиты, мы обращаем внимание на скорость последовательного чтения и записи, а также на производительность произвольных чтения и записи 4-килобайтными блоками без очереди запросов и с очередью глубиной 32 команды.
• PCMark 8 2.0
  Тест, основанный на эмулировании реальной дисковой нагрузки, которая характерна для различных популярных приложений. На тестируемом накопителе создаётся единственный раздел в файловой системе NTFS на весь доступный объём, и в PCMark 8 проводится тест Secondary Storage. В качестве результатов теста учитывается как итоговая производительность, так и скорость выполнения отдельных тестовых трасс, сформированных различными приложениями.
• Тесты копирования файлов
  В этом тесте измеряется скорость копирования директорий с файлами разного типа, а также скорость архивации и разархивации файлов внутри накопителя. Для копирования используется стандартное средство Windows — утилита Robocopy, при архивации и разархивации — архиватор 7-zip версии 9.22 beta. В тестах участвует три набора файлов: ISO — набор, включающий несколько образов дисков c дистрибутивами программ; Program — набор, представляющий собой предустановленный программный пакет; Work — набор рабочих файлов, включающий офисные документы, фотографии и иллюстрации, pdf-файлы и мультимедийный контент. Каждый из наборов имеет общий объём файлов 8 Гбайт.

⇡#Тестовый стенд

В качестве тестовой платформы используется компьютер с материнской платой ASUS Z97-Pro, процессором Core i5-4690K со встроенным графическим ядром Intel HD Graphics 4600 и 16 Гбайт DDR3-2133 SDRAM. Данная материнская плата обладает штатным слотом M.2, в котором и испытываются накопители. Следует подчеркнуть, что данный слот M.2 обслуживается средствами набора логики Intel Z97 и поддерживает режимы SATA 6 Гбит/с и PCI Express 2.0 x2. С учетом того, что все участвующие в настоящем сравнении SSD используют либо первый, либо второй вариант подключения, возможностей этого слота в контексте данного тестирования вполне достаточно. Работа твердотельных накопителей в операционной системе обеспечивается драйвером Intel Rapid Storage Technology (RST) 13.2.4.1000.

Объём и скорость передачи данных в бенчмарках указываются в бинарных единицах (1 Кбайт = 1024 байт).

⇡#Участники тестирования

Полный список M.2-накопителей, принявших участие в этом сравнении, выглядит следующим образом:

• Crucial M500 120 Гбайт (CT120M500SSD4, прошивка MU05);
• Crucial M500 240 Гбайт (CT120M500SSD4, прошивка MU05);
• Crucial M550 128 Гбайт (CT128M550SSD4, прошивка MU02);
• Kingston SM2280S3 120 Гбайт (SM2280S3/120G, прошивка S8FM06.A);
• Plextor M6e 128 Гбайт (PX-G128M6e, прошивка 1.05);
• Plextor M6e 256 Гбайт (PX-G256M6e, прошивка 1.05);
• SanDisk X300s 256 Гбайт (SD7UN3Q-256G-1122, прошивка X2170300);
• Transcend MTS600 256 Гбайт (TS256GMTS600, прошивка N0815B);
• Transcend MTS800 256 Гбайт (TS256GMTS800, N0815B).

⇡#Производительность

Последовательные операции чтения и записи

Сразу же необходимо сказать, что, поскольку накопители в формате M.2 не имеют никаких принципиальных отличий от обычных моделей 2,5 дюйма или PCI Express, и используют для подключения те же самые интерфейсы, их производительность в целом похожа на производительность привычных нам SSD. В частности, скорость последовательного чтения, как это обычно и бывает, приближается к пропускной способности интерфейса, и по этому параметру впереди оказываются обе модификации Plextor M6e, которые работают через шину PCIe x2.

Скорость же записи определяется особенностями внутреннего строения конкретных моделей, и здесь на первых местах оказываются накопители Plextor M6e и SanDisk X300s 256-гигабайтной ёмкости. Так уж получилось, что большинство накопителей в нашем тесте — это модели среднего и нижнего уровня, поэтому более 400 Мбайт/с при записи выдают очень немногие SSD.

