⇡#Введение: от SATA — к PCI Express

Ситуация на рынке производительных твердотельных накопителей для настольных компьютеров всё больше и больше походит на застой. 3DNews регулярно публикует обзоры новых потребительских SSD, но ни в одном из последних материалов нам так и не удалось радостно заключить: «Вот он, новый лидер!» Да что там из последних — про накопители, которые могут называться быстрейшими SSD для десктопов, мы не писали обзоров уже почти год. А это значит, что за целый год их скорость нисколько не подросла. Прогресс в быстродействии остановился, а все вновь выходящие продукты ставят своей целью конкуренцию с уже имеющимися SSD за счёт выгодных цен, но никак не благодаря повышению производительности.

Что же случилось? Производители NAND-памяти совершенствуют технологические процессы, переходят на использование новых интерфейсов и поднимают скоростные характеристики выпускаемых чипов. Но почему-то это никак не отражается на производительности SSD. Всё выглядит таким образом, что рост скоростей упёрся в какой-то искусственный барьер, а 100 тысяч операций в секунду и 550 Мбайт/с — это тот верхний предел, прыгнуть выше которого можно, только если поменять что-то в архитектуре современных SSD.

На самом деле всё так и есть, и, что ещё хуже, барьер существует не один, а сразу несколько. Первым на ум приходит интерфейс SATA 6 Гбит/с. Его максимальная теоретическая скорость прокачки, с учётом применяемого при передаче данных 8b/10b-кодирования, составляет 600 Мбайт/с. А это значит, что производительность последовательных операций у современных SSD с SATA-интерфейсом действительно достигла своего потолка. Что же касается скорости произвольных операций, то она вполне могла бы продолжать прогрессировать и в рамках SATA-интерфейса, но тут встаёт препятствие в виде восьмиканальной архитектуры существующих контроллеров SSD. Реализация именно такого количества каналов ограничивает уровень внутреннего параллелизма, и в результате быстродействие случайных операций при существенной глубине очереди запросов увеличивать выше достигнутых к настоящему моменту рубежей крайне трудно. Есть и третий фактор — несовершенство механизма AHCI (Advanced Host Controller Interface). Его разработка происходила ещё в те времена, когда об основанных на флеш-памяти твердотельных накопителях никто и не помышлял. Поэтому AHCI ориентирован на работу с механическими жёсткими дисками и не предполагает возможность параллельной обработки запросов доступа к данным. Использование AHCI в SSD с SATA-интерфейсом за неимением альтернатив стало вынужденной мерой, которая к сегодняшнему дню воздвигла дополнительные скоростные барьеры.

В свете сказанного наиболее безболезненным решением для улучшения скорости твердотельных накопителей с SATA-интерфейсом могла бы стать разработка новых контроллеров с большим числом каналов для подключения флеш-памяти. Однако тут не всё так просто. Увеличение количества каналов неминуемо приведёт к росту минимальной ёмкости, которая и без того смещается в сторону 128-гигабайтных моделей из-за перехода индустрии на флеш-память с 128-гигабитными ядрами. Поэтому серьёзных изменений во внутреннем строении потребительских накопителей в ближайшее время ждать не стоит. Хотя небольшие подвижки возможны и здесь, например перспективные чипы семейства SandForce SF-3700 позволят подключение флеш-памяти по девяти каналам.

Всё это намекает на то, что история развития флагманских твердотельных накопителей с интерфейсом SATA 6 Гбит/с дописана почти до своего конца. Так или иначе, будущим флагманским SSD нужно отказываться от этого интерфейса в пользу каких-то более скоростных вариантов. Наиболее естественным решением могло бы стать очередное увеличение скорости интерфейса SATA вдвое, как уже делалось неоднократно ранее. Таким образом, например, поступили с серверным протоколом Serial Attached SCSI, пропускная способность которого в прошлом году была увеличена до 12 Гбит/с. Однако с SATA, к сожалению, такой номер не проходит. Увеличение его полосы пропускания свыше 6 Гбит/с потребовало бы существенного усложнения и удорожания контроллеров, а также замены привычных кабелей и разъёмов более электрически устойчивыми вариантами. Ну а раз в любом случае надо переделывать всю инфраструктуру, то лучше сразу перейти на более приемлемое с точки зрения масштабируемости и цены решение.

