Обзор NVMe-накопителя Samsung 983 ZET: удивительный SSD на базе NAND-памяти с производительностью как у Optane

⇡#Методика тестирования

Тестирование проводится в операционной системе Microsoft Windows 10 Enterprise x64 Build 16299, 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 и латентности 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 6.0.2
  • Синтетический тест, который выдает 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

С выходом процессоров Coffee Lake Refresh мы решили в очередной раз обновить тестовую систему, которая используется для измерения производительности NVMe-моделей SSD. Всё-таки такие накопители в первую очередь покупают энтузиасты, переходящие на новые платформы, и поэтому логично использовать в тестовых испытаниях новейшую платформу.

В итоге в качестве тестовой платформы используется компьютер с материнской платой ASRock Z390 Taichi, процессором Core i7-9700K со встроенным графическим ядром Intel UHD Graphics 630 и 8 Гбайт DDR4-2666 SDRAM. Накопители с интерфейсом M.2 во время тестирования устанавливаются в соответствующий слот материнской платы, подключённый к чипсету. Накопители в виде карт PCI Express устанавливаются в слот PCI Express 3.0 x4, также работающий через чипсет.

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

Отдельное пояснение следует сделать относительно закрытия процессорных уязвимостей Meltdown и Spectre. Существующие патчи заметно снижают производительность твердотельных накопителей, поэтому измерения проводятся с деактивированными «заплатками» OC, предназначенными для закрытия этих уязвимостей.

⇡#Список участников тестирования

Исходя из позиционирования, Samsung 983 ZET нужно в первую очередь сравнивать с накопителями серии Optane SSD. Такое очевидное сравнение мы и провели, добавив также на диаграммы результаты самых быстрых традиционных NVMe SSD – Samsung 970 PRO и 970 EVO Plus. Таким образом, в тестировании приняли участие накопители со всеми типами распространённой энергонезависимой памяти: 3D XPoint, а также SLC, MLC и TLC 3D V-NAND.

Формальный список протестированных моделей выглядит следующим образом:

• Intel Optane SSD 905P 480 Гбайт (SSDPE21D480GA, прошивка E2010420);
• Intel Optane SSD 900P 480 Гбайт (SSDPED1D480GA, прошивка E2010325);
• Samsung 970 EVO Plus 500 Гбайт (MZ-V7S500BW, прошивка 1B2QEXM7);
• Samsung 970 PRO 512 Гбайт (MZ-V7P512BW, прошивка 1B2QEXP7);
• Samsung 983 ZET 480 Гбайт (MZ-PZA480BW, прошивка EDZ92R2Q).

Используемые версии NVMe-драйверов:

• Intel Client NVMe Driver 4.0.0.1007;
• Microsoft Windows NVMe Driver 10.0.16299.371;
• Samsung NVM Express Driver 3.0.0.1802.

⇡#Производительность последовательного чтения и записи

Весьма любопытно, что по скорости линейного чтения при низкой глубине очереди запросов основанный на SLC-памяти Samsung 983 ZET проигрывает не только представителям семейства Optane SSD, но и массовым накопителям на том же контроллере Phoenix, 970 PRO и 970 EVO Plus. Но в то же время его производительность увеличивается почти до предельного для накопителей с интерфейсом PCI Express 3.0 x4 уровня на глубоких очередях, что наводит на мысль о каких-то целенаправленно серверных оптимизациях рассматриваемого SSD.

Зато при линейной записи Samsung 983 ZET – настоящая звезда. Быстрая память и высокий параллелизм позволяет этому накопителю демонстрировать рекордные скоростные показатели при любой глубине очереди запросов, опережая как традиционные SSD, так и представителей семейства Optane.

⇡#Производительность произвольного чтения

Уже из спецификаций было ясно, что с точки зрения латентностей при обращении к данным Z-SSD не может на равных тягаться с Optane SSD. Поэтому при мелкоблочном чтении в отсутствие очереди запросов он медленнее, чем накопители на базе 3D XPoint. Однако вместе с тем производительность Samsung 983 ZET при чтении 4-килобайтными блоками втрое выше чем у лучших SSD потребительского уровня. А при увеличении глубины очереди запросов он сначала догоняет представителей семейства Optane SSD, а затем и обгоняет их. Вывод напрашивается сам собой: для того, чтобы сделать качественный скачок в скорости накопителей, переходить на какие-то принципиально новые типы энергонезависимой памяти совсем не обязательно. Почти то же самое, что предлагает 3D XPoint, можно при желании выжать из обычной NAND-памяти.

⇡#Производительность произвольной записи

Операции записи не представляют никакой проблемы для 983 ZET. Здесь выбранная компанией Samsung архитектура показывает свои сильные стороны, и результаты Z-SSD при мелкоблочной записи оказываются как минимум не хуже, чем у Optane SSD 900P и 905P.

