p class="h3">⇡#Введение: что нужно знать о NVMe

Твердотельные накопители, пожалуй, можно считать уже самым настоящим мэйнстримом. Любой уважающий себя владелец персонального компьютера если и не имеет хотя бы один SSD в своей системе, то очень серьёзно настроен на его приобретение. Однако называть рынок систем хранения данных, основанных на использовании флеш-памяти, окончательно оформившимся и устоявшимся всё ещё преждевременно. На нём появляются всё новые и новые технологии, и это значит, что впереди нас ждёт ещё много всего интересного. Так, ближайшей инновацией, которая должна выступить лейтмотивом очередных крупных изменений в сфере потребительских SSD, скорее всего, станет технология с названием Non-Volatile Memory Express, или NVM Express, или, как её чаще всего называют, NVMe. Это перспективный интерфейсный протокол, созданный специально для высокоскоростных SSD консорциумом из ведущих отраслевых разработчиков, включая Intel, Samsung, SanDisk, Dell и Seagate.

Если вы следите за прогрессом в сфере твердотельных накопителей, то наверняка знаете, что они в своём развитии столкнулись с серьёзной преградой – устаревшими шинами. Serial ATA и Serial Attached SCSI (SAS) предоставляют достаточную полосу пропускания для механических жёстких дисков, но более скоростные SSD с лёгкостью выбирают весь их потенциал. Поскольку пропускная способность SATA ограничена величиной 6 Гбит/с, максимальная скорость флагманских SATA SSD не выходит за величину порядка 500 Мбайт/с. Не спасает и более скоростной SAS-интерфейс: он ограничивает скорость передачи данных величиной 1,2 Гбайт/с. Современные же накопители, основанные на флеш-памяти, способны на гораздо большее.

Этот тупик на самом деле не стал неожиданностью для индустрии: о нём было известно с самого начала. Твердотельные накопители имеют больше общего с системной памятью, нежели с механическими жёсткими дисками, и поэтому рано или поздно они должны были перерасти возможности интерфейсов, традиционно применявшихся для подключения HDD. Но до сих пор встраивать SSD в имеющуюся инфраструктуру было проще и лучше для популяризации новой технологии. И только лишь к настоящему моменту скорости твердотельных накопителей возросли настолько, что отрицательное влияние старых интерфейсов стало игнорировать категорически невозможно, а значит, пришло время от них отказаться.

К счастью, подходящая для использования SSD высокоскоростная шина давно изобретена, и это – PCI Express. Сейчас она активно применяется в качестве транспортного уровня при подключении графических карт и прочих дополнительных контроллеров, нуждающихся в обмене данными с высокой скоростью, например Thunderbolt. Одна линия PCI Express второго поколения обеспечивает пропускную способность на уровне 500 Мбайт/с, а линия PCI Express 3.0 может развивать скорость до 985 Мбайт/с. Таким образом, интерфейсная карта, устанавливаемая в слот PCIe x4 (с четырьмя линиями), может обмениваться данными на скорости до 2 Гбайт/с в случае PCI Express 2.0 и до почти 4 Гбайт/с – при использовании PCI Express третьего поколения. Это отличные показатели, которые вполне подходят и для современных твердотельных накопителей.

Из сказанного закономерно следует, что на рынке не только доступны потребительские SATA SSD, но и потихоньку распространяются варианты для шины PCI Express. Скажем, через наши руки прошли такие модели, как OCZ RevoDrive, Kingston HyperX Predator и Plextor M6e. Но все они характерны тем, что, используя в качестве транспорта данных прогрессивную шину PCI Express, продолжают общаться с системой посредством старых SCSI- или SATA-протоколов. А такой подход не только неверен методологически, но и попросту не даёт полностью раскрыться всем сильным сторонам скоростных твердотельных накопителей. Иными словами, назрела необходимость в реализации принципиально нового подхода, коим и стал специализированный логический интерфейс NVMe, наложенный на транспорт PCI Express.