Случайные операции чтения

Любопытно, что при измерении производительности случайного чтения Plextor M6e 256 Гбайт, оснащенный интерфейсом PCIe x2, уступает первое место обладающему эффективной технологией nCache флеш-накопителю SanDisk X300s 256 Гбайт. Иными словами, получается, что M.2 SSD, использующие SATA-подключение, могут вполне на равных конкурировать с моделями PCIe x2, по крайней мере с теми, которые есть на рынке в данный момент. Кстати, из твердотельных накопителей с ёмкостью 128 Гбайт наилучшей производительностью обладает тоже не продукт Plextor, а Crucial M550.

Более развёрнутую картину можно увидеть на следующем графике, на котором показано, как зависит производительность SSD от глубины очереди запросов при чтении 4-килобайтных блоков.

С ростом глубины очереди запросов накопители Plextor всё-таки захватывают лидерство, однако следует понимать, что в реальных задачах эта глубина редко превышает четыре команды. Этот же график явно показывает слабые места тех SSD, которые построены на четырёхканальных контроллерах. При росте нагрузки их результаты масштабируются гораздо хуже, поэтому такие продукты не следует использовать в применениях, где необходима обработка сложных многопоточных обращений.

В дополнение к этому предлагаем посмотреть, как зависит скорость случайного чтения от размера блока данных:

Чтение большими блоками позволяет вновь столкнуться с ограничениями, которые создаёт SATA-интерфейс. Использующие его накопители в форм-факторе M.2 демонстрируют заметно худшие результаты, чем их собратья того же формата, но работающие через PCIe x2. Причём их превосходство начинается уже на 8-килобайтных блоках, что указывает на явную востребованность быстрой шины.

Случайные операции записи

Производительность случайной записи во многом определяется скоростью используемой в накопителях флеш-памяти. И так уж получилось, что верхние места на диаграммах заняли те SSD, которые основаны на MLC NAND компании Micron. Но самое удивительное, что лучшим быстродействием выделяется Crucial M550 128 Мбайт, даже несмотря на свой небольшой объём, который не даёт контроллеру пользоваться максимально эффективным чередованием устройств флеш-памяти в своих каналах.

Целиком же зависимость скорости произвольной записи 4-килобайтными блоками от глубины очереди запросов выглядит следующим образом:

Высокая производительность Crucial M550 проявляется при любой, кроме максимальной, глубине очереди операций. А вот накопители того же производителя, но из предыдущей линейки M500, напротив, отличаются крайне невысокой скоростью работы при записи данных.

Следующий график отражает зависимость производительности случайных записей от размера блока данных.

Если при чтении большими блоками наивысшую производительность показывали накопители Plextor благодаря более высокой пропускной способности используемого ими интерфейса, то при записи высокими показателями блещет лишь 256-гигабайтная версия M6e. Аналогичный SSD вдвое меньшего объёма оказывается ничем не лучше остальных моделей, работающих через SATA, среди которых, кстати, вновь выделяется Crucial M550 128 Гбайт. Этот твердотельный накопитель, похоже, является самым эффективным SSD для сред с преобладанием операций записи.

Смешанная нагрузка

По мере удешевления твердотельные накопители перестают использоваться в качестве исключительно системных и становятся обычными рабочими дисками. В таких ситуациях на SSD поступает не только рафинированная нагрузка в виде записи или чтения, но и смешанные запросы, когда операции чтения и записи инициируются разными приложениями и должны обрабатываться одновременно. Однако работа в дуплексном режиме для современных контроллеров SSD остаётся существенной проблемой. При смешивании операций чтения и записи в одной очереди скорость большинства твердотельных накопителей потребительского уровня заметно проседает. Это стало поводом для проведения отдельного исследования, в рамках которого мы проверяем, как работают SSD при необходимости обработки последовательных операций, поступающих вперемежку. Следующая диаграмма демонстрирует наиболее характерный для десктопов случай, когда соотношение количества операций чтения и записи составляет 4 к 1.