Поэтому в качестве будущего интерфейса для подключения твердотельных накопителей индустрией была выбрана универсальная шина PCI Express. Она имеет высокую пропускную способность, легко реализуема и масштабируется как переходом на более новые версии протокола, так и увеличением количества линий. Например, уже две линии PCI Express 3.0 могут предложить пропускную способность на уровне 1969 Мбайт/с (с учётом 128b/130b-кодирования), что более чем в три раза выше максимальной пропускной способности SATA.

Переход на подключение SSD по новому физическому интерфейсу позволяет внести изменения и в интерфейс логический, перейдя от устаревшего AHCI к прогрессивному NVMe. Новый механизм передачи данных разработан специально для шины PCI Express и накопителей, построенных на базе энергонезависимой памяти. В отличие от AHCI, он учитывает все особенности SSD: их низкую латентность и параллелизм архитектуры. Более того, в нём также приняты во внимание и свойства современных платформ, такие как прогрессирующая многопоточность. Поэтому NVMe поддерживает множественные очереди команд с практически неограниченной глубиной, новые способы обработки прерываний и прочие техники, которые ощутимо увеличивают эффективность задействования физической шины в современных системах при подключении к ней твердотельных накопителей.

Однако всё это вовсе не означает, что перспективные SSD, нацеленные на использование в персональных компьютерах, постепенно начнут выпускаться в виде плат с интерфейсом PCI Express. Дело в том, что сам по себе такой формат не очень удобен. Во-первых, в современных системах обычно присутствует не слишком много свободных слотов PCI Express, и тем более PCI Express 3.0, доступных для установки дополнительных карт расширения. Во-вторых, даже если один такой слот найдётся, то что делать в том случае, если пользователь захочет собрать RAID-массив из двух или, что ещё хуже, четырёх накопителей? И в-третьих, вся инфраструктура (корпуса, сменные корзины, контейнеры и так далее) уже выстроена с прицелом на 2,5-дюймовые SSD, и отказываться от неё — безрассудство и слишком дорогое удовольствие.

В связи с этим на смену SATA придёт не «чистый» PCI Express, а специально адаптированный интерфейс SATA Express. Он позволит продолжить выпуск SSD в привычном форм-факторе и сохранит их кабельное подключение. Кроме того, несмотря на то, что в основе SATA Express будет использоваться шина PCI Express, обратная совместимость со старыми SATA-приводами сохранится. Согласно разработанному и одобренному стандарту, порт SATA Express будет представлять собой объединение нескольких (на первом этапе двух) линий PCI Express и двух портов SATA 6 Гбит/с. К одному такому порту можно будет подключить либо два старых SATA-накопителя, либо новый SSD, общающийся с системой по шине PCI Express с использованием как AHCI, так и более прогрессивного NVMe-протокола.

Проблема лишь в том, что на данный момент полноценная поддержка SATA Express не валидирована ни для одного набора логики, и соответствующие порты можно обнаружить только на единичных моделях материнских плат. Иными словами, реально перейти на новый интерфейс и новый тип портов прямо сейчас возможным не представляется. То есть пока мы всего лишь вступаем в длительный переходный период, в течение которого потребительские SSD уже начнут переходить на шину PCI Express, но при этом нормальное 2,5-дюймовое исполнение и возможность подключения к портам SATA Express ещё не получат.