В отличие от распространённых интерфейсов SCSI или SATA, которые создавались в предшествующую SSD эпоху, NVMe спроектирован с целью извлечения преимуществ из уникальных свойств именно твердотельных накопителей, которые, основываясь на энергонезависимой флеш-памяти с произвольным доступом, обладают очень низкими задержками и позволяют глубоко конвейеризировать операции чтения и записи. NVMe содержит целый ряд усовершенствований, направленных на уменьшение паразитных латентностей при работе с данными по сравнению с интерфейсом SATA и AHCI-протоколом, где этому вопросу специального внимания не уделялось. Кроме того, в NVMe наконец-то учтена многопоточная природа современных платформ, прекрасно сочетающаяся с архитектурой актуальных моделей SSD.

Если говорить об улучшениях, нашедших место в NVMe, конкретнее, в первую очередь упоминания заслуживает стремление к снижению накладных расходов. Например, передача наиболее типичных 4-килобайтных блоков в новом протоколе требует подачи лишь одной команды вместо двух. А весь набор управляющих инструкций упрощён настолько, что их обработка на уровне драйвера позволяет уменьшить загрузку процессора и возникающие при этом задержки как минимум вдвое. Второе же важное нововведение – поддержка глубокой конвейеризации и многозадачности, заключающаяся в возможности параллельно создавать множественные очереди запросов вместо имевшейся ранее единой очереди на 32 команды. Интерфейсный протокол NVMe способен обслуживать до 65536 очередей, причём каждая из них может содержать до 65536 команд. Фактически какие-либо ограничения ликвидируются вообще, и это очень важно для серверных сред, где на дисковую подсистему может возлагаться огромное количество одновременных операций ввода-вывода. Для персональных компьютеров данное новшество не столь критично, но при одновременной работе нескольких приложений, активно общающихся с накопителем, загрузка процессора благодаря NVMe всё-таки может быть несколько понижена.

Надо сказать, что технология NVMe к моменту своего внедрения оказалась очень хорошо проработанной не только на теоретическом, но и на практическом уровне. Драйверы, которые необходимы для поддержки твердотельных накопителей, работающих по этому протоколу, сейчас имеются во всех основных операционных системах. В Linux поддержка NVMe появилась в версии ядра 3.1; «врождённый» драйвер NVMe имеется в Windows 8.1 и Windows Server 2012 R2; совместимость с NVMe-накопителями была добавлена и в OS X 10.10.3.

Расстраивает лишь то, что NVMe SSD поддерживается далеко не всеми материнскими платами. Для того чтобы такие накопители можно было использовать в качестве загрузочных, UEFI материнской платы должен тоже обладать соответствующим драйвером. Однако производители встроили необходимый микрокод лишь в последние версии прошивок, выпущенные для наиболее свежих моделей материнок. Поэтому поддержка загрузки операционной системы с NVMe-накопителей есть лишь на самых современных платах для энтузиастов, основанных на наборах логики Intel Z97 и Intel X99. В более старых и дешёвых платформах пользователи смогут воспользоваться NVMe SSD лишь как вторыми дисками.

Ещё одна проблема переходного периода заключается в отсутствии в существующих системах необходимых коннекторов для подключения NVMe-накопителей. Именно поэтому на первом этапе большинство SSD с таким интерфейсом будут выпускаться в виде простых PCIe- или M.2-плат, требующих для своей работы подключения к шине PCI Express 3.0. Однако на самом деле для нового поколения SSD разработан и специальный разъём U.2, ранее известный под именем SFF-8639. Этот разъём подразумевает более традиционное кабельное соединение и должен позволить высокопроизводительным SSD сохранить привычное 2,5-дюймовое исполнение. Пока порты U.2 можно найти лишь на единичных системных платах, причём преимущественно серверной направленности. Однако в перспективе U.2 станет повсеместным решением. Он объединяет в себе четыре линии PCI Express 3.0, два наследственных SATA-порта, а также 3,3- и 12-вольтовые линии питания, то есть обладает свойством универсальности. Именно поэтому U.2 должен с лёгкостью вытеснить так и не завоевавший популярность интерфейс SATA Express, который предлагает существенно более скудные возможности.

