Обзор SSD-накопителя Samsung 960 PRO: разогнаться до небес

Технические характеристики. Внешний вид и внутреннее устройство. Программное обеспечение

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.

Тестирование. Выводы

⇡#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 используются рандомизированные несжимаемые данные.

Раздел, в пределах которого тестируется скорость операций, имеет размер 32 Гбайт, а продолжительность каждого теста составляет сорок секунд. Такие параметры, в частности, позволят получать более релевантные результаты для тех SSD, которые используют различные технологии SLC-кеширования.

Используемые приложения и тесты:

• Iometer 1.1.0
  • Измерение скорости последовательного чтения и записи данных блоками по 128 Кбайт (наиболее типичный размер блока при последовательных операциях в десктопных задачах). Тестирование проводится при различной глубине очереди запросов, что позволяет оценивать как реалистичные, так и пиковые параметры быстродействия.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 независимых потока. В обоих случаях соотношение между операциями чтения и записи варьируется с шагом 20 процентов.
  • 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 5.1.2
  • 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 Storage Benchmark 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 2.0. В качестве результатов теста учитывается как итоговая производительность, так и скорость выполнения отдельных тестовых трасс, сформированных различными приложениями.
• Тесты реальной файловой нагрузки
  • Измерение скорости копирования директорий с файлами разного типа. Для копирования применяется стандартное средство Windows – утилита Robocopy, в качестве тестового набора используется рабочая директория, включающая офисные документы, фотографии и иллюстрации, pdf-файлы и мультимедийный контент общим объёмом 8 Гбайт.
  • Измерение скорости архивации файлов. Тест проводится с той же рабочей директорией, что и копирование, а в качестве инструмента для компрессии файлов избран архиватор 7-zip версии 9.22 beta. Для уменьшения влияния производительности процессора используется метод Deflate.
  • Исследование скорости разворачивания архива. Тест проводится с архивом, полученным при измерении скорости архивации.
  • Оценка скорости запуска игрового приложения. Измеряется производительность дисковой подсистемы при выполнении сценария, захваченного при запуске игры Far Cry 4 и загрузке в ней уровня с пользовательским сохранением. Для минимизации влияния производительности процессора и памяти все задержки, возникающие по их вине, из тестового сценария убраны.
  • Оценка скорости старта приложений, формирующих типичную рабочую пользовательскую среду. Измеряется производительность дисковой подсистемы при выполнении сценария, захваченного при запуске пакета приложений, который состоит из браузера Google Chrome, текстового редактора Microsoft Word, графического редактора Adobe Photoshop и видеоредактора Adobe Premiere Pro с рабочими файлами. Для минимизации влияния производительности процессора и памяти все задержки, возникающие по их вине, из тестового сценария убраны.

⇡#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) 14.8.0.1042.

Накопители с интерфейсом PCI Express устанавливаются в первый полноскоростной слот PCI Express 3.0 x16. Для тех из них, которые работают через протокол NVMe, по возможности используется «родные» драйверы Intel Windows NVMe driver 1.7.0.1002, Samsung NVM Express Driver 1.1 и OCZ NVMe Driver 1.2.126.843. Но для накопителей Samsung 960 PRO, Plextor M8Pe и Patriot Hellfire M.2, не имеющих специальных драйверов, вынужденно используется стандартный NVMe-драйвер Microsoft.

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

⇡#Список участников тестирования

Учитывая позиционирование Samsung 960 PRO, в качестве основных его соперников мы взяли другие присутствующие на рынке PCIe NVMe SSD потребительского уровня, коих на сегодняшний день доступно уже пять моделей. Также в тест был включён достаточно популярный PCIe AHCI-накопитель компании Kingston. И кроме того, мы добавили в эту компанию и самый быстрый SATA SSD – Samsung 850 PRO.

В итоге получился следующий перечень соперников:

• Intel SSD 750 400 Гбайт (SSDPEDMW400G4, прошивка 8EV10174);
• Kingston HyperX Predator PCIe 480 Гбайт (SHPM2280P2H/480G, прошивка OC34L5TP);
• Patriot Hellfire M.2 480 Гбайт (PH480GPM280SSDR, прошивка E7FM02.1);
• Plextor M8Pe 512 Гбайт (PX-512M8PeG, прошивка 1.01);
• Samsung 850 PRO 512 Гбайт (MZ-7KE512, прошивка EXM01B6Q);
• Samsung 950 PRO 512 Гбайт (MZ-V5P512, прошивка 1B0QBXX7);
• Samsung 960 PRO 512 Гбайт (MZ-V6P512, прошивка 1B6QCXP7);
• Samsung 960 PRO 1 Тбайт (MZ-V6P1T0, прошивка 1B6QCXP7);
• Samsung 960 PRO 2 Тбайт (MZ-V6P2T0, прошивка 1B6QCXP7);
• Toshiba OCZ RD400 512 Гбайт (RVD400-M22280-512G-A, прошивка 57CZ4102).