Оба Plextor M6e здесь удерживают лидерство. Они сильны при операциях последовательного чтения и примешивание к ним некоторой небольшой доли операций записи этим накопителям совсем не вредит. На втором месте — Crucial M550: он уверенно держался при чистых операциях и продолжает демонстрировать неплохую производительность в том числе и при смешанной нагрузке.

Следующий график даёт более развёрнутую картину производительности при смешанной нагрузке, показывая зависимость скорости SSD от того, в каком соотношении приходят на него операции чтения и записи.

При тех соотношениях между операциями чтения и записи, где скорость SSD не определяется пропускной способностью интерфейса, результаты почти всех участников тестирования сбиваются в тесную группу, от которой отстают лишь три аутсайдера: Crucial M500 120 Гбайт, SanDisk X300s 256 Гбайт и Kingston SM2280S3 120 Гбайт.

PCMark 8 2.0, реальные сценарии использования

Тестовый пакет Futuremark PCMark 8 2.0 интересен тем, что он имеет не синтетическую природу, а напротив — основывается на работе реальных приложений. В процессе его прохождения воспроизводятся настоящие сценарии использования диска в распространённых десктопных задачах и замеряется скорость их выполнения. Текущая версия этого теста моделирует нагрузку, которая взята из реальных игровых приложений Battlefield 3 и World of Warcraft и программных пакетов компаний Abobe и Microsoft: After Effects, Illustrator, InDesign, Photoshop, Excel, PowerPoint и Word. Итоговый результат исчисляется в виде усреднённой скорости, которую показывают накопители при прохождении тестовых трасс.

Два первых места в PCMark 8 отвоёвывают Plextor M6e объёмом 128 и 256 Гбайт. Получается, что при реальной работе в приложениях эти накопители, сильной стороной которых выступает использование не SATA-интерфейса, а PCIe x2, всё-таки превосходят остальные M.2 SSD, основанные на позаимствованной из 2,5-дюймовых моделей архитектуре. А среди заметно более дешёвых SATA-моделей наилучшие показатели выдают Crucial M550 120 Гбайт и SanDisk X300s 256 Гбайт, то есть те SSD, которые базируются на контроллерах Marvell.

Интегральный результат PCMark 8 нужно дополнить и показателями производительности, выдаваемыми флеш-дисками при прохождении отдельных тестовых трасс, которые моделируют различные варианты реальной нагрузки. Дело в том, что при разной нагрузке флеш-приводы зачастую ведут себя немного по-разному.

Накопители Plextor показывают отличную производительность в любых приложениях из списка PCMark 8. SATA SSD, к сожалению, конкурировать с ними могут разве только в World of Warcraft. Однако связано это в первую очередь не с тем, что Plextor M6e способны выдавать недосягаемую скорость, а с тем, что среди полученных нами на тестирование моделей M.2 SATA SSD не было, например, предложений Samsung или новых накопителей Crucial, которые вполне способны тягаться в скорости с работающим через PCIe x2 накопителем Plextor M6e.

Копирование файлов

Имея в виду, что твердотельные накопители внедряются в персональные компьютеры всё шире и шире, мы решили добавить в нашу методику измерение производительности при обычных файловых операциях — при копировании и работе с архиваторами, — которые выполняются «внутри» накопителя. Это — типичная дисковая активность, возникающая в том случае, если SSD исполняет роль не системного накопителя, а обычного диска.

Копирование, как ещё один пример реальной нагрузки, вновь выводит на первые позиции накопители Plextor, работающие через шину PCIe x2. Из моделей с интерфейсом SATA лучшими результатами могут похвастать Crucial M550 128 Гбайт и Transcend MTS600 256 Гбайт. Кстати, обратите внимание, данная модель SSD компании Transcend в реальной работе оказалась заметно лучше Transcend MTS800, так что эти накопители всё же не совсем идентичны по своему быстродействию.

