Обзор SSD-накопителя Samsung 960 PRO: разогнаться до небес

Будущее – за твердотельными накопителями, работающими через шину PCI Express с использованием протокола NVMe. И это не просто наше мнение, об этом говорят все лидеры отрасли. Например, компания Samsung, которая на недавно состоявшейся конференции SSD Global Summit 2016 обнародовала удивительные цифры, свидетельствующие о том, что уже сейчас в структуре поставок компании на каждые два накопителя с интерфейсом SATA приходится один PCIe SSD. Конечно, такое соотношение во многом связано с масштабными OEM-контрактами Samsung, например она поставляет накопители для компьютеров Apple, где уже давно используются лишь PCIe SSD. Тем не менее общую тенденцию, пусть и с некоторым опережением, это отражает. И даже больше того: в следующем году, как прогнозирует Samsung, поставки её PCIe-накопителей впервые превзойдут поставки моделей с интерфейсом SATA. Иными словами, компания ожидает очень резкой смены потребительских предпочтений, вплоть до того, что уже через пару лет спрос на PCIe-накопители будет в разы превосходить спрос на SATA SSD.

И в целом поверить в такие перспективы очень легко. Интерфейс SATA устарел, и в этом не может быть никаких сомнений. Он был разработан для механических жёстких дисков, не учитывает специфику SSD и существенно ограничивает их производительность. Фактически роста быстродействия SATA-накопителей не наблюдается уже несколько лет, и связано это в первую очередь с тем, что их скорости ограничиваются именно SATA-интерфейсом, который не только не даёт повышать пропускные способности, но и препятствует параллельной обработке команд и снижению латентностей. Шина же PCI Express с наложенным на неё протоколом NVMe всех этих недостатков лишена. Даже в текущем варианте, когда для нужд носителей информации предполагается использовать четыре линии PCI Express 3.0, пропускная способность может достигать 3,9 Гбайт/с, а это – как минимум в шесть раз больше, чем может предложить привычный интерфейс SATA 3.1.

К тому же оптимизм Samsung в отношении PCIe SSD подкрепляется ещё и тем, что вся необходимая инфраструктура для них уже создана и индустрия пришла к негласному одобрению единого формата NVMe-накопителей: M.2. Соответствующие слоты с поддержкой необходимых интерфейсов на аппаратном и программном уровне сегодня имеются в практически любых современных платформах разработки Intel. И даже компания AMD, которая за последние годы несколько отстала от технического прогресса, готовится реализовать поддержку PCIe-накопителей в своих перспективных процессорах Zen. Иными словами, никаких препятствий для внедрения нового поколения SSD в массовые системы нет, и дело лишь за тем, чтобы новый стандарт пришёлся по душе массовому пользователю.

Фактически ограничение остаётся лишь одно – уровень цен. Сегодня PCIe-накопители позиционируются как премиальные продукты со стоимостью, существенно превышающей стоимость SATA SSD. Однако это препятствие должно исчезнуть в течение ближайших месяцев, как только в NVMe-накопители придёт недорогая TLC 3D NAND. Первый шаг в этом направлении уже сделала Intel со своей новинкой 600p, но окончательно стереть экономическую грань между прошлыми и новыми поколениями SSD планирует сама Samsung, которая подготовила весьма многообещающую по соотношению производительности и цены новинку – 960 EVO.

Но сегодня мы будем говорить о несколько ином продукте Samsung – накопителе 960 PRO, который на массовый сегмент, в общем-то, не нацелен. Задача этой новинки в другом – закрепить за южнокорейской компанией статус лидера в сфере выпуска высокопроизводительных SSD и развить успех, достигнутый предыдущим PCIe-флагманом, 950 PRO. Казалось бы, зачем Samsung потребовалось готовить замену и без того удачному 950 PRO? Данная модель и по сей день остаётся самым быстрым SSD для персональных компьютеров, превзойти который не смог ни один из конкурентов. Однако, как объясняют представители компании, разработка 960 PRO началась не столько из-за каких-то стратегических соображений, сколько из-за внутрикорпоративного перфекционизма. Ведь как же так: пропускная способность используемого в 950 PRO интерфейса почти 4 Гбайт/с, а накопитель выжимает лишь 2,5 Гбайт/с? Непорядок! И 960 PRO – это вторая попытка самсунговских инженеров раскрыть все преимущества PCI Express и NVMe если не по максимуму, то хотя бы более полно.