⇡#Последовательные операции чтения и записи

При практическом измерении скоростей последовательных операций Samsung 960 PRO демонстрирует наивысшую производительность. Особенно впечатляющий прогресс новый накопитель может предложить при операциях записи – здесь скоростные показатели по сравнению с 950 PRO выросли примерно на 35 процентов. Однако обратите внимание, таких чисел, как обещает спецификация, по данным теста мы всё равно не наблюдаем. Всё дело в том, что Samsung для своих внутренних измерений производительности использует четырёхпоточную нагрузку, которая позволяет получать более высокие результаты в синтетических бенчмарках.

Если же обратить внимание на то, как масштабируется быстродействие последовательных операций при росте глубины очереди запросов, то картина получается следующей (для наглядности на графиках здесь и далее приводятся показатели одной лишь 512-гигабайтной версии Samsung 960 PRO, остальные варианты этого SSD ведут себя схожим образом).

Уже с глубины очереди в две команды Samsung 960 PRO достигает максимальной производительности, которая существенно выше, чем могут предложить какие-либо другие NVMe-накопители. Иными словами, при линейной нагрузке новинке попросту нет равных.

⇡#Случайные операции чтения

В то время как при последовательных операциях Samsung 960 PRO представляет собой значительный шаг вперёд по сравнению с 950 PRO, при случайных мелкоблочных операциях производительность этих накопителей практически совпадает. По крайней мере, такую картину мы видим при небольшой глубине очереди запросов, которая характерна для типичных персональных компьютеров. Впрочем, лидирующего положения 960 PRO это не отменяет. Просто в данном случае он показывает лучшее быстродействие вместе со своим предшественником.

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.

Любопытно, что при увеличении глубины очереди запросов Samsung 960 PRO начинает немного отставать от 950 PRO. Это указывает на несколько иной характер оптимизации новинки.

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

Несколько отстаёт от предшественника 960 PRO и на этом графике. Таким образом, при операциях случайного чтения новый накопитель уже не кажется таким выдающимся решением. Тем не менее демонстрируемые им результаты всё равно выше, чем у NVMe-накопителей других производителей, и это не даёт зародиться сомнениям в технологическом лидерстве Samsung. Просто основные усилия при разработке Samsung 960 PRO были направлены на улучшение параметров, отличных от скорости случайного чтения.

⇡#Случайные операции записи

При случайной записи Samsung 960 PRO вновь может порадовать лидирующими показателями. Если речь идёт о записи без очереди запросов, а именно такие операции характерны для обычных пользовательских сценариев, то новинка отстаёт лишь от полусерверного Intel 750. Внесение же в поступающую нагрузку очереди в четыре команды делает 960 PRO самым быстрым потребительским SSD.

Высокая мощность контроллера Polaris раскрывается и при дальнейшем росте параллелизма поступающей нагрузки. Об этом, например, говорит график, показывающий зависимость скорости произвольной записи 4-килобайтными блоками от глубины очереди запросов.

Здесь Samsung 960 PRO снова может похвастать званием лидера среди NVMe-накопителей. При глубоких очередях запросов он не только заметно быстрее предшественника, но и держится на уровне Intel SSD 750, который, напомним, оперирует 18-канальным массивом флеш-памяти.

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

Высокая мощность Samsung 960 PRO ещё лучше раскрывается при росте размеров блоков. Уже начиная с 8-килобайтных блоков данный накопитель уверенно опережает всех конкурентов. Иными словами, с появлением фирменного NVMe-драйвера, к скорости записи этого SSD какие-либо претензии стало предъявлять невозможно.

⇡#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 как последовательных, так и случайных операций, поступающих вперемежку. На следующей паре диаграмм мы приводим среднюю производительность, которая посчитана по данным шести измерений с разным соотношением количества операций чтения и записи.

