Обзор SSD-накопителя Plextor M7V: математика против физики

За TLC NAND укрепилась репутация ненадёжного и медленного по сравнению с MLC решения, и поэтому многие пользователи, особенно из числа энтузиастов, откровенно избегают твердотельных накопителей на базе TLC NAND, волна которых захлестнула прилавки магазинов. Однако примитивный подход в духе «MLC — хорошо, TLC — плохо» не только не конструктивен, но и в ряде случаев просто неверен. Дело в том, что современные накопители на базе TLC NAND сильно разнятся по своей сути. Многие производители действительно делают на базе такой памяти сомнительный ширпотреб, но существуют и разработчики, которые умеют «готовить» из TLC-памяти очень интересные блюда, которые по сравнению с массовыми MLC-моделями могут быть даже более привлекательны по совокупности характеристик.

TLC-память хранит не два, как MLC NAND, а три бита информации в каждой ячейке и обеспечивает за счёт этого большую плотность размещения данных в полупроводниковом кристалле. Это позволяет существенно снизить себестоимость накопителей и нарастить их максимальную ёмкость. Однако принято считать, что использование в TLC-памяти восьми уровней сигнальных напряжений вместо четырёх не только приводит к снижению скорости чтения и программирования такой флеш-памяти, но и заметно сокращает её время жизни. И в рамках такого мировоззрения ячейкам TLC NAND приписывается выносливость на уровне не более чем тысячи циклов программирования-стирания, в то время как современная MLC NAND рассчитана как минимум на три тысячи циклов перезаписи.

К сожалению, эти сравнительные характеристики надёжности MLC- и TLC-памяти преподносят крайне утрированную картину, которая на самом деле реальность не отражает. Дело в том, что ячейки двухбитовой и трёхбитовой памяти не различаются по своей внутренней организации, а следовательно, деградация их полупроводниковой структуры в течение жизненного цикла протекает с совершенно одинаковой скоростью. Проблема же заключается в том, что распознавание восьми уровней сигнальных напряжений в TLC-ячейках (против четырех у MLC) – более сложная задача, решать которую значительно легче тогда, когда износ слоя диэлектрика, отделяющего плавающий затвор, находится на начальной стадии. Именно отсюда и проистекают заявления о низкой надёжности TLC NAND. Если при работе с трёхбитовыми ячейками пользоваться теми же принципами, что и с двухбитовыми, то – да, они менее живучи. Но к этой проблеме можно подойти и совсем с другой стороны – для работы с TLC NAND нужен иной, более совершенный физико-математический аппарат.

И такой аппарат существует! Это – цифровая обработка сигналов с применением низкоплотностного кода (LDPC) с мягким декодированием. Данный алгоритм, имеющий вероятностную природу и оперирующий отдельными понятиями нечёткой логики, позволяет уверенно исправлять ошибки чтения с гораздо более высокой эффективностью, чем традиционно применяемые в твердотельных накопителях алгоритмы BCH ECC.

Вероятность возникновения неисправимых ошибок при различных методах кодирования

Методика LDPC прекрасно ложится на итеративный процесс снятия уровня сигнальных напряжений в ячейках флеш-памяти и результат не заставляет себя долго ждать – выносливость TLC NAND сразу же возрастает в два-три раза, вплотную приближаясь к общепринятым для качественных SSD значений выносливости MLC-памяти. Хорошей иллюстрацией действенности алгоритмов LDPC при работе с TLC-памятью могут выступить результаты проводимого нашей лабораторией тестирования на износ накопителя Samsung 750 EVO, построенного на 16-нм TLC NAND. К настоящему моменту массив его флеш-памяти перезаписан уже более двух с половиной тысяч раз, и никаких признаков его износа пока не наблюдается вообще.

Но не всё так просто. Реализация LDPC в контроллере SSD – далеко не такая элементарная задача. Напротив, исправление возможных ошибок чтения – трудоёмкая процедура, для быстрого выполнения которой требуются серьёзные вычислительные ресурсы. Именно поэтому поддержку LDPC для TLC-памяти на сегодняшний день могут предложить лишь немногие контроллеры для SATA SSD. Один из них – применённый в Samsung 750 EVO и 850 EVO чип MGX, но это – проприетарная разработка компании, закрытая для сторонних производителей. Другой контроллер с реализацией LDPC – Silicon Motion SM2256. Это – общедоступное решение, и его активно используют производители SSD первого-второго эшелонов. Однако этот контроллер не может похвастать достаточной производительностью, и потому TLC-накопители на его основе получаются не слишком привлекательными для энтузиастов.

