Обзор SSD-накопителя Toshiba Q300 Pro: перемена вывески

⇡#Методика тестирования

Тестирование проводится в операционной системе Microsoft Windows 10 Enterprise x64 Build 10586, 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 рандомизированные несжимаемые данные.

Используемые приложения и тесты:

• Iometer 1.1.0
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Измерение производительности при смешанной многопоточной нагрузке и установление её зависимости от соотношения между операциями чтения и записи. Тест проводится дважды: для последовательных операций чтения и записи блоками объёмом 128 Кбайт, выполняемых в два независимых потока, и для случайных операций с блоками объёмом 4 Кбайт, которые выполняются в четыре потока. В обоих случаях соотношение между операциями чтения и записи варьируется с шагом 20 процентов. Оценка скоростей выполняется в течение трёх минут, после чего вычисляется средний показатель.
  • 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 5.1.1
  • Синтетический тест, выдающий 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 Maximus VIII Ranger, процессором Core i5-6600K со встроенным графическим ядром Intel HD Graphics 530 и 8 Гбайт DDR4-2133 SDRAM. Приводы с SATA-интерфейсом подключаются к контроллеру SATA 6 Гбит/с, встроенному в чипсет материнской платы, и работают в режиме AHCI. Используется драйвер Intel Rapid Storage Technology (RST) 14.6.0.1029.

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

⇡#Участники тестирования

Для сравнения с образцом Toshiba Q300 Pro мы взяли полный набор наших эталонных производительных SATA SSD, который включает наиболее популярные модели, предлагаемые лидерами рынка – Samsung, SanDisk и Crucial. Кроме того, из-за несколько нетипичной оптимизации микропрограммы главного героя, к этому перечню пришлось добавить пару бюджетных SSD производителей второго эшелона. И в итоге получился следующий перечень соперников:

• ADATA Premier SP550 240 Гбайт (ASP550SS3-240GM, прошивка O0730A);
• Crucial BX100 250 Гбайт (CT250BX100SSD1, прошивка MU02);
• Crucial MX200 250 Гбайт (CT250MX200SSD1, прошивка MU03);
• Kingston HyperX Savage 240 Гбайт (SHSS37A/240G, прошивка SAFM00.r);
• Samsung 850 Pro 256 Гбайт (MZ-7KE256, прошивка EXM01B6Q);
• Samsung 850 EVO 250 Гбайт (MZ-75E250, прошивка EMT02B6Q);
• SanDisk Extreme PRO 240 Гбайт (SDSSDXPS-240G, прошивка X21200RL);
• SanDisk Ultra II 240 Гбайт (SDSSDHII-240G, прошивка X31200RL);
• Toshiba Q300 Pro 256 Гбайт (HDTS425, прошивка JURA0101);
• Toshiba Q300 240 Гбайт (HDTS724, прошивка SAFM11.2).

⇡#Последовательные операции чтения и записи

Если на операциях последовательного чтения почти все современные SATA SSD демонстрируют схожую скорость, ограниченную сверху пропускной способностью интерфейса, то при записи между ними обнаруживаются существенные различия. Однако Toshiba Q300 Pro вполне можно отнести к числу производительных накопителей, его скорость не хуже, чем у лидеров.

⇡#Случайные операции чтения

Принято считать, что производительность SSD при чтении случайных блоков – одна из важнейших характеристик, оказывающих первоочередное влияние на скорость работы в реальных условиях. Но как раз с этим параметром у рассматриваемого накопителя Toshiba дела обстоят неважно. Очевидно, что контроллер, применяемый в этом SSD, имеет какие-то явные изъяны, приводящие к чрезмерному увеличению задержек при обращении к массиву флеш-памяти.

Несмотря на то, что операции с глубокой очередью запросов для персональных компьютеров не характерны, мы всё же посмотрим, как зависит производительность рассматриваемого SSD от глубины очереди запросов при чтении 4-килобайтных блоков.

Более низкая, чем у конкурирующих твердотельных накопителей, производительность наблюдается у Toshiba Q300 Pro при любой глубине очереди запросов. Похоже, что корень проблем следует искать в не слишком эффективных алгоритмах трансляции адресов.

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

Поводов для оптимизма не даёт и этот график, хотя стоит обратить внимание на то, что при росте объёма блока производительность накопителя Toshiba выходит на высокий уровень. Что, в общем-то, совсем неудивительно, поскольку работа SSD с блоками размером 256 Кбайт похожа на последовательные операции, при которых Q300 Pro демонстрирует неплохую производительность.