Тестирование производительности при смешанных операциях отметает все сомнения в превосходстве Samsung 960 PRO над всеми прочими потребительскими NVMe-накопителями. Обслуживание разнонаправленных операций хорошо раскрывает сильные черты этого накопителя, основанного на мощном пятиядерном контроллере с отличными способностями к параллельной обработке команд.

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.

При последовательных смешанных операциях Samsung 960 PRO особенно силён в том случае, если операции какого-то одного типа преобладают в нагрузке над противоположными. Если же объёмы чтения и записи примерно равны, 960 PRO может уступать в скорости Toshiba OCZ RD400. Зато если поступающий поток операций носит полностью случайный и мелкоблочный характер, Samsung 960 PRO оказывается лучше любого другого NVMe SSD вне зависимости от долей команд чтения и записи во входящем потоке.

⇡#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.

Давно мы не видели столь гладкого графика моментальной производительности. И это значит, что Samsung перешла на пятиядерный контроллер Polaris отнюдь не зря. Его высокая вычислительная мощность позволяет обслуживать входящий поток команд с постоянной латентностью, обеспечивая отменную стабильность производительности. И пусть это в первую очередь важно в серверных средах, пользователям обычных систем это тоже способно принести некоторые дивиденды. Ведь 960 PRO – накопитель, скорость реакции которого на внешние воздействия совершенно предсказуема и постоянна.

Кроме того, обратить внимание стоит и на то, что даже после исчерпания свободных страниц флеш-памяти скорость работы Samsung 960 PRO остаётся на весьма достойном уровне. И если сравнить потребительские NVMe-модели по устоявшейся производительности в «использованном» состоянии, то новинка Samsung как минимум вдвое опередит почти любых соперников. Единственный накопитель, который близок к 960 PRO по данному параметру, это – Intel 750. Однако не стоит забывать, что интеловский SSD в отличие от чисто потребительского Samsung 960 PRO является «калькой» с серверной модели.

Посмотрим теперь, как после деградации скорости происходит её восстановление до первоначальных величин за счёт работы технологии сборки мусора. Для исследования этого вопроса после завершения предыдущего теста, приводящего к снижению 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.

Здесь ситуация совершенно типична для Samsung. С обработкой TRIM у рассматриваемого SSD проблем нет. Но вот автономная сборка мусора у MLC-накопителей этого производителя работает лишь в серверных моделях. Поэтому в 960 PRO её нет. Для того чтобы этот накопитель смог подготовить для будущих операций свободные страницы флеш-памяти, операционная система должна отослать на него пакет команд TRIM. Впрочем, представить себе окружение с поддержкой NVMe, но без TRIM очень тяжело, так что отсутствие самостоятельной сборки мусора недостатком Samsung 960 PRO можно не считать.

⇡#Результаты в CrystalDiskMark

CrystalDiskMark — это популярное и простое тестовое приложение, работающее «поверх» файловой системы, которое позволяет получать результаты, легко повторяемые обычными пользователями.

Samsung 960 PRO 512GB

Samsung 960 PRO 1TB

Samsung 960 PRO 2TB

Скриншоты CrystalDiskMark дают возможность полюбоваться такими пропускными способностями, которые раньше у потребительских твердотельных накопителей нам наблюдать не удавалось. Однако на самом деле назвать Samsung 960 PRO непререкаемым лидером нельзя и в этом сравнительно простом бенчмарке. Например, при случайных операциях с глубокой очередью запросов он отстаёт от Intel 750. При обычном случайном чтении показатель выше, чем у 960 PRO, может выдать его предшественник. А при случайной записи более высокие скорости демонстрирует не только Intel 750, но и Toshiba OCZ RD400. Так что бесспорный конёк Samsung 960 PRO – только обслуживание линейных операций.

Приведённые скриншоты позволяют утвердиться ещё в одном выводе: модификации Samsung 960 PRO различной ёмкости по практическим показателям быстродействия различаются мало.

⇡#Производительность в PCMark 8 Storage Benchmark 2.0

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-трассы задействования 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. Обратите внимание – мы перешли на обновлённую версию дискового бенчмарка, появившуюся в начале 2016 года.

Забавно, но в моделирующем реальную работу в приложениях тесте PCMark 8 2.0 новый Samsung 960 PRO 512 Гбайт немного уступил предшественнику. Правда, показатель 950 PRO выше всего лишь на 3 процента. Да и более ёмкие версии новинки не оставляют конкурирующим и предшествующим накопителям никаких шансов: вне всяких сомнений, перед нами новый лидер.