К счастью, на рынке появилась и третья альтернатива с поддержкой LDPC. Это микросхема 88SS1074 компании Marvell – лучшего независимого разработчика контроллеров для твердотельных накопителей.

И именно этот чип обещает стать массовой платформой для TLC-накопителей нового уровня: надёжных и достаточно быстрых. К настоящему моменту уже известно как минимум о трёх решениях на его основе: Crucial MX300, Plextor M7V и SanDisk X400. Первый SSD из этой троицы пока не поставляется, поскольку в нём будет применена принципиально новая TLC 3D NAND производства IMFT. SanDisk X400 – решение не для конечных потребителей, а для бизнес-пользователей. Зато Plextor M7V представляет собой самый обычный массовый накопитель, и он уже широко доступен в продаже. Поэтому знакомство с платформой Marvell 88SS1074, которая обещает восстановить репутацию твердотельных накопителей на базе TLC NAND, мы начинаем с рассмотрения именно этой модели.

⇡#Технические характеристики

Новая линейка накопителей Plextor M7V позиционируется производителем в качестве недорогих решений. На это прямо указывает буква V в названии, происходящая от слова Value. Таким образом, M7V приходит на смену популярной серии M6V. Однако преемственность между этими накопителями можно проследить с большим трудом. До сих пор Plextor старалась обходить TLC-память стороной, поэтому в накопителях M6V использовалась память с двухбитовой ячейкой, а удешевление в первую очередь затрагивало прочие компоненты. Но воздерживаться от перехода на TLC NAND и дальше, по мнению инженеров Plextor, смысла больше нет. Во-первых, внедрение трёхбитовой памяти открывает перед компанией широкие возможности для атаки на нижний ценовой сегмент. А во-вторых, новому контроллеру Marvell 88SS1074 для получения SSD с привлекательными потребительскими характеристиками MLC NAND вовсе не обязательна: благодаря фирменной технологии NANDEdge и архитектуре с поддержкой коррекции ошибок на базе низкоплотностного кода он позволяет строить вполне добротные накопители даже из TLC NAND.

Впервые о контроллере 88SS1074 мы услышали в середине 2014 года. Именно тогда компания Marvell объявила о разработке нового двухъядерного процессора для работы с перспективными типами памяти – TLC и 3D NAND, выпускаемыми по тонким техпроцессам 10-нм класса. Помимо этого, чип 88SS1074 был отрекомендован и как крайне экономичное решение. Этому способствует его производство по 28-нм технологии, а кроме того, заложенная в архитектуре полная поддержка энергосберегающих состояний DEVSLP.

Поскольку Marvell 88SS1074 ориентирован на использование с недорогими типами NAND, которые обычно выпускаются в виде кристаллов большой ёмкости, этот контроллер получил лишь четыре канала для подключения к флеш-памяти. И это значит, что рекордов производительности от него ждать не стоит. Хотя определённая компенсация уменьшенного параллелизма контроллера всё-таки предусмотрена: он поддерживает как скоростные интерфейсы ONFI 3/Toggle 2 с пропускной способностью до 400 Мбайт/с, так и SLC-кеширование операций записи.

За прошедшие два года никто из производителей SSD потребительского уровня контроллером Marvell 88SS1074 особенно не интересовался. А сейчас – как прорвало: все фирмы, которые так или иначе работали с Marvell, поспешили представить свои изделия на базе этой платформы. Оно и не удивительно. Технологии производства флеш-памяти наконец-то доросли до соответствия возможностям 88SS1074, и внедрять его стало выгодно хотя бы потому, что он представляет собой весьма продвинутое в технологическом плане решение, которое способно стать основой для недорогих, но хороших продуктов. Сейчас как раз очень подходящий момент для выхода с такими предложениями: спрос на недорогие SSD растёт лавинообразно, но действительно качественных накопителей в нижнем ценовом сегменте остро не хватает.

Первым довести платформу Marvell 88SS1074 до стадии конечного продукта смогли инженеры компании Plextor, которые совместили этот контроллер с TLC NAND компании Toshiba, выпущенной по свежему техпроцессу с 15-нм нормами. В результате получился Plextor M7V, характеристики которого выглядят следующим образом.

