Обзор NVMe-накопителей Toshiba: XG5-P, XG5 и BG3

Говоря о рынке твердотельных накопителей, компанию Toshiba можно смело отнести к числу ведущих игроков как минимум потому, что она располагает не только производством флеш-памяти, но и собственным отделом разработки, занятым созданием контроллеров и оригинальных дизайнов SSD. Подобную вертикальную интеграцию на сегодняшний день освоили лишь единицы. Но в дополнение к этому Toshiba смогла отвоевать и достаточно заметную рыночную долю, которая в прошлом квартале неожиданно превысила 10 процентов и благодаря которой Toshiba вышла на третье место по поставкам SSD после Samsung и Western Digital. Надо сказать, что для обывателя такая статистика звучит неожиданно, поскольку накопители Toshiba попадают в самосборные компьютеры крайне редко, да и просто мало распространены в розничной продаже. Однако факт остаётся фактом: сила Tohisba заключается в умении работать с OEM-производителями, и в готовых компьютерах или ноутбуках таких производителей как, например, Dell или MSI твердотельные накопители этой компании действительно встречаются сплошь и рядом.

Вместе с тем время от времени Toshiba предпринимает попытки расширить своё присутствие и на розничном рынке. Так, именно с этой целью ею в 2013 году был куплен американский бренд OCZ, под которым компания стала продавать свои избранные продукты. Но параллельно отдельные модели накопителей Toshiba пытается продвигать и под собственной торговой маркой, причём, что интересно, взаимно-однозначного соответствия между предложениями OCZ и Toshiba нет. Более того, с ростом популярности NVMe-интерфейса как средства подключения SSD-накопителей, Toshiba стала чаще использовать свою традиционную японскую торговую марку. В результате, текущий модельный ряд NVMe-накопителей Toshiba действительно заслуживает подробного знакомства: с одной стороны, он включает интересные по потребительским характеристикам продукты, а с другой, пусть и ограниченно, но его представители всё же встречаются на прилавках отечественных магазинов.

Сегодня мы познакомимся сразу с тремя NVMe SSD компании Toshiba: XG5-P, XG5 и BG3. Всех их объединяет то, что они основываются на фирменной 64-слойной TLC 3D NAND, которую компания выпускает под маркетинговым именем BiCS3 (Bit Cost Scalable). Мы уже неоднократно встречались с накопителями других поставщиков, построенными на базе такой памяти, и имеющийся опыт говорит о том, что трёхмерная память Toshiba имеет всё необходимое, чтобы быть хорошим фундаментом для создания SSD с удачным сочетанием производительности и цены. Особенно показателен в этой связи пример недавно побывавшего в нашей лаборатории WD Black NVMe. Этот накопитель показал, что BiCS3-память как минимум не уступает по характеристикам с 64-слойной флеш-памяти конкурентов, и при правильном подходе и должной оптимизации алгоритмов она может стать отличной основой для высокопроизводительных решений.

Правда, смущает одно «но». Все мы помним, что из всех вариантов 64-слойной TLC 3D NAND память Toshiba демонстрирует в тестах не слишком оптимистичную выносливость. Однако собственных накопителей японского производителя это вполне может и не касаться: существует высокая вероятность того, что для продуктов, выпускаемых под собственным именем, Toshiba выбирает лучшие полупроводниковые кристаллы, продавая на сторону менее удачный кремний.

В результате, сегодняшнее тестирование может стать источником новых откровений: в нём мы познакомимся с актуальными быстрыми NVMe-накопителями Toshiba, которые претендуют на то, чтобы потягаться с признанными флагманами. По крайней мере, об этом говорит их цена: стоят SSD компании Toshiba недёшево, а насколько это оправдано, мы узнаем ниже.

⇡#Toshiba XG5

XG5 на данный момент выступает базовым NVMe-предложением компании Toshiba. Сейчас у компании появилась более передовая модель XG6, в которой используется свежеиспечённая 96-слойная память BiCS4, но пока поставки этой новинки носят только пробный характер, поскольку производство трёхмерной памяти четвёртого поколения запущено у Toshiba лишь в пилотном режиме.