А заодно выпуском 960 PRO производитель решил и целый ряд побочных, но тем не менее всё равно важных для себя задач: расширил линейку NVMe-предложений накопителями ёмкостью 1-2 Тбайт, обновил используемую память третьим поколением MLC 3D V-NAND с 48 слоями и увеличил декларируемый ресурс потребительских SSD вплоть до петабайтных значений. Что же получилось в итоге, мы и посмотрим в этом обзоре.

⇡#Технические характеристики

Несмотря на то, что между Samsung 960 PRO и его предшественником – всего лишь небольшое отличие в модельном номере, архитектура этих накопителей различается практически во всём. Неизменным остался лишь формат и способ подключения – M.2-карта с интерфейсом PCI Express 3.0 x4, работающая по NVMe-протоколу. В остальном перед нами абсолютно новый SSD.

Во-первых, в Samsung 960 PRO использован новый контроллер – Polaris. По сравнению с трёхъядерным чипом UBX, который лежит в основе 950 PRO, в новом контроллере существенно увеличена вычислительная производительность. Теперь он объединяет сразу пять ядер с архитектурой ARM, причём одно из них выделено исключительно под работу с хостом. В результате пиковая мощность выросла почти втрое, и накопители серии 960 PRO получили возможность развивать производительность до 440 тысяч IOPS при чтении и до 330 тысяч IOPS – при записи.

Контроллер Samsung Polaris

Во-вторых, Samsung 960 PRO переехал на более новую разновидность памяти. В 950 PRO использовалась 32-слойная MLC 3D V-NAND второго поколения, в новый же накопитель устанавливается 48-слойная MLC 3D V-NAND третьего поколения. Любопытно, что 960 PRO стал первым потребительским накопителем, в который попала такая память, и до сих пор мы имели дело лишь с третьим поколением трёхмерной памяти Samsung с трёхбитовой ячейкой. Но это – исключительно позитивная перемена, потому что новая MLC 3D V-NAND по сравнению с MLC-памятью второго поколения не только обладает увеличенной скоростью, но и может похвастать более высокой плотностью хранения данных, что позволяет строить компактные M.2-накопители недостижимого ранее объёма. Ёмкость кристаллов MLC 3D V-NAND третьего поколения выросла вдвое и достигла 256 Гбит, в результате чего в серии 960 PRO появились накопители с объёмами, перевалившими через терабайтную отметку.

В-третьих, существенно изменились и алгоритмы работы накопителя. В Samsung 950 PRO для увеличения скоростей записи активно использовалась динамическая технология SLC-кеширования, когда данные изначально писались в память в быстром однобитовом режиме, и лишь потом, в моменты простоя накопителя, происходила их реорганизация. В новом Samsung 960 PRO нужды в подобных трюках нет. Высокая мощность контроллера Polaris и достаточная пропускная способность MLC 3D V-NAND третьего поколения позволяет получать хорошую скорость записи и при обращении с памятью в обычном двухбитовом режиме.

В результате характеристики Samsung 960 PRO выглядят действительно впечатляюще.

По тем скоростям, которые заявляет Samsung, 960 PRO – это потребительский NVMe SSD с максимально возможной на сегодняшней день производительностью. Причём уровень преимущества, как видно из следующей таблицы, не оставляет конкурирующим продуктам никаких шансов.