Вторая группа тестов проведена при архивации и разархивации директории с рабочими файлами. Принципиально отличие этого случая заключается в том, что половина операций выполняется с разрозненными файлами, а вторая половина — с одним большим файлом архива.

Здесь ситуация отличается от копирования лишь тем, что к числу SATA-моделей накопителей, которые демонстрируют сравнительно неплохую производительность, добавляется SanDisk X300s 256 Гбайт.

Работа TRIM и фоновой сборки мусора

Испытывая различные твердотельные накопители, мы всегда проверяем то, как они отрабатывают команду TRIM и способны ли они собирать мусор и восстанавливать свою производительность без поддержки со стороны операционной системы, то есть в такой ситуации, когда команда TRIM не передаётся. Такое тестирование было проведено и в этот раз. Схема этого испытания стандартна: после создания длительной непрерывной нагрузки на запись данных, которая приводит к деградации скорости записи, мы отключаем поддержку TRIM и выжидаем 15 минут, в течение которых SSD может попытаться самостоятельно восстановиться за счёт собственного алгоритма сборки мусора, но без помощи со стороны операционной системы, и замеряем скорость. Затем на накопитель принудительно подаётся команда TRIM — и после небольшой паузы скорость измеряется ещё раз.

Результаты такого тестирования приведены в следующей таблице, где для каждой протестированной модели указано, реагирует ли она на TRIM очисткой неиспользуемой части флеш-памяти и может ли она заготавливать чистые страницы флеш-памяти под будущие операции, если команда TRIM на неё не подаётся. Для накопителей, которые оказались способны осуществлять сборку мусора и без команды TRIM, мы также указали тот объём флеш-памяти, который был самостоятельно освобождён контроллером SSD под будущие операции. Для случая эксплуатации накопителя в среде без поддержки TRIM это — как раз тот объём данных, который можно будет сохранить на накопитель с высокой первоначальной скоростью после простоя.

Все прошедшие через наше тестирование M.2-накопители нормально обрабатывают команду TRIM. Да и было бы странно, если в 2015 году какой-то из SSD вдруг не справился бы с такой, можно сказать базовой, функцией. А вот с более сложной задачей — сборкой мусора без поддержки со стороны операционной системы — ситуация складывается по-разному. Наиболее эффективными алгоритмами, которые позволяют упреждающе высвобождать наибольшее количество флеш-памяти под будущие записи, отличаются Kingston SM2280S3 на базе контроллера Phison S8 и Plextor M6e объёмом 256 Гбайт с контроллером Marvell 88SS9183. Любопытно, что 128-гигабайтная версия PCIe-накопителя Plextor осуществляет сборку мусора гораздо менее эффективно. Однако в любом случае почти все из протестированных накопителей в моменты простоя занимаются реорганизацией данных во флеш-памяти и готовят её под быстрое выполнение последующих операций. Исключение лишь одно — SanDisk X300s 256 Гбайт, у которого без TRIM сборка мусора не работает в принципе.

При этом нужно напомнить, что для современных твердотельных накопителей необходимость работающей без TRIM сборки мусора можно поставить под вопрос. Все актуальные версии распространённых операционных систем TRIM поддерживают, поэтому считать, что SanDisk X300s, в котором автономная сборка мусора не работает, принципиально хуже других фигурирующих в этом обзоре SSD, было бы неверным. В повседневном использовании такая его особенность вряд ли как-либо сможет проявиться.

⇡#Выводы

Итак, многообразие способов комплектации персональных компьютеров твердотельными накопителями увеличилось. К трем уже привычным вариантам — подключению к SATA-порту, в слот mSATA или установке в разъем PCI Express — добавился ещё один: в продаже появились SSD в виде плат форм-фактора M.2, а в различных платформах теперь нередко можно встретить соответствующие разъёмы. Невольно возникает вопрос: лучше M.2-накопители всех остальных разновидностей SSD или хуже?