Что же касается Toshiba XG5, — это полностью отлаженный и обкатанный дизайн, в котором применяются компоненты, производимые серийно и большими тиражами. В основе накопителя лежит собственный контроллер Toshiba TC58NCP090GSD, разработанный силами инженеров японской компании. Известно про него немногое, но, если исходить из маркировки, то можно предположить, что этот контроллер является дальнейшим развитием чипа TC58NCP070GSB, применявшегося в OCZ RD400. Это может значить, что определённая поддержка в разработке новой платформы была оказана компанией Marvell, но никаких официальных подтверждений этому нет.

Массив флеш-памяти в Toshiba XG5 собран по восьмиканальной схеме, он составлен из устройств TLC 3D NAND третьего поколения ( Toshiba BiCS3). Архитектура BiCS3 определяет два размера кристаллов – 256 и 512 Гбит, и обе разновидности этой памяти используются в XG5. Память с меньшими ядрами ставится в версии накопителя объёмом 256 и 512 Гбайт, а память с ядрами ёмкостью 512 Гбит попадает в терабайтные модификации. Таким образом Toshiba добивается увеличения уровня параллелизма массива флеш-памяти, и даже младшие версии XG5 могут предложить достаточно высокие показатели производительности.

Спецификации Toshiba XG5 выглядят следующим образом:

Любопытно, что Toshiba решила не указывать для XG5 показатели производительности при случайной мелкоблочной нагрузке. Обычно так поступают для безбуферных дизайнов SSD, чтобы раньше времени не шокировать потенциальных покупателей, но в XG5 тактика «частичного умалчивания» скорее связана с чем-то другим. DRAM-буфер в этом накопителе предусмотрен, правда, он имеет несколько меньший, чем обычно, объём, и на каждый гигабайт ёмкости накопителя приходится по 512 Кбайт оперативной памяти.

Ещё одна любопытная деталь спецификаций – двойственность характеристик производительности: помимо базового уровня Toshiba приводит и другие, чуть более низкие показатели. Дело в том, что XG5 выпускается с двумя вариантами прошивки и те производители ноутбуков, для которых важнее время работы от батареи, могут заказать более медленную версию со сниженными энергетическими аппетитами.

Как и в любом другом потребительском накопителе на базе памяти с трёхбитовыми ячейками, высокие скорости при записи данных обеспечиваются алгоритмами SLC-кеширования. Кеш в XG5 реализован по статической схеме, причём его размер очень мал. Например, в версии SSD объёмом 1 Тбайт, размер кеша оказался порядка 3 Гбайт. И это значит, что при записи существенных объёмов данных пользователям этого SSD придётся столкнуться с падением производительности. Это хорошо видно на графике, показывающем скорость непрерывной линейной записи на XG5 объёмом 1 Тбайт большого файла.

При этом массив памяти, собранный из 16 устройств BiCS3 (как в XG5 объёмом 512 Гбайт или 1 Тбайт), может обеспечить достаточно неплохую скорость и при прямой записи в TLC-режиме – порядка 900 Мбайт/с. Но это ниже скорости прямой записи в память у лучших моделей конкурирующих NVMe SSD, например у WD Black NVMe или того же Samsung 970 EVO.

Внешне накопитель Toshiba XG5 выглядит достаточно непритязательно. Никаких радиаторов, и теплорассеивающих наклеек в стандартной комплектации не предусмотрено. Более того, очень хорошо видно, что это OEM-продукт: на той этикетке, что имеется на накопителе, приведён только артикул, и нигде нет маркетингового названия продукта.

Отдельного упоминания заслуживает тот факт, что все чипы на XG5 расположены на одной стороне M.2-платы форм-фактора 2280. Такая конструкция удобна для использования в тонких ноутбуках, где частенько применяются «заниженные» слоты. Добиться же компактности инженерам Toshiba удалось благодаря размещению всех полупроводниковых кристаллов BiCS3, составляющих массив флеш-памяти, всего в двух микросхемах. Например, в побывавшей в нашей лаборатории версии SSD объёмом 1 Тбайт каждая микросхема флеш-памяти содержала внутри себя по 8 кристаллов.