Стоит упомянуть, что некоторые производители материнских плат стали предлагать переходники со слота M.2 на разъём U.2. Однако в M.2 нет линий 12 В, поэтому такие переходники требуют подключения внешнего питания. Кроме того, не следует забывать, что большинство имеющихся на современных материнских платах слотов M.2 подключается не к процессору, а к южному мосту набора системной логики, а потому располагает лишь двумя линиями PCI Express 2.0. В результате U.2 NVMe-накопители, подсоединённые через переходник, в большинстве случаев не смогут продемонстрировать максимальную заложенную в них производительность.

Впрочем, в настоящее время на рынке доступно всего несколько моделей твердотельных накопителей с интерфейсом NVMe. И в первую очередь это серверные Intel DC P3500, P3600 и P3700, а также Samsung MZ-WEIT10, которые вряд ли могут заинтересовать обычных пользователей. До появления же на рынке широкого ассортимента U.2 NVMe SSD ситуация c распространением нового разъёма вполне может измениться в лучшую сторону. Первые же решения потребительского уровня, ориентированные на радикальных энтузиастов, вполне могут обходиться и обычными слотами PCIe или M.2. Такими, в частности, являются готовящаяся к поступлению в продажу NVMe-версия накопителя Samsung SM951 и уже доступный в магазинах Intel SSD 750, речь о котором как раз и пойдёт в этом обзоре.

⇡#Технические характеристики

Intel на рынке твердотельных накопителей придерживается довольно-таки оригинальной стратегии, заключающейся в том, что разработке SSD для потребительского сегмента уделяется не слишком серьёзное внимание. Основные же усилия при этом направляются на модели, ориентированные на корпоративный и серверный сегменты, и в них Intel удалось прочно закрепиться в числе лидеров. В рамках этой концепции пользователи персональных компьютеров последние несколько лет получают лишь побочные продукты, которые тем не менее пользовались и продолжают пользоваться устойчивым спросом, обеспечиваемым не столько выдающимися характеристиками, сколько репутацией производителя. Но с технологической точки зрения такие модели особого интереса не представляют. Например, до недавних пор ассортимент интеловских потребительских SSD состоял из нескольких модификаций, использующих безнадёжно устаревший контроллер SandForce SF-2281, и из основанного на собственном контроллере накопителя Intel SSD 730, представляющего собой слегка адаптированный для десктопов аналог серверного Intel DC S3500.

Однако то, что Intel до недавнего времени не хотела расходовать много сил на разработку моделей SATA SSD для персональных компьютеров, совершенно не значит, что компании этот рыночный сегмент стал вообще неинтересен. Просто она решила действовать по-другому – дождаться подходящего момента и выпустить принципиально новое флагманское решение, которое по технологической насыщенности будет заведомо превосходить все конкурирующие варианты. И вот этот момент настал – в начале апреля Intel представила свой новый SSD 750-й серии, ставший первым доступным на рынке потребительским твердотельным накопителем с интерфейсом NVMe.

Надо сказать, что платформа, позволяющая создавать NVMe SSD, у компании была заготовлена уже достаточно давно. Однако до выпуска Intel SSD 750 она применялась лишь в высокопроизводительных SSD для дата-центров, в которые, помимо всего прочего, шла и высоконадёжная, но дорогая eMLC NAND. Теперь же Intel решила попробовать внедрить аналогичную платформу в основанные на обычной MLC-флеш-памяти накопители для энтузиастов, которые должны совместить высокую мощность и принципиально новый интерфейс NVMe с удобоваримой стоимостью. Именно так мы и получили Intel SSD 750.