К перечисленным в таблице характеристикам нужно сразу сделать два важных комментария. Во-первых, в контексте этого обзора мы будем говорить исключительно о 2,5-дюймовых SATA SSD, но линейка M7V включает в себя и продукты в компактном M.2-исполнении. Они по своему устройству и характеристикам от полноразмерных собратьев не отличаются вообще, поэтому останавливаться на них отдельно особого смысла нет. Во-вторых, обратите внимание: серия Plextor M7V не богата модификациями, и максимальный объём представленных в ней SSD действительно ограничен полутерабайтной величиной. Однако получилось так не из-за каких-то изъянов контроллера. Отсутствие модификаций M7V большого объёма – элемент маркетинговой стратегии Plextor: наиболее вместительные модификации твердотельных накопителей предлагаются лишь в дорогих семействах.

Высокие показатели производительности, заявленные для Plextor M7V, как и в случае всех прочих накопителей на базе TLC-памяти, обуславливаются технологией кеширования, в рамках которой небольшая часть массива флеш-памяти функционирует в быстром псевдо-SLC-режиме. У Plextor эта технология называется PlexNitro, но по сути она мало отличается от прочих подобных технологий: Samsung TurboWrite, SanDisk nCache и т.п. Однако в реализации Plextor есть один нюанс, вызванный тем, что ёмкости моделей SSD в линейке M7V кратны 128, а не 120 Гбайт. Из-за этого под собственные нужды контроллером накопителя может использоваться лишь порядка 6,8 процента от полной ёмкости, а ведь в этот объём должен поместиться не только SLC-кеш, но и некий объём резервных страниц флеш-памяти, необходимых для подменного фонда, работы сборки мусора и выравнивания износа.

В результате SLC-кеш у Plextor M7V не так уж и велик – его размер составляет чуть более 1,5 Гбайт на каждые 128 Гбайт ёмкости. Похожий по размеру SLC-кеш мы недавно видели у Samsung 750 EVO, и это опять кажется не слишком много на фоне того, как особенно прыткие производители TLC-накопителей на платформе Phison в последнее время стали расширять кеш до 2 Гбайт на каждые 120 Гбайт ёмкости SSD. Однако как в случае с Samsung 750 EVO, так и сейчас выделенного разработчиками объёма должно вполне хватать, ведь в основе M7V лежит мощный контроллер Marvell 88SS1074, который, в отличие от Phison S10, вполне способен работать с TLC-памятью на относительно хорошей скорости и без всякого кеширования.

Что же может посеять гораздо большие сомнения в правильности сокращения размера зарезервированного пространства, так это не размер кеша PlexNitro, а вопрос, хватает ли у Plextor M7V места под полноценный подменный фонд. Ведь если из объёма недоступного для пользователя пространства вычесть объём, участвующий в кешировании, то получится, что у контроллера в распоряжении остаётся лишь чуть более 4 Гбайт резерва на каждые 128 Гбайт объёма накопителя. И это – даже меньше, чем обычно спрятано от пользователя в SSD на базе MLC-памяти.

Однако представители Plextor говорят, что никаких причин для беспокойства нет. Наличие в контроллере Marvell 88SS1074 продвинутых технологий NANDEdge и LDPC позволяет добиться от самой обычной 15-нм TLC NAND производства Toshiba ресурса как минимум в две тысячи циклов перезаписи. И потому нужды в существенном подменном фонде попросту не существует, ведь потребительские TLC-накопители не используются в сценариях с интенсивной нагрузкой, связанной с постоянной перезаписью данных.

Тем не менее это не помешало Plextor продекларировать для своего SSD рекордную выносливость. Так, на 256-гигабайтную версию M7V разрешается записывать до 160 Тбайт данных, а на 512-Гбайт модификацию – до 320 Тбайт. Это примерно в два с половиной раза больше, чем обещают конкурирующие SSD с TLC NAND внутри. И в том, что достичь таких показателей с применением совершенных алгоритмов работы с флеш-памятью вполне возможно, нет никаких сомнений. Например, тестировавшийся у нас недавно Samsung 750 EVO, который тоже базируется на планарной трёхбитовой памяти, на практике показал способность спокойно переварить заметно больший объём записи.

Иными словами, на сегодняшний день Plextor M7V действительно выглядит как TLC-накопитель нового поколения: с новаторской платформой и не вызывающей опасений заявленной надёжностью.