В сложившихся условиях у производителей, желающих предложить флагманский твердотельный накопитель, скорость которого не ограничивается пропускной способностью устаревшего интерфейса SATA, остаётся два варианта: либо прибегнуть к выпуску накопителей в виде карт PCI Express, либо воспользоваться стандартом M.2, представляющим собой мобильное переложение стандарта SATA Express. Так получилось, что слоты M.2, объединяющие в себе пару линий PCI Express, а также интерфейсы SATA и USB 3.0, проникли в реальные системы (и не обязательно мобильные) гораздо быстрее портов SATA Express. Поэтому выпуск SSD в таком формате не лишён практического смысла, тем более что на рынке доступны карты-переходники с интерфейсом PCI Express, которые предоставляют возможность установить M.2-устройства в лишённые таких слотов системы.

Реальных твердотельных дисков потребительского уровня, использующих для подключения к системе шину PCI Express, на данный момент было выпущено уже немало. Однако до недавних пор все они архитектурно представляли собой RAID-массив из обычных SATA-накопителей. Врождённая же поддержка PCI Express непосредственно в SSD для персональных компьютеров стала появляться совсем недавно. Пионером здесь выступила Samsung, в середине прошлого года выпустившая M.2-привод XP941 с заявленными скоростями последовательных операций до 1,4 Гбайт/с. Однако эта модель распространяется лишь по OEM-каналам среди сборщиков ноутбуков, а потому подходящим вариантом для энтузиастов не является. Позднее появился привод SanDisk A110, но он в широкую продажу также не поступил.

Первой же о передовой части компьютерного сообщества позаботилась Plextor. В рамках обновления своего семейства твердотельных накопителей компания выпустила потребительский SSD с интерфейсом PCI Express — M6e. Он построен на контроллере Marvell с врождённой поддержкой скоростной шины и может обеспечивать производительность последовательных операций до 770 Мбайт/с. В этом материале мы познакомимся с данным продуктом подробнее и попробуем понять, достаточно ли смены интерфейса SATA на PCI Express для перехода производительности SSD на качественно новый уровень.

⇡#Технические характеристики

Plextor M6e — старший накопитель в новом семействе M6. Это значит, что он сменяет на своём посту заслуженный SATA-накопитель M5 Pro Xtreme. Однако, как мы предполагаем, M6e пробудет в роли флагманского решения не слишком долго. Для десктопного рынка это — переходная модель, которая должна поддержать позиции Plextor до выхода M6 Pro, ориентированного уже на полноценный десктопный интерфейс SATA Express.

Внешне Plextor M6e выглядит как обычная карта расширения половинной высоты, имеющая интерфейс PCI Express x4. Из четырёх заведённых на плату линий реально используются только две — и только в режиме PCI Express 2.0. Это значит, что пиковая пропускная способность Plextor M6e со стороны интерфейса составляет не более 980 Мбайт/с. На практике же накладные расходы съедают часть этой полосы пропускания, и максимальная скорость последовательных операций у рассматриваемой модели SSD составляет порядка 770 Мбайт/с. Причём в данном случае это вновь ограничение внешнего интерфейса, а не архитектуры самого накопителя.

«Изнутри» Plextor M6e устроен совершенно традиционно. В его основе лежит контроллер Marvell 88SS9183, с одной стороны, поддерживающий те самые две линии PCI Express 2.0, а с другой — предлагающий типичные восемь каналов для подключения флеш-памяти. Её в Plextor M6e представляет 19-нм MLC NAND производства Toshiba, аналогичная памяти, применявшейся, например, в Plextor M5 Pro Xtreme. Сам же контроллер имеет фирменную марвелловскую архитектуру: он базируется на паре ARM-ядер и в реализации внутренних алгоритмов во многом опирается на микропрограмму, которую для M6e писали инженеры Lite-On, имеющие давний и богатый опыт общения с продукцией Marvell.