⇡#Производительность при смешанной нагрузке

Здесь в очередной раз можно убедиться в том, насколько удачным у Samsung получился контроллер Phoenix. Как следует из графиков, в накопителе Samsung 983 ZET с быстрой SLC 3D V-NAND производительность в дуплексном режиме совершенно не падает. И более того, при смешанных операциях 983 ZET выдаёт примерно такую же скорость, как и Optane SSD. А это значит, что во многих реалистичных десктопных сценариях Z-SSD южнокорейского производителя будет выдавать примерно тот же уровень производительности, что флагманские предложения компании Intel.

⇡#Производительность в CrystalDiskMark

Очень любопытно посмотреть и на результаты в CrystalDiskMark. В этом бенчмарке Samsung 983 ZET смотрится с Optane SSD примерно на одном уровне и где-то даже лучше, несколько уступая ему разве только при неконвейеризованном случайном чтении небольшими блоками. Но если оценивать 983 ZET мерками обычных SSD на флеш-памяти, то это – просто фантастическая модель.

Samsung 983 ZET 480 Гбайт

Intel Optane SSD 905P 480 Гбайт

⇡#Производительность в PCMark 8 Storage Benchmark 2.0

Комплексный тест PCMark 8, который оценивает производительность, базируясь на типичных пользовательских сценариях работы в приложениях, считает, что Samsung 983 ZET примерно вдвое быстрее обычных SSD уровня Samsung 970 PRO и 970 EVO Plus. И это ставит его почти на одну ступень с Optane SSD 900P и 905P.

Интегральный результат PCMark 8 нужно дополнить и показателями производительности, выдаваемыми накопителями при прохождении отдельных тестовых трасс, которые моделируют различные варианты реальной нагрузки. Дело в том, что при разноплановой нагрузке флеш-накопители могут вести себя каким-либо особым образом.

И действительно, существуют приложения, где Samsung 983 ZET как минимум не хуже, чем Optane SSD. В качестве примеров особенно удачных для него сценариев можно привести работу в Adobe Photoshop или загрузку уровней в Battlefield 3.

⇡#Производительность при реальной нагрузке

За счёт сбалансированной производительности при смешанных операциях и сравнительно высокой скорости записи Samsung 983 ZET демонстрирует лидирующую скорость при работе с файлами внутри накопителя.

А вот по быстродействию при запуске крупных приложений и игр лидируют всё-таки интеловские Optane SSD 900P и 905P, которые предлагают более низкие латентности и более высокую скорость при случайном чтении. Тем не менее нельзя не отметить тот факт, что разрыв в производительности Samsung 983 ZET и Samsung 970 PRO достигает полуторакратного размера. И это в любом случае ставит Z-SSD на ступень выше по отношению ко всем потребительским накопителям на базе MLC- и уж тем более TLC-памяти.

⇡#Деградация и восстановление производительности

Наблюдение за изменением скорости записи в зависимости от объёма записанной на диск информации — 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.

С учётом того, что мы тестируем накопитель, построенный на флеш-памяти, график деградации производительности следует признать образцово-показательным. До полного заполнения массива памяти скорость остаётся практически постоянной с очень небольшим разбросом в результатах последовательных измерений. Затем производительность ожидаемо снижается, но это тоже происходит очень плавно – без каких-либо провалов, свойственных недорогим SSD. Иными словами, Samsung 983 ZET полностью подтверждает свой статус серверного накопителя, причём с достаточно высокой скоростью устоявшейся записи, достигающей 70 тысяч IOPS. В качестве примера напомним, что подобную производительность может выдать «из коробки» далеко не каждый SSD потребительского уровня, а Samsung 983 ZET обеспечивает её после многочасовой непрерывной нагрузки.

Посмотрим теперь, как происходит восстановление скоростных характеристик 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.

Сборка мусора и TRIM – функции, которые в серверных моделях SSD практически не востребованы. Однако в Samsung 983 ZET их реализация в некоторой мере присутствует. Вернее, автономную сборку мусора в моменты простоя этот накопитель не осуществляет, но зато на команду TRIM реагирует, как и должен – очисткой неиспользуемых блоков флеш-памяти и возвратом быстродействия к первоначальному уровню.

Важный момент, связанный с TRIM, касается того, насколько большую нагрузку на контроллер вызывает обработка этой команды. Дело в том, что происходит это не так уж и незаметно для пользователя. Когда операционная система передаёт накопителю информацию о том, что какие-то сектора выводятся файловой системой из обращения, контроллер SSD должен консолидировать эти сектора и очистить освобождающиеся страницы флеш-памяти для выполнения будущих операций. Такая перегруппировка требует перезаписи и очистки областей памяти, и это не только занимает заметное время, но и серьёзно нагружает контроллер работой. В результате после удаления с диска больших объёмов данных владельцы SSD часто сталкиваются с эффектом временного замедления или даже с «фризами» накопителя. На практике это может вызвать серьёзный дискомфорт, ведь никто не ожидает, что SSD, основным достоинством которого является моментальная реакция на внешние воздействия, будет замирать на несколько секунд.

