وفقًا لمعايير سوق مكونات الكمبيوتر ، بدأت Western Digital في تطوير شريحة محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة مؤخرًا نسبيًا: إذا أغفلنا المحاولات الأولى في شكل Silicon Edge Blue (2009) و Hybrid WD Black SSHD (2013) ، عندئذٍ يمكن تسمية نقطة البداية في 11 أكتوبر 2016 ، عند الإعلان خط SATA-drives WD الأخضر والأزرق SSD ، وبعد ذلك بقليل جاء عالي السرعة WD Black NVMe SSD ، والتي تستهدف المتحمسين. لقد مرت 2 سنوات منذ ذلك الحين. خلال هذا الوقت ، قمنا بإعادة تصميم مرافق الإنتاج لإنتاج NAND ثلاثية الأبعاد مبتكرة ، خالية من عدد من عيوب ذاكرة الفلاش المستوية ، وقمنا بتحديث مجموعة طرز محركات أقراص SSD. تطورت السلسلة السوداء أيضًا: في 4 يونيو 2018 ، قدمنا الجيل الجديد من WD Black 3D NVMe SSD. ما هي الفوائد التي يوفرها الانتقال إلى عملية تصنيع جديدة وكيف تختلف أجهزة NVMe عن SATA؟
أظهرت محركات أقراص WD Black 3D NVMe SSD بوضوح جميع مزايا البنية الجديدة لشرائح ذاكرة الفلاش ووحدة التحكم المعاد تصميمها ، والتي سمحت بزيادة أداء محركات الأقراص بشكل كبير ، كما هو مبين في الجدول أدناه.
مقارنة بين أداء محركات أقراص WD Black NVMe من الجيلين الأول والثاني باستخدام طرز 500 جيجابايترقم الموديل
| WDS512G1X0C
| WDS500G2X0C
|
عامل الشكل
| م 2 2280
|
واجهة
| PCI Express 3.0 x4 - NVMe
|
رقائق الذاكرة
| SanDisk 15nm 128GB TLC NAND
| SanDisk 64-Layer 256-Gigabit BiCS3 3D TLC NAND
|
المراقب المالي
| مارفيل 88SS1093
| سانديسك 20-82-007011
|
العازلة
| LPDDR3-1600 ، 512 ميجابايت
| DDR4-2400 ، 512 ميجابايت
|
سرعة قراءة متسلسلة ، ميغابايت / ثانية
| 2050
| 3400
|
سرعة الكتابة التتابعية ، ميغابايت / ثانية
| 700
| 2500
|
سرعة قراءة عشوائية (كتل 4 كيلوبايت) ، IOPS
| 170000
| 410000
|
سرعة الكتابة العشوائية (كتل 4 كيلوبايت) ، IOPS
| 130،000
| 330،000
|
تسجيل الموارد ، والسل
| 160
| 300
|
كما ترون ، فإن الانتقال إلى عملية التصنيع الجديدة قد أتاح زيادة بنسبة 40٪ تقريبًا في الإنتاجية في القراءة ، وأربعة أضعاف في التسجيل والعمليات العشوائية ، وتضاعفت مدة حياة المنتجات تقريبًا ، وهو ما سيجذب بالطبع صانعي المحتوى والألعاب. بالمناسبة ، خاصة بالنسبة للاعبين الأكثر تشددًا والذين يرتبط عملهم بمعالجة الفيديو ، أصدرنا الرائد تيرابايت الذي يمكن أن يفتخر بالفعل بـ 500 ألف IOPS عند القراءة و 400000 - عند الكتابة!
النتائج مثيرة للإعجاب حقًا ، والموقف مع إصدارات SATA من محركات الأقراص ذات الحالة الصلبة أكثر غرابة. من المؤكد أن أولئك الذين تابعوا تطوير تقنية 3D NAND خاب أملهم في قراءة الأرقام:
- سرعة قراءة متسلسلة - 560 ميجابايت / ثانية مقابل 545 سابقًا ؛
- سرعة الكتابة التتابعية - 530 ميجابايت / ثانية مقابل 525 ؛
- سرعة قراءة عشوائية - 95000 IOPS مقابل 100،000 ؛
- سرعة الكتابة العشوائية - 84000 IOPS مقابل 80،000.
إنه أمر محير ، أليس كذلك؟ كل الأشياء الأخرى متساوية ، في حالة SATA ، بقي الأداء دون تغيير تقريبًا ، ولكن ما الهدف من التحديث إذن؟ باختصار - في زيادة مستوى الصوت في عامل الشكل السابق ، وكذلك زيادة التسامح مع الخطأ لمحركات الأقراص ، والذي كتبنا عنه بالتفصيل في واحدة من
المواد السابقة
على 3D NAND . بالنسبة لمؤشرات السرعة ، للأسف - كل شيء يعتمد على ميزات الواجهة نفسها ، والتي ببساطة لا تسمح بالكشف عن الإمكانات الكاملة للتكنولوجيا. سنتحدث أكثر عن هذا اليوم.