На это прямо указывают и скорости прохождения отдельных трасс. Зато две старших версии выдают непревзойдённую скорость во всех сценариях. Лишь 512-гигабайтная версия 960 PRO немного медленнее более ёмких вариантов, и она не всегда находится в числе лидеров.

⇡#Реальные сценарии нагрузки

Мы обновили набор используемых нами реальных сценариев, и теперь помимо скорости работы SSD при копировании и архивации файлов проверяем также и скорость запуска с твердотельного накопителя игр и приложений. Новые тесты позволят нам делать выводы о том, насколько хорошо та или иная модель может справиться с ролью системного или даже единственного диска в составе ПК, на котором устанавливаются рабочие программы.

Работа с файлами – благоприятный сценарий для Samsung 960 PRO. В этом случае нагрузка оказывается последовательной хотя бы частично, так что лидерству этого накопителя удивляться не приходится.

А вот если использовать накопитель как системный – для хранения операционной системы, часто запускаемых программ и игр, то Samsung 960 PRO может быть и не лучшим вариантом. Мелкоблочные операции чтения с небольшой очередью запросов – отнюдь не его конёк, и в сценариях, где они преобладают, лучшую производительность может обеспечивать не он, а Samsung 950 PRO.

⇡#Проверка температурного режима

Высокие рабочие температуры – бич современных накопителей в форм-факторе M.2. До сих пор мы не встречали ни одного NVMe-накопителя в таком исполнении, который бы при активной работе без дополнительного охлаждения не перегревался. Отводить тепло от SSD столь небольшого размера тяжело и так, а в случае с M.2 проблема осложняется ещё и тем, что данный стандарт не позволяет устанавливать какие-либо радиаторы, поскольку они могут не поместиться в тонких ноутбуках, где посадочные места под M.2-накопители имеют серьёзные ограничения по высоте.

Поэтому все M.2 SSD в обязательном порядке имеют технологии тепловой защиты, которые снижают производительность при достижении контроллером критических температур. Опыт показывает, что без принудительного охлаждения эти технологии активируются очень быстро, и во многих сценариях высокоскоростные накопители начинают работать значительно медленнее, чем должны.

Проблема эта хорошо известна, и разработчики SSD для энтузиастов всё время стараются придумать для неё какое-то действенное решение. Мы, например, уже видели, как компания Plextor решила пренебречь спецификациями и стала устанавливать на M.2-карты небольшой радиатор. Своё решение для улучшения теплоотвода придумали и в Samsung. Для 960 PRO на основе медной фольги инженеры компании создали специальную теплопроводящую этикетку, равномерно распределяющую тепловую энергию по всей площади M.2-платы. На первый взгляд эффективность такого эрзац-радиатора вызывает сомнения, однако, как обещает производитель, перегрев у Samsung 960 PRO наступает гораздо реже, чем у прочих NVMe-накопителей формата M.2.

Способствует этому не только появление высокотехнологичной этикетки, но и повысившаяся энергетическая эффективность контроллера Polaris. Типичное тепловыделение этой микросхемы по сравнению с предшествующим чипом UBX (который использовался в Samsung 950 PRO) снизилось на 10-15 процентов.

В результате температурный режим Samsung 960 PRO стал значительно благоприятнее. В этом легко позволили убедиться результаты натурного эксперимента, в рамках которого мы нагружали накопители последовательными операциями с глубиной очереди запросов в 32 команды. Испытания проводились на открытом стенде, какой-либо дополнительный обдув SSD воздушным потоком не производился.

Для начала давайте вспомним, как обстоит дело с нагревом у Samsung 950 PRO 512 Гбайт.

Троттлинг имеет место как при операциях чтения, так и при записи. Для критического нагрева накопителя, когда его температура переваливает через 75-градусную величину, хватает примерно 50-секундной непрерывной линейной нагрузки любого типа.

А вот как ведёт себя в аналогичных условиях новый Samsung 960 PRO 512 Гбайт с более экономичным контроллером и теплопроводящей наклейкой.

Здесь никакого троттлинга при чтении не наблюдается вообще – температура при операциях такого типа не выходит за 50-градусный предел. А вот при записи перегрев и сопутствующий ему троттлинг всё же имеет место. Но до того как накопитель прогреется до критической температуры (в данном случае она снижена до 70 градусов), успевает пройти порядка 100 секунд. И это на самом деле очень много, ведь за такое время на Samsung 960 PRO можно записать более 200 Гбайт данных, а сценарии, порождающие столь масштабную непрерывную нагрузку, в мире потребительских SSD практически не встречаются.