Производитель	Intel
Серия	SSD 750
Модельный номер	SSDPE2MW400G4 SSDPEDMW400G4	SSDPE2MW012T4 SSDPEDMW012T4
Форм-фактор	2.5″ 15-мм U.2 или карта PCIe x4 (HHHL)
Интерфейс	PCI Express 3.0 x4 - NVMe
Ёмкость	400 Гбайт	1,2 Тбайт
Конфигурация
Микросхемы памяти: тип, интерфейс, техпроцесс, производитель	Intel 128 Гбит 20-нм MLC NAND
Контроллер	Intel CH29AE41AB0
Производительность
Макс. устойчивая скорость последовательного чтения	2200 Мбайт/с	2400 Мбайт/с
Макс. устойчивая скорость последовательной записи	900 Мбайт/с	1200 Мбайт/с
Макс. скорость произвольного чтения (блоки по 4 Кбайт)	430000 IOPS	440000 IOPS
Макс. скорость произвольной записи (блоки по 4 Кбайт)	230000 IOPS	290000 IOPS
Физические характеристики
Потребляемая мощность: бездействие/чтение-запись	9/12 Вт	10/22 Вт
MTBF (среднее время наработки на отказ)	1,2 млн ч
Ресурс записи	127 Тбайт
Габаритные размеры: Д×В×Г	2,5 дюйма – 100,45 × 69,85 × 15 мм PCIe – 167,65 × 68,9 × 18,74 мм
Масса	2,5 дюйма – 125 г PCIe – 195 г
Гарантийный срок	5 лет
Рекомендованная цена	$389	$1 029

Надо сказать, что Intel SSD 750 – это не простая адаптация серверного продукта, как было в случае с Intel SSD 730. В данном случае разработчики отнеслись к своей миссии более ответственно и на базе изначально серверной платформы сделали принципиально иной накопитель, в котором проведена глубокая оптимизация микропрограммы под клиентские задачи. Так, в Intel SSD 750 огромное внимание уделено высокому быстродействию при работе с 4-килобайтными блоками. Скорости последовательного чтения и записи при этом несколько пострадали, но, по утверждению разработчиков, усреднённая производительность при типичной десктопной нагрузке в результате стала выше. Да и к тому же переживать о недостатке какого-либо аспекта мощности в Intel SSD 750 попросту глупо – платформа, используемая в этом продукте, настолько сильна, что никаких других SSD для ПК с подобными заявленными скоростями попросту не существует.

Однако серверные корни Intel SSD 750 всё-таки нашли отражение в характеристиках. Так, этот накопитель доступен всего в двух вариантах объёма – 400 Гбайт и 1,2 Тбайт. Выбор далеко не самый удобный, и особенно расстраивает отсутствие какой-либо промежуточной ёмкости. В этой связи можно сказать наверняка, что гораздо более востребованной версией станет Intel SSD 750 400 Гбайт, рекомендованная стоимость которой составляет $389. Это дороже флагманских SATA SSD, но в сравнении с потребительскими PCI Express-накопителями Intel SSD 750 – вполне выгодное предложение, особенно если учесть его новаторство и потрясающе высокие скорости случайных операций.

Intel SSD 750 доступен в двух различных форм-факторах: в виде уже привычной энтузиастам карты расширения с интерфейсом PCI Express 3.0 x4 либо в виде 2,5-дюймового накопителя, но с увеличенной, 15-миллиметровой толщиной. При этом 2,5-дюймовая модель требует для своей интеграции в систему «правильный» интерфейс U.2, что делает её первым потребительским накопителем, рассчитанным на использование разъёмов нового типа. Если говорить о десктопах, то прямое подключение такой разновидности SSD на данный момент возможно лишь через конвертеры. Соответствующие решения есть у ASUS и MSI: обе фирмы предлагают переходники для слота M.2, позволяющие преобразовать такой разъём с линиями PCI Express 3.0 в порт U.2.