⇡#Внешний вид и внутреннее устройство

Для целей тестирования компания Plextor предоставила нам сразу две 2,5-дюймовые версии своего M7V (M7VC) с наиболее востребованными вариантами ёмкости – 256 и 512 Гбайт. Согласно официальным спецификациям такие модификации производительнее младшей за счёт более высокого параллелизма массива флеш-памяти, плюс не стоит забывать и о росте с увеличением общей ёмкости накопителя объёма кеша PlexNitro.

Внешний вид у SSD разной ёмкости не различается, разница между ними есть лишь в этикетке на оборотной стороне. Конструкция корпуса унаследована от предыдущей бюджетной модели – M6V. Корпус состоит из двух металлических деталей, которые скреплены между собой четырьмя винтами. Да-да, хотя M7V – бюджетный TLC-накопитель, производитель не стал экономить на мелочах и не перешёл на очень популярную нынче безвинтовую сборку. Однако какой-либо комплект поставки у M7V полностью отсутствует: дополнительных принадлежностей в коробках с этими накопителями нет.

Как видно по фото, на лицевой стороне корпуса чёрной краской нанесён логотип Plextor, а на оборотной имеется наклейка, содержащая модельные и серийные номера, и прочую техническую информацию. Любопытно, что в Россию, как и в большинство других стран, Plextor поставляет накопители серии M7V в скучном неокрашенном алюминиевом корпусе, в то время как эти же SSD, представленные на китайском рынке, имеют ярко-красный окрас. Такие вот региональные особенности.

Версия для китайских коммунистов

Внутренности у Plextor M7V различной ёмкости оказались не слишком похожими. В 256-гигабайтной версии используется совсем маленькая печатная плата, чётко подогнанная под четыре микросхемы флеш-памяти. Такие урезанные платы встречаются всё чаще и чаще, по всей видимости, экономия на текстолите действительно даёт некий экономический эффект.

Plextor M7V 256 Гбайт

Массив флеш-памяти здесь набран четырьмя чипами в TSOP-упаковке, в каждом из которых содержится по четыре 15-нм 128-Гбит кристалла планарной TLC NAND авторства Toshiba. Надо сказать, что Plextor сотрудничает с Toshiba уже очень давно, и обнаружить в M7V память этого производителя вполне закономерно. Например, в прошлом бюджетном SSD компании Plextor, M6V, была использована 15-нм MLC NAND Toshiba, похожую память, выпущенную по более зрелым процессам, можно найти и в M6 Pro или M6S.

Но M7V – это первая ставка Plextor на флеш-память с трёхбитовой ячейкой, и сделана она была во многом благодаря появлению специализированного контроллера 88SS1074, выпущенного другим давним партнёром Plextor – компанией Marvell. Контроллер этот расположен на плате M7V 256 Гбайт по соседству с флеш-памятью и общается с ней по четырём каналам, в каждом из которых устройства NAND чередуются с кратностью четыре.

Кроме того, участвует в дизайне Plextor M7V 256 Гбайт и микросхема третьего типа – DDR3L-1600 SDRAM. В данном случае она представлена чипом Nanya объёмом 512 Мбайт. Таким образом, реализация на основе контроллера Marvell 88SS1074 продвинутых методов работы с TLC-памятью потребовала увеличить размер DRAM-буфера. Это делает M7V немного дороже с точки зрения себестоимости по сравнению с массовыми TLC-накопителями, оперативной памяти в которых обычно вдвое меньше.

Отличия во внутренней конструкции Plextor M7V 512 Гбайт от младшей модели видны сразу же. Здесь плата имеет уже полный формат, хотя смотрится она, мягко говоря, пустовато.

Plextor M7V 512 Гбайт

Контроллер на плате тот же – Marvell 88SS1074-BSW2, но в M7V объёмом 512 Гбайт он снабжается теплопроводящей прокладкой, позволяющей рассеивать выделяемое им тепло на корпус накопителя. Любопытно, что у 256-гигабайтной версии M7V термоинтерфейс предусмотрен не был.

Оперативная DDR3L-память на плате M7V 512 Гбайт представлена сразу двумя чипами Nanya разной ёмкости. Её суммарный объём составляет 768 Мбайт – на этот раз её всего в полтора раза больше, чем бывает обычно.