Не хуже обстоит дело и с температурным режимом более вместительных вариантов Samsung 960 PRO.

Операции чтения сколь-нибудь существенного нагрева Samsung 960 PRO не вызывают вообще. Запись же разогреть этот накопитель до черты, когда снижается производительность, способна, но добиться этого не так просто: требуется непрерывно и на максимальной скорости писать данные в течение более полутора минут.

Иными словами, в Samsung 960 PRO ситуация с температурным режимом стала значительно лучше. И более того, среди всех имеющихся на рынке M.2 NVMe-накопителей новый SSD южнокорейской компании – пожалуй, самый холодный вариант. Фактически можно говорить о том, что специалистам Samsung почти удалось решить проблему нагрева. Для того чтобы увидеть у 960 PRO температурный троттлинг, нужно очень постараться и загрузить его совершенно несвойственными для десктопа продолжительными операциями.

Впрочем, даже если 960 PRO и будет прогреваться во время своей работы до 70-градусной температуры, никакими неприятностями это не грозит. Предусмотренная температурная защита (технология Dynamic Thermal Guard) – это не аварийный механизм, а вполне штатное средство, которое должно упреждающе предохранять SSD от возникновения каких-либо проблем. Оно лишь временно сбавляет частоту контроллера, а когда температура вновь опускается до приемлемых значений, накопитель полностью восстанавливает свои номинальные характеристики.

⇡#Выводы

Новый 960 PRO больше похож на эволюционное, нежели на революционное обновление предыдущего NVMe-накопителя компании Samsung, 950 PRO. Действительно, с одной стороны, новинка предлагает более высокие, недоступные ранее объёмы, но с другой – она совершенно не демонстрирует радикального увеличения производительности, а предлагает лишь улучшения в отдельных сценариях нагрузки.

Несмотря на то, что в основе Samsung 960 PRO лежит принципиально новая платформа на базе мощного пятиядерного контроллера Polaris, свежий накопитель заметно улучшает показатели своего предшественника лишь при последовательных операциях и при записи с глубокой очередью запросов. При этом мелкоблочная нагрузка при актуальной для десктопов небольшой глубине очереди запросов совсем не красит 960 PRO: в этом случае новинка порой даже уступает 950 PRO, который в такие моменты кажется более приспособленным для использования в массовых системах.

Впрочем, сопоставлять напрямую Samsung 950 PRO и 960 PRO было бы не совсем верно: скорее это две серии, гармонично продолжающие друг друга. В то время как 950 PRO интересен благодаря наличию в линейке накопителей небольшого объёма, 960 PRO, напротив, привлекателен своими старшими модификациями, ёмкость которых смогла дорасти до 2 Тбайт. Что же касается производительности в реальных задачах, то между 950 PRO и 960 PRO пока можно поставить знак некоего примерного соответствия. Акценты в производительности этих моделей расставлены разные, но и та и другая модель на сегодня не имеет достойных конкурентов среди потребительских NVMe-накопителей прочих производителей.

То есть, если вы уже имеете в своей системе Samsung 950 PRO, модернизация на более новую модель имеет смысл разве только с целью увеличить ёмкость. Но вот при приобретении нового NVMe SSD мы рекомендуем прежде всего обращать внимание на новинку. Однако связана такая рекомендация не с той производительностью, которую мы сегодня увидели в тестах. Samsung 960 PRO интереснее по другим причинам. Он имеет более богатые дополнительные функции, например поддерживает совместимое с Microsoft eDrive шифрование. В нём почти решена проблема с перегревом. А кроме того, через полтора-два месяца для Samsung 960 PRO ожидается NVMe-драйвер, который имеет шанс поднять его быстродействие в реальных сценариях работы.

Иными словами, на данный момент Samsung 960 PRO выглядит как развитие 950 PRO в сторону более высоких объёмов. Но это лишь первое впечатление. В новинке скрыт немалый потенциал, и, если всё пойдёт по плану, в недалёком будущем текущий вариант выводов к данной статье, возможно, придётся несколько скорректировать. Пока же мы с удовольствием присвоили бы Samsung 960 PRO награду «Большие надежды», если бы она была в нашем арсенале. Но её нет, и поэтому по итогам сегодняшнего тестирования новинка получает награду «За инновации и дизайн», которая со временем может перерасти во что-то большее.