Согласно требованиям корпоративных заказчиков, XG5 поддерживает и шифрование. Именно для этого на этикетке приводится PSID-ключ. Однако реализованный в микропрограмме криптографический движок отвечает лишь стандарту TCG OPAL, то есть, работа с Windows BitLocker не поддерживается.

⇡#Toshiba XG5-P

XG5-P – это усовершенствованная версия предыдущего накопителя, которую компания Toshiba выпустила чуть позже изначальной версии. При анонсе этой модели говорилось об улучшенных скоростях при мелкоблочных операциях и о расширении модельного ряда в сторону увеличения предельных объёмов. Так, с выходом XG5-P стал доступен накопитель ёмкостью 2 Тбайт, правда при этом в обновлённую серию не вошли младшие версии.

В итоге, спецификации XG5-P приобрели следующий вид.

Здесь Toshiba уже не постеснялась сообщить показатели производительности при случайных операциях чтения и записи, однако высокими их не назовёшь: они примерно в полтора раза ниже, чем обещает Samsung 970 EVO или WD Black NVMe. Что же касается скоростей линейных операций, то по сравнению с XG5 они почти не изменились.

Улучшение характеристик в XG5-P прошло со сравнительно небольшими переделками на аппаратном уровне. Не изменился ни базовый контроллер, ни дизайн печатной платы. Рост же показателей производительности обусловлен тремя достаточно простыми шагами. Во-первых, внесением в микропрограмму оптимизацией. Во-вторых, увеличением степени параллелизма массива флеш-памяти. И в-третьих, увеличением ёмкости DRAM‑буфера.

Если в старших модификациях XG5 в микросхемы упаковывалось по 8 устройств BiCS3, то в XG5-P их уже по 16. Благодаря этому контроллер накопителя получил возможность пользоваться более эффективным четырёхкратным чередованием устройств в своих каналах. Кроме того, DRAM-буфер увеличился в объёме вдвое и приобрёл стандартный размер, посчитанный по формуле «1 Мбайт на 1 Гбайт».

При этом инженеры не стали трогать алгоритмы SLC-кеширования, которые в прошлой версии вызывали определённые нарекания из-за маленького объёма кеша. Но даже на 2-терабайтную версию XG5-P с высокой скоростью можно записать лишь всё те же 3 Гбайт данных. Вот как это выглядит на графике производительности линейной непрерывной записи:

Скорость прямой последовательной записи во флеш-память XG5-P выросла по сравнению с XG5 примерно на 10 процентов, но это вряд ли можно считать серьёзным достижением.

Внешне XG5-P почти не отличается от XG5. Выдаёт новую модификацию только использование микросхемы DDR3 производства Samsung, а не Nanya. Но это – малозначительное изменение.

Самое главное, что даже 2-терабайтная версия XG5-P сохранила односторонний дизайн. А значит, выпустив такой накопитель, Toshiba удовлетворила запросы производителей тонких ноутбуков, которые хотят устанавливать в свои системы SSD повышенной ёмкости. Тем более, что согласно спецификациям, XG5-P не стал ни более прожорливым, ни более горячим.

⇡#Toshiba BG3

BG3 – это совершенно особый и во многом уникальный NVMe-продукт компании Toshiba. Изначально он представляет собой одночиповый накопитель BGA (Ball Grid Array), ориентированный на OEM-рынок. Основная идея такого SSD заключается в том, что контроллер и кристаллы NAND-памяти помещены в единую BGA-упаковку размером 16×20 мм, которую можно монтировать непосредственно на печатные платы в миниатюрных устройствах вместо обычно применяющихся в таких случаях eMMC-устройств. Однако помимо BGA-версии, компания Toshiba решила предложить и «пользовательский» вариант BG3, выполненный в виде стандартного M.2-модуля, но с очень небольшими размерами, отвечающими форм-фактору 2230 (22×30 мм).

Вообще говоря, форм-фактор M.2 2230 поддерживается в компьютерном оборудовании достаточно редко. Поэтому Toshiba BG3 – это специфичный продукт. У BG3 есть более удобная для использования в массовых системах версия с размером 2242, она продаётся под именем Toshiba RC100. Однако для этого обзора мы получили от производителя именно BG3, и поэтому убедились воочию: накопители M.2 2230 поддерживает далеко не каждая материнская плата.