⇡#Случайные операции записи

На самом деле инженеры Toshiba по какой-то причине посчитали, что для их накопителей производительность при операциях записи важнее, чем при чтении. И именно для улучшения этого параметра в микропрограмме Toshiba Q300 Pro были добавлены алгоритмы SLC-кеширования. Однако, как следует из приведённых диаграмм, помогли они не слишком сильно. В Q300 Pro массив флеш-памяти работает в четырёхканальном режиме, и узкое место возникает между памятью и контроллером. В результате Toshiba Q300 Pro оказывается худшим в группе массовых MLC-накопителей.

Наглядно иллюстрирует слабость Toshiba Q300 Pro при операциях случайной записи и следующий график. На нём показана зависимость скорости произвольной записи 4-килобайтными блоками от глубины очереди запросов.

Из-за четырёхканального дизайна массива флеш-памяти предельная производительность случайной записи у Toshiba Q300 Pro невысока. Похоже, что SLC-кеширование, применяющееся в этой модели, реально помогает лишь при последовательных операциях.

Следующий график отражает зависимость производительности при случайной записи от размера блока данных.

Toshiba Q300 Pro показывает такую же скорость, как у лидеров, хотя и не ставит рекордов. Старший накопитель Toshiba лучше всего проявляет себя при работе с последовательными данными, случайные же операции обслуживаются им с хорошим темпом только в случае блоков значительного размера – 16 Кбайт и выше.

⇡#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 пара диаграмм демонстрирует наиболее характерный для десктопов случай, когда соотношение количества операций чтения и записи составляет 4 к 1.

Измерение быстродействия SSD компании Toshiba при работе со смешанными операциями приводит к совершенно неожиданному результату. Toshiba Q300 Pro откровенно удивляет: в этом накопителе внезапно обнаруживаются очень эффективные оптимизации под работу с одновременным чтением и записью. В этом режиме он оказывается лучшим решением. Фактически можно говорить о том, что операции чтения и записи исполняются этим накопителем одновременно без какого-либо взаимного влияния друг на друга. Впрочем, всё сказанное относится лишь к последовательным операциям, и подобным поведением на смешанных случайных операциях чтения и записи Q300 Pro похвастать уже не может.

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

Наибольший интерес вызывает первый график, отображающий производительность при последовательной нагрузке. Дело в том, что в то время, как у большинства современных SATA SSD быстродействие при смешанных операциях падает, Toshiba Q300 Pro может похвастать сохранением практически неизменной производительности при одновременной работе с чтением и записью. Похоже, что платформа этого накопителя специально оптимизировалась под дуплексный режим. Нетипично ведёт себя этот SSD и при случайных смешанных операциях. Следы оптимизации видны и в этом случае. Однако уже отмеченная нами низкая скорость трансляции адресов не даёт Q300 Pro занять на втором графике лидирующие позиции.

⇡#Деградация и восстановление производительности

Наблюдение за изменением скорости записи в зависимости от объёма записанной на диск информации — весьма важный эксперимент, позволяющий понять работу внутренних алгоритмов накопителя. В данном тесте мы загружаем SSD непрерывным потоком запросов на случайную запись 4-килобайтных блоков с очередью максимальной глубины и попутно следим за той производительностью, которая при этом наблюдается. На приведённом ниже графике в виде точек отмечены результаты измерений моментальной производительности, которые мы снимаем ежесекундно, а чёрная линия показывает среднюю скорость, наблюдаемую в течение 30-секундного интервала.

У Toshiba Q300 Pro 256 Гбайт зависимость производительности от объёма непрерывно записанной на накопитель информации с качественной точки зрения абсолютно характерна для накопителей, использующих SLC-кеширование на полном массиве флеш-памяти. С максимально высокой скоростью можно записать до половины объёма SSD – в этом случае программирование ячеек происходит в быстром SLC-режиме. Потом же требуется их перевод в MLC-режим и производительность падает. Поэтому нет ничего удивительного в том, что высокую скорость записи у Q300 Pro 256 Гбайт мы наблюдали при непрерывной записи первых 128 Гбайт.

Но вот то, что происходит дальше, вызывает как минимум недоумение. Дело в том, что при переключении режимов флеш-памяти и переходе количества записанных данных через 128-гигабайтную границу производительность падает до уровня 20 тысяч IOPS. Если учесть, что в Q300 Pro используется производительная 19-нм MLC NAND производства Toshiba, это – очень низкий показатель. У прочих MLC-накопителей с SLC-кешированием вроде OCZ Vector 180 или Crucial MX200 после переключения памяти из SLC в MLC-режим скорость снижается где-то до 40-60 тысяч IOPS, но у Toshiba Q300 Pro подобный процесс приводит к, прямо скажем, катастрофическим для быстродействия последствиям. Судя по всему, те алгоритмы, которые реализовали инженеры Toshiba в своей микропрограмме, сильно уступают реализациям SLC-кеширования конкурентов.