Поэтому мы добавили в методику дополнительное исследование, которое позволяет отслеживать, насколько незаметно для пользователя тот или иной SSD обслуживает команды TRIM. Способ проверки очень прост: сразу после удаления крупного файла — объёмом 32 Гбайт — мы проверяем, как накопитель справляется с операциями произвольного чтения данных, контролируя как скорость чтения, так и время ожидания, которое проходит с момента каждого запроса данных до ответа накопителя.

А вот тут действительно интересно. Несмотря на высокий статус Samsung 983 ZET, который подкрепляется мощным контроллером и очень быстрой флеш-памятью, обработать TRIM так, чтобы это не сказывалось на производительности, он всё же не может. И если производительность в процессе очистки блоков флеш-памяти снижается крайне незначительно, то по латентности этот процесс наносит гораздо более заметный удар. На период продолжительностью примерно 15 секунд после удаления крупного файла время отклика возрастает в два-три раза. Впрочем, справедливости ради стоит подчеркнуть, что при десктопном использовании такое увеличение задержек до сотен микросекунд заметно не будет вообще: обычные SSD в любом случае имеют более высокие задержки.

⇡#Выводы

Знакомство с Samsung 983 ZET производит неизгладимое впечатление. Но дело здесь не в том, какие показатели быстродействия может обеспечить этот SSD, а в самом принципе. Южнокорейский производитель наглядно продемонстрировал, что в существующих технологиях твердотельных накопителей, основанных на NAND-памяти, пока остаётся скрыт огромный потенциал, осваивать и раскрывать который можно долго – было бы желание.

Демонстрация получилась очень убедительной. Создавая Samsung 983 ZET, инженеры даже особо не старались. Этот накопитель собран из уже имеющихся в распоряжении Samsung компонентов: из широко применяемого в массовых накопителях контроллера Phoenix и из 64-слойной 3D V-NAND-памяти, которая просто переключена в SLC-режим. Тем не менее на выходе получился продукт, совсем не похожий на всё то, с чем нам приходилось сталкиваться ранее: с точки зрения задержек и производительности при операциях с блоками данных небольшого размера 983 ZET в разы превосходит привычные накопители и вплотную приближается к Intel Optane SSD.

Справедливости ради стоит заметить, что при десктопных нагрузках Intel Optane SSD 905P всё-таки немного быстрее, чем Samsung 983 ZET. Однако разрыв между этими моделями получился уже не таким кардинальным, как был между Optane SSD и распространёнными массовыми SSD. Теперь Intel уже точно не сможет кичиться тем, что её новая фирменная память 3D XPoint позволяет создавать накопители на порядки лучше продуктов с памятью типа NAND. И в скорости, и в надёжности Optane SSD 905P и Samsung 983 ZET – решения примерно одного класса, и у Optane SSD остался лишь единственный неоспоримый плюс, которому не может ничего противопоставить Z-SSD, – это отсутствие деградации производительности при длительных нагрузках.

Иными словами, выпустив 983 ZET, компания Samsung наверняка смогла больно ударить по самолюбию Intel, ведь появление подобных Z-SSD накопителей стирает с Optane SSD налёт элитарности и исключительности. Более того, теперь возникают вполне закономерные вопросы, а стоит ли вообще так навязчиво продвигать новые типы энергонезависимой памяти, если потенциал 3D V-NAND далеко не исчерпан. И раз на подобные Optane SSD сверхбыстрые и высокобюджетные решения существует спрос, может быть, логичнее заняться оптимизацией существующих платформ, ведь очевидно, что Z-SSD в любом случае дешевле Optane SSD по себестоимости?

Впрочем, Samsung, судя по всему, в востребованность своей новой разработки верит не особо. Компания лишь показывает, что при желании она способна выпускать конкурирующие с Optane SSD продукты, причём не прибегая к каким-то сверхсложным экспериментальным технологиям. Но двигать подобные решения «в народ» она, по-видимому, не собирается, по крайней мере прямо сейчас. На это явно указывают заградительные рекомендованные цены, которые компания назначила на 983 ZET. Так, накопитель ёмкостью 480 Гбайт обойдётся потребителям в 75 тысяч рублей, а 960-гигабайтная модель, страшно подумать, – в 150 тысяч рублей. Тот же Optane SSD 905P стоит существенно дешевле, а поэтому те, кому нужна непревзойдённая производительность в десктопе, могут не задумываясь продолжать ориентироваться на предлагаемый Intel вариант.

Реальные же покупатели на Samsung 983 ZET могут найтись разве только на серверном рынке, по крайней мере этот SSD демонстрирует достаточно впечатляющие показатели производительности при работе с глубокими очередями запросов, и при такой нагрузке он в ряде случаев даже превосходит флагманский накопитель Intel на базе памяти 3D XPoint.