Toshiba развивает модельный ряд накопителей в BGA-исполнении с 2015 года. BG3 – это наиболее актуальный SSD такого рода, который, как и описанные выше XG5 и XG5-P, использует в своей конструкции флеш-память Toshiba BiCS3 – TLC 3D NAND третьего поколения с 64 вертикально расположенными слоями. Для таких накопителей разработчики Toshiba используют какие-то особенные контроллеры, про устройство которых нет вообще никаких подробностей. Однако, судя по всему, это – достаточно интеллектуальные по своим свойствам решения.

Хотя одночиповый дизайн SSD и кажется достаточно интересной находкой, нужно понимать, что такая миниатюризация не обходится бесплатно. Подобные накопители имеют ограниченную ёмкость, а кроме того, они не могут пользоваться широкими интерфейсными шинами. Так, Toshiba BG3 подключается к системе всего по двум линиям PCI Express 3.0. Максимальный же объём такого устройства составляет 512 Гбайт. Ещё одно ограничение – отсутствие в конструкции накопителя DRAM-буфера. Поэтому BG3 – это некий компромисс между размером и производительностью. Но зато явный выигрыш достигается в тепловыделении и энергопотреблении. Тот же BG3 где-то в полтора-два раза экономичнее любого другого NVMe SSD.

При этом не стоит думать, что Toshiba BG3 – это совсем плохой по производительности накопитель. Его спецификации приведены ниже, и по ним видно, что он будет побыстрее некоторых полноценных десктопных решений, например, того же Kingston A1000.

Секретный ингредиент безбуферного Toshiba BG3 кроется в поддержке технологии NVMe Host Memory Buffer (HMB), о которой мы подробно говорили в обзоре Transcend SSD 110S. Суть заключается в том, что в совместимых операционных системах (например, в актуальных сборках Windows 10) BG3 может использовать для своих нужд основную оперативную память, обращаясь к ней напрямую через шину PCI Express в DMA-режиме. Это позволяет накопителю не терять в производительности при мелкоблочных операциях, как происходит с прочими моделями SSD, лишёнными собственной DRAM. При этом по поводу расхода основной системной памяти переживать не стоит: накопитель резервирует для своих нужд лишь порядка 10 Мбайт.

Помогает поднять производительность и технология SLC-кеширования. В BG3, как и в других накопителях Toshiba, она реализована по статической схеме, но объём кеша увеличен: запись в ускоренном режиме возможна для достаточно больших объёмов информации. Так, при последовательной записи данных на свободный BG3 ёмкостью 512 Гбайт можно наблюдать следующую картину производительности.

Запись в SLC-режиме осуществляется со скоростью порядка 900 Мбайт/с, и на чистый накопитель в таком темпе можно записать примерно 16 Гбайт информации. В TLC-режиме скорость линейной записи падает до больше характерных для SATA SSD 400 Мбайт/с, но справедливости ради нужно отметить, что обычные пользователи с ней вряд ли столкнутся.

Получается, что несмотря на однокристальное исполнение, BG3 – это вполне нормальный бюджетный NVMe-накопитель, использующий для подключения шину PCI Express 3.0 x2. Главная его особенность – отнюдь не какая-то нехарактерная производительность, а внешний вид. И посмотреть на него определённо стоит: столь маленьких по размеру SSD в нашей лаборатории ещё не бывало.

Действительно: на печатной плате смонтирована всего одна микросхема, в которой уместилось всё. Помимо контроллера в микросхеме приведённого на фотографии накопителя объёмом 512 Гбайт находится восемь кристаллов BiCS3-памяти объёмом по 512 Гбит. Правда, справедливости ради стоит отметить, что вокруг неё на BG3 всё же присутствует некоторое количество дополнительных электронных компонентов, которые реализуют схему питания. Но всё равно, размер накопителя сопоставим с габаритами SD-карты, и это впечатляет. Такие миниатюрные SSD наверняка подойдут не только для компактных мобильных компьютеров, но и, например, для устройств IoT.