Впрочем, нужно иметь в виду один нюанс. При большинстве практических нагрузок реальная скорость работы SSD зависит не столько от пиковых показателей, которыми так любят щеголять производители, сколько от того быстродействия, которое получается при невысокой глубине очереди запросов. А по этому показателю прирост у Samsung 960 PRO по сравнению с предшественником не столь велик и обещан лишь на уровне 10-15 процентов.

Однако сравнивать 950 PRO и 960 PRO напрямую не совсем верно: они имеют различные и почти не пересекающиеся линейки объёмов. В то время как прошлый флагманский накопитель существовал лишь в версиях на 256 и 512 Гбайт, в новинке произошло отчётливое смещение акцентов в сторону повышенной вместимости с попутным установлением нового рекорда – 2 Тбайт. Да-да, инженеры Samsung смогли разместить на миниатюрной M.2-плате площадью 19 см² целых 2 Тбайт флеш-памяти. И это достижение особенно впечатляет, если учесть, что даже старшая модификация 960 PRO имеет односторонний дизайн. Никакие другие производители M.2-накопителей подобной ёмкости пока предложить не в состоянии ни в каком виде, и поэтому 960 PRO уникален не только по производительности, но и по вместимости. Взять же двухтерабайтный рубеж Samsung удалось благодаря двум факторам: переходу на двухбитовую V-NAND третьего поколения с ёмкостью кристаллов по 256 Гбит (32 Гбайт) и умению штабелировать в одной микросхеме до шестнадцати таких кристаллов.

Вместе с появлением в линейке 960 PRO версий на 1 и 2 Гбайт вырос и минимальный объём. Младший представитель получил ёмкость в 512 Гбайт, и выпускать более мелкие модификации Samsung не планирует. Любопытно, что сделано так не по архитектурным, а по маркетинговым соображениям. Составленный из MLC 3D V-NAND третьего поколения 256-гигабайтный массив обладает достаточным уровнем параллелизма, и такая модель могла бы быть вполне жизнеспособна. Об этом, например, свидетельствует существование OEM-собрата 960 PRO такой ёмкости – накопителя Samsung SM961 256 Гбайт. Но Samsung посчитала, что во флагманской потребительской серии предложений с ценой ниже $300 быть не должно, и этот сегмент будет закрывать NVMe-линейка более низкого уровня, 960 EVO, которая появится несколько позднее.

Впрочем, справедливости ради стоит указать, что Samsung 960 PRO – отнюдь не баснословно дорогой накопитель. Удельная стоимость гигабайта, которая присуща новинке, даже лучше, чем у присутствующих на рынке терабайтных NVMe M.2-накопителей Toshiba RD400 и Plextor M8Pe. Однако если сравнивать 960 PRO с массовыми SATA SSD, то он получается примерно вдвое дороже.

Тем не менее заплатить определённо есть за что. Samsung 960 PRO принципиально превосходит все потребительские модели SATA SSD не только по скорости и ёмкости, но и по ресурсу. В этой серии флагманских продуктов Samsung расщедрилась до того, что официально разрешила перезапись более петабайта данных (для 2-Тбайт версии), чем поставила новинку в один ряд с некоторыми серверными моделями. И если пересчитать разрешённый объём записи на пятилетнюю гарантию, то получится, что производитель позволяет перезапись от 32 до 42 процентов полной ёмкости SSD ежедневно в течение всего гарантийного срока как для младших, так и для старших моделей.

И последний штрих, который следует добавить к портрету Samsung 960 PRO, — это поддержка в нём прозрачного аппаратного шифрования по алгоритму AES-256. Причём, речь идёт о полнофункциональном криптографическом движке, который поддерживает не только Class 0-шифрование, но и технологии TCG/Opal v2.0 и Microsoft eDrive (IEEE1667). Это делает Samsung 960 PRO единственным NVMe-накопителем, который совместим на аппаратном уровне с популярным средством защиты данных BitLocker.