Давайте посмотрим теперь, как у Toshiba Q300 Pro работает сборка мусора. Для исследования этого вопроса после завершения предыдущего теста, приводящего к деградации скорости записи, мы выжидаем 15 минут, в течение которых SSD может попытаться самостоятельно восстановиться за счёт сборки мусора, но без помощи со стороны операционной системы и команды TRIM, и замеряем быстродействие. Затем на накопитель принудительно подаётся команда TRIM — и скорость измеряется ещё раз, что позволяет убедиться в способности SSD с помощью TRIM полностью восстанавливать свою паспортную производительность.

Никаких проблем с исполнением команды TRIM здесь не видно. Скорость записи после её подачи возвращается к первоначальному — это означает, что при повседневном использовании данного накопителя никаких проявлений деградации производительности у Q300 Pro не будет. Автономная же сборка мусора у этого SSD отсутствует. В состоянии простоя контроллер неиспользуемые страницы флеш-памяти освобождает лишь в том случае, если на то есть явное указание операционной системы.

⇡#Результаты в CrystalDiskMark

CrystalDiskMark — это популярное и простое тестовое приложение, работающее «поверх» файловой системы, которое позволяет получать результаты, легко повторяемые обычными пользователями. И то, что выдаёт этот бенчмарк, с качественной точки зрения обычно почти не отличается от показателей, которые были получены нами в тяжёлом и многофункциональном пакете Iometer.

⇡#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 том, как работают реальные приложения. В процессе его прохождения воспроизводятся настоящие сценарии работы 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 Adobe 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.

Несмотря на то, что при рафинированном чтении и записи случайных данных Q300 Pro не показывал высоких результатов, в PCMark 8 2.0 он выдаёт чуть ли не лучшие показатели. Очевидно, связано это с обнаруженной нами хитроумной оптимизацией данного накопителя под смешанные операции, которые при работе с реальными приложениями занимают существенное место. Таким образом, Toshiba Q300 Pro – это не столь однозначный SSD, как могло показаться вначале. Да, он далеко не всеяден, но при работе в реальных приложениях может обеспечить неплохое быстродействие.

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.

⇡#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.

Ещё один пример использования SSD в реальных «боевых» условиях – и вновь Toshiba Q300 Pro оказывается на высоте. Как видите, оптимизация этого накопителя под работу со смешанной нагрузкой показывает свою результативность не только в приложениях. Хорошо смотрится данный SSD и при копировании файлов: ему удаётся обскакать даже такие «заслуженные» накопители, как Samsung 850 PRO, SanDisk Extreme Pro и Crucial MX200. Получается, что инженеры Toshiba сумели чётко распознать, что нужно от SSD массовому пользователю, и через оптимизации микропрограммы создали такую платформу, которая идеально подходит под типовые сценарии дисковой активности.

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

Примерно такие же результаты получаются и при работе архиватора. Однако Toshiba Q300 Pro в этом случае оттесняется с лидирующих позиций более универсальными SSD компаний Samsung и SanDisk.

⇡#Выводы

Несмотря на новое имя, накопитель Q300 Pro на самом деле оказывается хорошо знакомой нам моделью. Это – реинкарнация предыдущей платформы Toshiba, которая на протяжении нескольких лет использовалась в SSD этой компании со сложнозапоминаемыми буквенными артикулами вроде THNSNJ. Но ничего плохого в этом нет. Хотя условия на рынке изменились, Toshiba Q300 Pro остаётся достаточно любопытным SSD на базе четырёхканального контроллера разработки Marvell и MLC NAND, дополнительно усиленным технологией SLC-кеширования, которая работает на всём объёме флеш-памяти. Хотя такая платформа и не обеспечивает рекордной производительности при случайных операциях, разработчики сумели так оптимизировать микропрограмму, что Q300 Pro оказался на удивление хорош в различных комплексных сценариях нагрузки.

Это делает Q300 Pro вполне интересным вариантом для использования в системах среднего уровня, тем более что Toshiba снабдила новинку набором приятных дополнений: красивой коробкой, пятилетней гарантией с неплохим ресурсом, функциональной инструментальной утилитой и комплектным программным обеспечением для клонирования данных. Судя по ценообразованию, Toshiba противопоставляет свой Q300 Pro флагманским накопителям Samsung, SanDisk и Crucial. Как показали наши тесты, хотя Q300 Pro не является таким же универсальным решением, в реальных задачах эта модель составляет им достойную конкуренцию. И всё же было бы совсем неплохо, если бы отставание Q300 Pro на случайных операциях изготовитель компенсировал дополнительным снижением цены.