К сожалению, несмотря на врождённую реализацию в контроллере Marvell 88SS9183 интерфейса PCI Express, протокол NVMe этот чип не поддерживает и работает через AHCI. Так что инновационность получившегося решения носит половинчатый характер, и в лице рассматриваемого накопителя мы имеем простое переложение SATA-привода для более скоростной шины, которое не задействует полный спектр открывающихся возможностей. С другой стороны, использование в Plextor M6e старого протокола AHCI означает, что это устройство не будет иметь никаких проблем совместимости. Оно не только не потребует каких-либо специальных драйверов, но и сможет сыграть роль системного накопителя. Есть в Plextor M6e и поддержка команды TRIM. Единственное значимое ограничение имеющейся реализации — невозможность комбинировать такие накопители в RAID-массивы.

Устанавливать плату Plextor M6e можно в любые PCI Express-слоты, имеющие хотя бы две линии. То есть наличие x4-слота обязательным условием не является — SSD нормально работает как в x2-, так и в x8- или в x16-слотах. Однако следует иметь в виду, что на большинстве материнских плат скоростные слоты PCI Express с прицелом на Multi-GPU-конфигурации делят свою пропускную способность между собой. Соответственно, дабы не снижать быстродействие графической подсистемы, Plextor M6e лучше устанавливать в те слоты материнской платы, которые подключены к набору системной логики, а не напрямую к процессору. Дополнительные задержки, возникающие в этом случае, заметного влияния на производительность дисковой подсистемы не оказывают.

Линейка Plextor M6e включает три модели ёмкостью 128, 256 и 512 Гбайт. Поскольку в накопителе используется MLC-память с ядрами традиционной ёмкости — 64 Гбит, максимальную производительность имеют модификации на 256 и 512 Гбайт. В целом же список характеристик новинки выглядит так:

Числа в графе производительности при последовательном чтении и записи действительно выглядят впечатляюще. Такую пропускную способность SATA-приводы обеспечить не в состоянии. Однако скорости произвольного доступа отличаются от показателей лучших накопителей с интерфейсом SATA 6 Гбит/с не намного. Характеристики M6e явно показывают, что простой перевод SSD на интерфейс с более высокой пропускной способностью без внедрения нового протокола NVMe все искусственные ограничения в производительности не устраняет. Более того, 128-гигабайтная версия Plextor M6e даже уступает по заявленной скорости работы со случайными блоками SATA-накопителям Samsung 840 Pro или OCZ Vector 150 аналогичного объёма. Этот нюанс надо иметь в виду: приобретение Plextor M6e ёмкостью 128 Гбайт для высокопроизводительной системы может стать далеко не лучшей инвестицией — полностью раскрыть потенциал реализованной Plextor архитектуры способны только модели с объёмом 256 или 512 Мбайт.

Ещё одна странность в спецификациях — отсутствие данных о расчётном ресурсе записи. На Plextor M6e даётся пятилетняя гарантия, однако оценить, какой объём информации можно записать на этот флеш-диск, производитель не позволяет. Впрочем, память в рассматриваемом SSD используется такая же, как в M5 Pro Xtreme, а на низкую надёжность предыдущего флагманского накопителя Plextor жалоб не поступало. Поэтому хочется верить, что и владельцы нового SSD с интерфейсом PCI Express с его преждевременным выходом из строя не столкнутся.

Как и предыдущие флеш-диски компании, M6e имеет поддержку аппаратного шифрования по алгоритму AES с 256-битным ключом. Однако технологии TCG Opal 2.0 и IEEE-1667 всё ещё не поддерживаются, следовательно, удобное управление шифрованием из среды Windows остаётся невозможным.

⇡#Внешний вид и внутреннее устройство

Для проведения тестирования компания Plextor предоставила нам 256-гигабайтную версию P6e — одну из самых производительных модификаций этого накопителя. На её примере ознакомимся с устройством новинки.