بضع كلمات حول SATA و AHCI و NVMe
منذ زمن بعيد ، منذ عدة عقود ، استخدمت محركات الأقراص الصلبة بالكمبيوتر الشخصي واجهة ST-506/412 ، والتي حصلت على اسمها على القرص الصلب الأول 5.25 بوصة.
أول محرك الأقراص الصلبة Seagate ST-506 بحجم 5.25 بوصةكانت ميزته الرئيسية هي أن لوحة HDD نفسها كانت تحتوي فقط على وحدات التحكم في المحرك ومشغل المحرك ورؤوس التبديل ، بالإضافة إلى المعالجة التناظرية - كل شيء آخر كان موجودًا في وحدة التحكم في الكمبيوتر نفسه. كان هذا النهج رخيصًا للغاية في التنفيذ ، ولكن حتى مع ذلك ، كان عرض النطاق الترددي للواجهة أقل مما يمكن أن توفره أجهزة الكمبيوتر الشخصية الأولى. ولكن في تلك الأيام لم يكن هناك مكان للاستعجال ، ومن حيث السعر والجودة ، كان كل شيء على ما يرام بالنسبة للجميع.
ومع ذلك ، لم يظل التقدم ثابتًا ، ونمت احتياجات المستخدمين من القطاعين الخاص والتجاري بشكل لا يطاق. لا يمكن أن يرضي أي شخص الأداء السابق أو عدد الأجهزة (ST-506/412 المسموح بهما لتوصيل قرصين فقط) ، وبدأ المطورين في البحث عن بديل. هذه هي الطريقة التي ظهرت بها ATA ، والتي أصبحت لسنوات عديدة هي المعيار لجميع أجهزة الكمبيوتر ، والتي تم تسهيلها إلى حد كبير من خلال توسيع ATAPI ، والذي كان أساسًا تطبيق مجموعة من معايير SCSI المستخدمة في الخوادم عالية الأداء.
بعد بضع سنوات ، واجهت الواجهة الموازية سقفًا يبلغ 133 ميجابايت / ثانية. أصبحت الميزة الموروثة من ST-506/412 المذكورة سابقًا محسوسة: تم توصيل زوج من أجهزة الأقراص بقناة واحدة ، وكان من المستحيل بكل بساطة تسوية تأثيرها المتبادل على بعضها البعض. إذن كان هناك SATA ، زاد إنتاجه إلى 150 ميجابايت / ثانية مع إمكانية زيادة النمو ، وبفضل استخدام طبولوجيا النجوم ، أصبحت كل قناة مستقلة.
على العموم ، كانت الهيكلية هي الورقة الرابحة ، لأنه بالنسبة لمحركات الأقراص الصلبة البطيئة في ذلك الوقت ، كان هناك حتى مائة ونصف ميغابايت زائدة عن الحاجة. لزيادة أدائها ، كان من الضروري تحسين طلبات القراءة / الكتابة وتقليل عدد حركات كتلة الرأس. وهنا في الوقت المناسب ، جاءت واجهة Advanced Host Controller Interface (AHCI) بدعم من تقنية Native Command Queuing (NCQ) ، أي إعداد الأجهزة في تسلسل الأوامر. بالطبع ، لا يوجد هنا توازٍ حقيقي: على الرغم من أن NCQ يمكنه قبول الطلبات من عدة مصادر في نفس الوقت ، إلا أن إعادة تنظيمهم يتم تنفيذها في نفس قائمة الانتظار ، مما يساعد فقط على تقليل عدد حركات رؤوس الكتابة وفترة الانتظار للقطاع المطلوب على المسار. من ناحية أخرى ، لم يكن هناك حاجة إلى المزيد ، لأن الرأس المغناطيسي يمكن أن يكون موجودا في أي لحظة معينة في الوقت المحدد فوق اسطوانة واحدة محددة.
مع ظهور محركات الأقراص الصلبة ، تغير الوضع عكس ذلك تمامًا. بالنسبة لمحركات أقراص الحالة الصلبة (SSD) ، تم حتى وضع SATA III في ضيقة ، وساعد فقط تطوير بروتوكول جديد على إحداث تغيير. بشكل كبير: إذا كان AHCI يدعم قائمة انتظار واحدة فقط بعمق 32 طلبًا ، فإن واجهة التحكم في مضيف الذاكرة غير المتطايرة (NVMe) المقدمة في أغسطس 2012 كانت قادرة على معالجة 65536 قائمة انتظار بعمق 65536 لكل منها (أي 64 كيلو بايت) واستخدام معالجات متعددة النواة. وأضاف أيضا تحسين تأخير المقاطعة ، وتوفير ما يقرب من نصف أداء مكاسب الأداء.