Однако даже если принять во внимание существование U.2-переходников и накопителя Intel SSD 750, сделанного в виде PCIe-карты, следует понимать, что установить его можно далеко не в любую систему. И дело не только в ограниченной поддержке NVMe в BIOS материнских плат прошлых поколений. Intel SSD 750 нуждается в четырёх линиях PCI Express 3.0, которые суммарно могут обеспечить пропускную способность до 4 Гбайт/с. Соответственно, для Intel SSD 750 подходят только такие слоты и разъёмы, которые питаются от процессорного, а не от чипсетного PCI Express-контроллера. Поэтому наилучшей платформой для Intel SSD 750 выступают системы с LGA2011-v3-процессорами, которые располагают PCI Express-контроллером с достаточным количеством линий PCI Express 3.0. Если же говорить о LGA1150-системах, то в них в пользу интеловского накопителя придётся отнять четыре линии от видеокарты. В слотах же PCI Express 2.0 высокопроизводительный Intel SSD 750 свою феноменальную производительность раскрыть попросту не сможет.

Откуда берётся такая высокая производительность, что интеловской новинке действительно нужны четыре линии PCI Express 3.0, несложно понять, если посмотреть на его аппаратную начинку. В его основе лежит контроллер серверного уровня Intel CH29AE41AB0, который работает на частоте 400 МГц и обладает восемнадцатью каналами для подключения флеш-памяти. Если учесть, что большинство контроллеров для потребительских SSD располагают либо восемью, либо четырьмя каналами, становится понятно, что Intel SSD 750 действительно может прокачивать по шине значительно больше данных, чем все те модели SSD, с которыми мы сталкивались до сих пор, включая и варианты, работающие через PCI Express.

Однако применение контроллера со столь высоким уровнем параллелизма имеет и свои отрицательные стороны. А именно, по своему тепловыделению и энергопотреблению он заметно превосходит все другие чипы такого же назначения. Пиковое тепловыделение старшей версии Intel SSD 750 при операциях записи может доходить до 25 Вт, что требует отдельной заботы об теплоотводе. Конечно, до необходимости активного охлаждения дело не доходит, однако высокое тепловыделение и энергопотребление контроллера ставит крест на возможности создания с его помощью накопителей в компактном форм-факторе M.2.

Что касается используемой флеш-памяти, то в этой части Intel SSD 750 не проводит никаких инноваций. Он основывается на обычной MLC NAND интеловского же производства, выпущенной по 20-нм техпроцессу и имеющей ядра объёмом 128 Гбит. Следует заметить, что большинство прочих производителей SSD достаточно давно отказались от подобной памяти, перейдя на чипы, сделанные по более тонким нормам. Да и сама Intel начала перевод на 16-нм память не только своих потребительских, но и серверных накопителей. Однако несмотря на всё это, в Intel SSD 750 устанавливается более старая память, которая имеет более высокий ресурс.

При этом никаких из ряда вон выходящих показателей надёжности для Intel SSD 750 не заявляется. Производитель говорит о возможности перезаписи 70 Гбайт ежедневно в течение пятилетнего гарантийного срока. Таким образом, ресурс записи для новинки составляет порядка 127 Тбайт, что не превышает декларируемую выносливость флагманских моделей SATA SSD, предлагаемых лидерами рынка. Но зато интеловский SSD обеспечивает полную защиту данных от утраты при перебоях питания. На Intel SSD 750 имеется два электролитических конденсатора, и их ёмкости хватает для штатного завершения работы накопителя в автономном режиме.

⇡#Внешний вид и внутреннее устройство

Для тестирования наша лаборатория получила PCIe-вариант Intel SSD 750 ёмкостью 400 Гбайт. Эта версия имеет наиболее ходовые сочетания объёма и исполнения, но при этом её скорости чуть ниже, чем у 1,2-Тбайт модификации, из-за меньшего параллелизма массива флеш-памяти. Выглядит она следующим образом.

Плата накопителя имеет половинную высоту, что позволяет устанавливать её не только в традиционные десктопы, но и в 2U-серверы. Необходимая для этого укороченная планка задней панели входит в комплект поставки.

Сам же накопитель полностью закрыт бронёй. С лицевой стороны это алюминиевый радиатор, а с оборотной – декоративная металлическая пластина, которая на самом деле с микросхемами не соприкасается. Следует отметить, что применение радиатора – необходимость. Основной контроллер интеловского SSD выделяет немало тепла, и при высокой нагрузке даже оснащённый таким охлаждением накопитель может разогреваться до температур порядка 50-55 градусов. Но благодаря радиатору никаких намёков на троттлинг не наблюдается – производительность остаётся постоянной даже в процессе непрерывного и интенсивного использования.