Массив флеш-памяти формируют восемь чипов Toshiba TH58TFG9UHLTA2D. Это абсолютно такие же микросхемы, как мы уже видели в 256-гигабайтной версии накопителя, поэтому в общей сложности в Plextor M7V 512 Гбайт сожительствует 32 NAND-устройства, что позволяет получить хороший уровень параллелизма, в теории достаточный для маскировки относительно низкой производительности флеш-памяти с трёхбитовой ячейкой. Поэтому именно от 512-Гбайт накопителя можно ожидать полного раскрытия всех прелестей платформы Marvell 88SS1074.

Говоря о внутреннем строении накопителей M7V, обязательно нужно подчеркнуть их уникальность. Marvell не предлагает вместе со своими чипами готовых эталонных дизайнов, и каждый из производителей накопителей, остановивших выбор на платформах этого разработчика, решает вопросы внедрения независимо. Поэтому никаких аналогов у Plextor M7V нет и не будет. Разве только родительская компания Plextor, Lite-On, захочет довести до розничного рынка эту же самую модель под своей торговой маркой.

То же самое можно сказать и о микропрограмме. Она разработана инженерами Plextor самостоятельно, и потому в ней есть некоторые примечательные преимущества. К их числу можно, например, отнести технологию TrueSpeed, благодаря которой накопители Plextor сохраняют высокую производительность в средах без поддержки TRIM.

⇡#Программное обеспечение

Компания Plextor ставит программную поддержку своей продукции на далеко не последнее место. Но действует она при этом не общепринятыми методами. Вместо разработки единой многофункциональной сервисной утилиты программисты Plextor предлагают сразу несколько программ, решающих различные смежные задачи: PlexTurbo, PlexVault и PlexCompressor.

Впрочем, «обычная» сервисная утилита, способная работать с Plextor M7V, тоже существует. Она носит название PlexTool. Однако её внешний вид и функциональное наполнение, откровенно говоря, несколько разочаровывает. Дело в том, что активное развитие данного программного инструмента остановилось несколько лет назад. Поэтому с помощью PlexTool можно сделать немногое: узнать общую информацию о накопителе, прочитать содержимое SMART, а также получить управление над подачей команды TRIM.

Кроме того, PlexTool позволяет провести экспресс-тестирование производительности, выполнить команду Secure Erase и обновить прошивку через интернет.

Никаких других возможностей у PlexTool нет. Но не стоит забывать об остальных программах.

Наиболее интересна из них PlexTurbo, позволяющая организовать дополнительный уровень кеширования дисковых операций с задействованием оперативной памяти компьютера. Это даёт возможность увеличить скорость операций с часто задействуемыми файлами и снизить нагрузку на накопитель. Однако подобные программные решения таят в себе потенциальную опасность: в случае незапланированных отключений или сбоев компьютера данные, не успевшие записаться из RAM-кеша на SSD, естественно, будут утеряны.

Кроме того, с накопителями серии M7V утилита PlexTurbo функционирует в несколько урезанном виде. С ними максимальный объём создаваемого в оперативной памяти кеша ограничен величиной 1 Гбайт.

Ещё одна программа из комплекта Plextor – PlexCompressor. Эта утилита представляет собой надстройку над файловой системой, которая осуществляет автоматическое сжатие малоиспользуемых файлов, освобождая дополнительное дисковое пространство. Причём работает такое сжатие очень выборочно. Чтобы не создавать излишней нагрузки на процессор компьютера, оно затрагивает лишь те файлы, которые не использовались пользователем как минимум в течение последних 30 дней. В том случае же, когда к такому сжатому файлу произойдёт обращение, он будет возвращён в исходное состояние.

И последняя утилита, о которой необходимо рассказать, это PlexVault. Она предлагает реализовать на накопителе шифрование данных. Однако нужно понимать, что речь идёт не об аппаратном шифровании, которое в M7V не поддерживается, а о чисто программных алгоритмах, которые при своей работе загружают центральный процессор.

PlexVault может создавать один или несколько шифрованных контейнеров, причём в обычных условиях они видны лишь авторизованным в программе пользователям, которые знают «секретные» комбинации клавиш и пароль. Впрочем, использовать такое средство в серьёзных применениях мы бы всё равно не посоветовали как минимум потому, что Plextor не делится никакой информацией об используемых алгоритмах шифрования и не проводит независимый аудит своего криптографического решения.