⇡#Внешний вид и внутреннее устройство

Большинство твердотельных накопителей с интерфейсом PCI Express, которые были представлены в последнее время, обычно получали два варианта исполнения: в виде M.2-карты и в виде устанавливаемой в стандартный слот PCIe «большой» платы, которая обычно представляла собой комбинацию из той же M.2-карты и переходника. Однако Samsung поклонницей такого видового многообразия не является. Как и в случае с 950 PRO, новый 960 PRO существует лишь в единственном M.2-формате. Использовать его в обычном слоте PCIe, естественно, всё равно можно, но плату-переходник придётся приобретать отдельно.

Унификация затрагивает и компоновку печатной платы. Все три версии Samsung 960 PRO с объёмами 512 Гбайт, 1 и 2 Тбайт выглядят практически одинаково, потому что основываются на плате формата M.2 2280 с единой компоновкой. Для тестов нам удалось получить все три версии новинки, и, если бы не идентификационные наклейки, различить их без знания маркировок микросхем было бы попросту невозможно.

Samsung 960 PRO 512 Гбайт, 1 Тбайт и 2 Тбайт (снизу вверх)

Как видно на фотографии, этикетки закрывают обе стороны Samsung 960 PRO. Однако полезная информация есть только на одной из них, наклеенной на лицевой стороне SSD. На ней сообщается артикул, серийный номер, объём накопителя и дата его производства. Кроме того, тут же можно подсмотреть и PSID-идентификатор, который может пригодиться в экстренных случаях для сброса пароля шифрования (естественно, с потерей всех данных).

Однако наклейка на обратной стороне, хоть она и пуста по содержанию, заслуживает куда более пристального внимания. Дело в том, что она, как бы комично это ни звучало, – предмет особой гордости инженеров Samsung. Секрет кроется в её основе: она сделана из специального многослойного материала, включающего в качестве одного из слоёв медную фольгу. Благодаря этому обычная на первый взгляд наклейка превращается в некоторое подобие миниатюрного радиатора, который помогает распределять и отводить выделяемое накопителем тепло.

Таким образом, Samsung считает проблему перегрева M.2-накопителей при активной работе достаточно важной и ищет пути её решения. Конечно, по своей эффективности фольгированная наклейка уступает полноценному радиатору, но зато она не препятствует использованию SSD в тонких ноутбуках или в других местах, где слот M.2 находится в стеснённом пространстве. При этом даже такое, на первый взгляд несколько наивное, решение позволяет отодвинуть включение температурного троттлинга при активных и непрерывных операциях на дополнительные несколько десятков секунд.

Но самое интересное в Samsung 960 PRO даже не это, а то, что находится под наклейками. Конструкция платы этого накопителя непривычна как минимум по двум причинам. Во-первых, она отличается очень плотным монтажом микросхем, которые расположены лишь с одной стороны печатной платы, а во-вторых, на накопителях отсутствует место для DRAM-буфера.

Samsung 960 PRO 512 Гбайт, 1 Тбайт и 2 Тбайт (снизу вверх)

Компоновка Samsung 960 PRO предполагает установку на M.2-плату формата 22 × 80 мм четырёх микросхем флеш-памяти. И именно такое количество чипов NAND мы видим во всех трёх версиях накопителя. Разница лишь в том, что на 960 PRO 512 Гбайт применены микросхемы, в каждой из которых штабелировано по четыре 48-слойных 256-гигабитных кристалла MLC 3D V-NAND, в терабайтной версии накопителя микросхемы содержат по восемь таких кристаллов, а в двухтерабайтной модели в каждой микросхеме упрятано по шестнадцать кристаллов. При этом, заметьте, габариты самих микросхем флеш-памяти стали примерно на треть меньше привычного размера. В результате, силовую схему удалось разместить сбоку от чипов NAND, а оборотная сторона SSD освободилась от каких-либо компонентов вообще. Поэтому, Samsung 960 PRO можно применять в «заниженных» слотах M.2, которые имеются в некоторых тонких ноутбуках.