Дизайн печатной платы Intel SSD 750 вызывает немалое удивление. Она несёт на себе такое количество микросхем флеш-памяти, которого хватило бы как минимум на четыре обычных SSD 480-гигабайтного объёма. Однако Intel решила отказаться от повсеместно применяемых чипов большой ёмкости с несколькими полупроводниковыми кристаллами внутри, благо площадь платы это вполне позволяет.

Ещё один интересный факт заключается в том, что среди 36 микросхем MLC NAND, имеющихся на Intel SSD 750 400 Гбайт, встречаются две различные разновидности. Обе они произведены компанией Intel, однако 24 микросхемы имеют маркировку 29F16B08MCMFS и содержат внутри себя по одному 128-гигабитному 20-нм MLC NAND-устройству, а ещё 12 микросхем с маркировкой 29F64G08LCMFS базируются на единичных 20-нм 64-гигабитных кристаллах. Это значит, что 18-канальный контроллер Intel CH29AE41AB0 в общей сложности работает с массивом из 36 NAND-устройств и пользуется всего лишь двукратным чередованием, которое и обуславливает несколько более низкие, чем у модели на 1,2 Тбайт, показатели быстродействия.

Если просуммировать ёмкость всех микросхем, то получится, что общий объём флеш-памяти в Intel SSD 750 400 Гбайт составляет 480 ГиБ, от которых пользователю доступно лишь около 78 процентов. Остальное отводится на подменный фонд, сборку мусора и технологии защиты данных. В Intel SSD 750 реализована традиционная для флагманских накопителей RAID 5 подобная схема на уровне кристаллов MLC NAND, что позволяет успешно восстанавливать данные даже в том случае, когда один из чипов полностью выходит из строя.

Ещё одна особенность применённой в Intel SSD 750 платформы заключается в том, что его контроллер Intel CH29AE41AB0 взаимодействует со сравнительно объёмным массивом DRAM. Добавление в конструкцию накопителя быстродействующего и вместительного кеша – ещё один из способов получения высокой производительности. Поэтому общая ёмкость оперативной памяти у интеловского флагмана составляет 1,25 Гбайт, и набрана она аж пятью DDR3-1600-чипами Micron MT41K512M4DA-125.

Говоря о практических аспектах применения Intel SSD 750, следует напомнить, что это – не совсем обычный SSD для шины PCI Express 3.0 x4. Одного лишь скоростного слота для него недостаточно, от материнской платы требуется также поддержка NVMe-интерфейса на уровне UEFI. Сама Intel предлагает достаточно скромный список совместимых плат, но на самом деле подходящих вариантов несколько больше, правда все они основываются исключительно на последних наборах логики Intel X99 и Z97. В тех же системах, в которых NVMe в UEFI не поддерживается, загрузка операционной системы с Intel SSD 750 невозможна и он может служить лишь дополнительным накопителем.

Любопытно, что хотя Windows 8.1 и имеет встроенный NVMe-драйвер, Intel рекомендует использовать с SSD 750 альтернативный драйвер собственной разработки, который позволяет получить более высокую производительность. И это действительно так — скорость рассматриваемого SSD с драйвером от разработчиков Intel заметно возрастает. Да и вообще, программная поддержка Intel SSD 750 проработана гораздо лучше, чем это принято у других производителей потребительских PCIe SSD. С ним даже оказалась совместима фирменная утилита Intel SSD Toolbox, обладающая набором полезных инструментов для мониторинга состояния твердотельного накопителя, оптимизации операционной системы, обновления прошивок и выполнения операции Secure Erase. Правда, популярные сторонние программы для SMART-мониторинга, например та же CrystalDiskInfo, с Intel SSD 750 не работают, но это – проблема совсем не интеловских разработчиков.

Следующая страница →

Источник: 3DNews