В теории стандарт M.2, действительно, предлагает более широкие возможности по сравнению с другими видами подключения. И дело тут не только в том, что карты M.2 компактны, имеют удобный для размещения микросхем флеш-памяти размер и могут находить применение в совершенно различных по своему назначению и уровню портативности платформах. M.2 — ещё и более гибкий и перспективный стандарт. Он позволяет системе взаимодействовать с SSD как по традиционному SATA-протоколу, так и по шине PCI Express, что открывает перед индустрией пространство для создания более быстрых флеш-накопителей, максимальная скорость которых не ограничивается величиной 600 Мбайт/с и обмен данными с которыми не обязательно выполняется по AHCI-протоколу с высокими накладными расходами.

Другое дело, что на практике всё это великолепие пока в полной мере не раскрывается. Доступные сегодня модели M.2-накопителей в большинстве своём основываются ровно на той же самой архитектуре, что и их 2,5-дюймовые собратья, а, значит, работают через всё тот же набивший оскомину интерфейс SATA. Почти все рассмотренные нами SSD в форм-факторе M.2 оказались аналогами каких-либо моделей привычного формата, а потому они предлагают совершенно типичные для массовых твердотельных накопителей характеристики, в том числе и уровень быстродействия. Единственным же исконным M.2-приводом из числа доступных в отечественных магазинах продуктов является лишь Plextor M6e, который работает через интерфейс PCIe x2, благодаря чему показывает лучшую, чем все его конкуренты, скорость при последовательных операциях. Но даже и его нельзя назвать идеальным SSD в M.2-формате: в Plextor M6e применяется относительно слабый контроллер, что обуславливает его невысокую производительность при нагрузках с произвольным доступом.

Так стоит ли стремиться заполнить твердотельным накопителем слот M.2, если он присутствует на вашей материнской плате? Если не брать в рассмотрение те мобильные конфигурации, которые иные варианты SSD попросту не допускают, то, откровенно говоря, сейчас в пользу положительного ответа на этот вопрос никаких явных аргументов не просматривается. Однако и отрицательных аргументов мы тоже привести не можем. Фактически, приобретя и установив в свою систему M.2 SSD, вы получите примерно то же самое, что и в случае использования стандартного 2,5-дюймого SATA SSD. При этом M.2-карты в среднем стоят немного дороже полноразмерных накопителей (бывает, что и наоборот), но зато они позволяют получить более компактную платформу и высвободить в корпусе лишний отсек. Что важнее в каждом конкретном случае — решать вам.

Но если в итоге вы решитесь на приобретение SSD в форм-факторе M.2, то из числа доступных в продаже вариантов рекомендуем обратить внимание на следующие модели:

• Plextor M6e. Единственный доступный в отечественной рознице M.2-накопитель с интерфейсом PCIe 2.0 x2. За счёт увеличенной пропускной способности интерфейса демонстрирует высокие скорости при последовательных операциях, что делает его высокопроизводительным решением и при некоторых видах реальной нагрузки. К сожалению, стоимость такого SSD заметно выше, чем у моделей, работающих через SATA.
• Crucial M550. Отличный 2,5-дюймовый накопитель имеет почти не отличающийся от него аналог в M.2-формате. Компактные версии Crucial M550 столь же быстры и всеядны, как и одноимённые полноразмерные флеш-диски, а единственное свойство, которое было утрачено при переходе на M.2, — это аппаратная защита целостности данных от внезапных отключений питания.
• SanDisk X300s. Данный накопитель в форм-факторе M.2 также является аналогом очень неплохой 2,5-дюймовой модели. Пусть она и не столь производительна, как флагманские SSD, но её несомненными плюсами выступает пятилетняя гарантия и совместимость с широким набором средств шифрования корпоративного уровня.
• Transcend MTS600. Бюджетный накопитель компании Transcend, пожалуй, предлагает наиболее выгодное соотношение цены и производительности среди всех представленных в тестировании моделей. Именно этим он и интересен — это очень достойное решение для недорогих платформ.

Благодарим компанию «Регард» за предоставленные на тестирование накопители.