Что же касается процессора Polaris, то в Samsung 960 PRO используется его специальная версия с Package-on-Package-дизайном. Это значит, что необходимая для его работы LPDDR3-память вставлена в ту же микросхему, что и сам контроллер. Два полупроводниковых кристалла в такой микросхеме расположены один над другим, и это позволяет высвободить на печатной плате дополнительное пространство. Ранее подобную интеграцию Samsung практиковала в бюджетном накопителе 750 EVO в целях удешевления, а теперь она стала использоваться во флагманской модели для решения совсем другой задачи – для экономии полезной площади на печатной плате.

Интересно, что контроллеры Polaris, установленные на разных моделях 960 PRO, различаются. Это хорошо видно по их маркировке, которая на SSD каждого объёма – своя собственная. Иными словами, Samsung не пожалела усилий и сделала для накопителей разной ёмкости три версии контроллера с разным количеством интегрированной DRAM. Похоже, производитель считает, что на новинку будет немалый спрос, иначе такое разнообразие чипов может и не окупиться.

К сказанному остаётся лишь добавить, что Samsung 960 PRO получил собственный уникальный дизайн, который не имеет аналогов в OEM-продуктах компании. В частности, сходный по архитектуре накопитель Samsung SM961 серьёзно отличается от 960 PRO внешне: в нём контроллер Polaris не совмещён в одной микросхеме с LPDDR3 DRAM, а для установки памяти отводится лишь две посадочных площадки. Именно поэтому двухтерабайтный вариант существует в линейке 960 PRO, но среди накопителей серии SM961 отсутствует.

⇡#Программное обеспечение

Изначально мы планировали весьма обширный раздел с рассказом о новой версии фирменного программного обеспечения Samsung Magician и новом NVMe-драйвере, выход которых производитель собирался приурочить к началу продаж Samsung 960 PRO. Однако, как часто и бывает, что-то в процессе разработки пошло не так, и выпуск программных средств для новинки был отложен на конец ноября. Поэтому сейчас она выходит без какой бы то ни было программной поддержки. Старые версии Magician с ней не работают, не совместим с 960 PRO и старый фирменный NVMe-драйвер.

Впрочем, как считает Samsung, в этом нет ничего страшного. 960 PRO неплохо работает и со стандартным, встроенным в операционную систему драйвером NVMe, а временное отсутствие сервисной утилиты – не тот повод, чтобы откладывать выход продукта. Тем не менее стоит иметь в виду, что с появлением полноценной программной поддержки производительность накопителя может немного вырасти, плюс он должен будет получить интересные дополнительные возможности.

Например, в перспективной версии Samsung Magician обещано появление двух новых функций: Secure File Erase и Magic Vault. Обе они касаются безопасности. Первая позволит гарантированно уничтожать отдельные файлы с занулением всей хранящейся в них информации. Вторая – позволит создавать на диске защищённый шифрованный раздел произвольного размера. Причём все операции с этим разделом будут проводиться через аппаратный AES-движок накопителя, то есть центральный процессор при этом нагружаться не должен.

Обновление от 15.11.2016. В связи с появлением для Samsung 960 PRO фирменного NVMe-драйвера, мы обновили результаты тестов производительности этого накопителя. В целом, драйвер добавил специфичные оптимизации, и реализовал правильную обработку записи без использования устаревших команд Force Unit Access (FUA), запрещающих буферизацию данных.

Это увеличило производительность 960 PRO при отдельных видах нагрузки на 15-20 процентов. Более полно о характере произошедших изменений можно судить по следующей таблице, в которой приведены результаты Samsung 960 PRO 2 Тбайт, снятые со стандартным драйвером Microsoft Windows NVMe Driver 10.0.10586.0 и с новым драйвером Samsung NVM Express Driver 2.0.

Максимальный прирост, как того и следовало ожидать, затронул скорость случайной записи. Но кроме того, немного выросла и производительность при случайных чтениях.