На поверку плата M6e оказывается не такой простой, как можно было бы от неё ожидать. Она не представляет собой единое устройство, а состоит из двух частей — платы PCI Express-адаптера и установленного в него собственно накопителя. Дело в том, что M6e на самом деле выполнен в виде небольшой карты шириной 22 мм и длиной 80 мм в форм-факторе M.2. Такие карты ориентируются в первую очередь на мобильное применение, так как стандарт M.2 является заменой mSATA, позволяющей подключать твердотельные накопители не только через SATA, но и через линии PCI Express. Этой возможностью и пользуется Plextor M6e, совместимый с большими десктопными слотами PCI Express благодаря дополнительному адаптеру.

С учётом мобильной ориентации форм-фактора, M.2-карта Plextor M6e имеет очень небольшую площадь, а потому все компоненты расположены на ней очень плотно, практически впритирку. Микросхемы флеш-памяти установлены по четыре штуки с каждой стороны. Если исходить из маркировки (TH58TEG8DDJBA8C), то каждая из них собрана из четырёх 64-гигабитных кристаллов MLC NAND, производимых компанией Toshiba по 19-нм техпроцессу первого поколения. Такая память с продвигаемым Toshiba вместе с Samsung, Hynix и SanDisk интерфейсом Toggle Mode широко применяется в современных SSD. Сегодня её можно встретить во многих актуальных флагманских твердотельных накопителях.

Управляет флеш-памятью процессор Marvell 88SS9183-BNP2, который, видимо, является первым общедоступным контроллером SSD потребительского уровня, поддерживающим шину PCI Express. По крайней мере большинство выпущенных на данный момент несерверных флеш-дисков, имеющих врождённую поддержку PCI Express, используют именно его. В то же время этот чип — по меркам контроллеров для шины PCI Express — предлагает возможности начального уровня: он поддерживает лишь две линии PCI Express 2.0 и протокол AHCI. То есть обеспечиваемая им максимальная пропускная способность отличается от пропускной способности контроллеров с интерфейсом SATA всего лишь раза в полтора. В этом свете обычная восьмиканальная архитектура Marvell 88SS9183 со стороны флеша никакого удивления не вызывает. Соответственно, память в Plextor M6e 256 Гбайт работает с оптимальным четырёхкратным чередованием устройств в каждом канале.

Ещё одна микросхема на плате Plextor M6e — чип DDR3 SDRAM, используемый в буферных целях при кешировании и работе алгоритмов выравнивания износа и сборки мусора. У рассматриваемого SSD размер этого буфера составляет 512 Мбайт, а выполнен он в виде DDR3-1333 SDRAM, произведённой компанией Nanya.

Плата накопителя Plextor M6e форм-фактора M.2 полностью функциональна сама по себе. Она без каких-либо дополнений может применяться в тех системах, которые оборудованы соответствующим слотом. А это не только современные ноутбуки, но и, например, многие дорогие LGA1150-материнки последнего поколения, основанные на наборе логики Z97.

Однако Plextor ориентирует свой SSD с интерфейсом PCI Express не на какие-то избранные системы, а на максимально широкий круг настольных конфигураций. Именно поэтому карта накопителя формата M.2 идёт в комплекте с адаптером для стандартного слота PCI Express.

Сам по себе этот адаптер крайне прост, он электрически подводит линии PCI Express к имеющемуся на нём разъёму M.2. В этот разъём и устанавливается M.2-карта флеш-диска. Проблема лишь в том, что по какой-то причине Plextor не разрешает пользователям вынимать карту из разъёма и заклеивает крепёжный винт гарантийной наклейкой. То есть формально Plextor M6e — SSD исключительно для десктопных слотов PCI Express, хотя на самом деле ценой потери гарантии его можно воткнуть и в слот M.2.

В чём глубинный смысл такого решения — понять тяжело. Особенно если принять во внимание тот факт, что используемый для Plextor M6e адаптер — универсальный, и на самом деле он поддерживает четыре линии PCI Express, две из которых в данном случае вообще никак не используются. Но раз Plextor хочет, чтобы мы рассматривали его M6e именно как десктопное устройство для шины PCI Express, то и тестировать его мы будем именно так — в составе нашей настольной тестовой системы для твердотельных накопителей.

Источник: 3DNews