مقارنة بين زمن القراءة / الكتابة بين SAS و SATA و NVMeومع ذلك ، تعد NVMe مجرد أداة ، وفي حد ذاتها لا يمكن أن تقدم مثل هذه النتائج الرائعة دون دعم الأجهزة المناسب.
أطلق العنان للإمكانات: ما هي وحدات التحكم الجديدة القادرة على ذلك؟
عند اختيار وحدات التحكم لخط WD Black SSD المحدث ، توصلنا إلى نتيجة مخيبة للآمال: الحلول التي قدمتها Marvell ، والتي تم استخدامها سابقًا ، وكذلك منتجات منافسيها ، لا تلبي ببساطة احتياجاتنا الحالية. كانت الخطوة الصحيحة الوحيدة في هذا الموقف هي إنشاء ميكروكنترولر الخاصة بنا ، وبفضل ذلك تلقينا ، أولاً ، الاستقلال الكامل عن مطوري الطرف الثالث ، وثانياً ، القدرة على تحسين النظام الأساسي للأجهزة بمهارة لميزات معينة من تعديلات محرك الأقراص المحددة.
يتم توزيع العمليات بين وحدات الحوسبةلذلك كان هناك SanDisk 20-82-007011 ، والذي كان يعتمد على معالج ثلاثي النواة من 28 نانومتر على ARM Cortex-R ، وهو بالفعل أعلى من حيث القوة إلى Marvell Eldora المستخدم سابقًا. كان الابتكار الرئيسي هو نقل جزء من العمليات التي تمت معالجتها على مستوى البرنامج إلى وحدات الحوسبة المتخصصة: وتشمل هذه ، على سبيل المثال ، قراءة البيانات من ذاكرة الفلاش ، ومعالجة أوامر NVMe ، وكذلك ترميز LDPC. الأخير ، بالمناسبة ، أصبح ثلاثة مستويات واكتسب شخصية ذات طبقات. في الممارسة العملية ، هذا يعني أنه يتم تحديد الخوارزمية الأكثر ملاءمة استنادًا إلى درجة تآكل خلايا الذاكرة. سيستخدم WD Black 3D NAND SSD الجديد ، المثبت فقط على الكمبيوتر ، خيار تصحيح الأخطاء الخفيف ، والذي يتميز بالتنفيذ السريع والحد الأدنى من استهلاك الطاقة. على العكس من ذلك ، عندما ينتهي مورد ذاكرة الفلاش ، سيتم تشغيل سيناريوهات أكثر كثافة للموارد ، والتي على الرغم من أنها تبطئ القراءة / الكتابة ، إلا أنها ستمنع فقدان المعلومات القيمة ، مع زيادة عمر SSD.
يتم تحديد سيناريو ECC اعتمادًا على حالة ذاكرة الفلاشتدعم وحدة التحكم نفسها أحدث بروتوكول NVM Express 1.3 ، بينما تنفذ 4 خطوط PCI-E 3.0 ، ويتم نقل المعلومات من خلال ثماني قنوات ، لذلك لا توجد مشاكل مع عرض النطاق الترددي.
كما عملنا على التخلص من "عنق الزجاجة" الآخر ، والذي كان دوره هو ذاكرة التخزين المؤقت. كما كان من قبل ، يوجد مخزن مؤقت وسيط SLC هنا ، ومع ذلك ، فقد تعلمت الآن خوارزمية nCache 3.0 الملكية التحول إلى وضع TLC المباشر وكتابة البيانات مباشرة إلى ذاكرة TLC. ماذا يعني هذا؟ كما فعلت من قبل ، تستفيد استفادة كاملة من ذاكرة التخزين المؤقت عالية السرعة ، ومع ذلك ، إذا تجاوز سعة المخزن المؤقت ، فلن يكون هناك انخفاض كبير في الأداء ، حيث سيتم نقل المعلومات مباشرة إلى الذاكرة ، متجاوزة ذاكرة التخزين المؤقت. في نفس الوقت ، في وضع SLC عالي السرعة ، يُظهر WD Black NVMe تسجيلًا تسلسليًا مثيرًا للإعجاب يبلغ 2.4 جيجا بايت / ثانية ، ويتم التسجيل المباشر على ذاكرة TLC بسرعة 840 ميجابايت / ثانية ، وهو أسرع بأكثر من مرتين من الإصدار السابق. ظلت ذاكرة التخزين المؤقت كما هي ، مما جعل الجهاز أرخص.
ديناميات الأداء عند ظهور ذاكرة التخزين المؤقتوبالتالي ، اتضح أن محركات أقراص WD Black NVMe SSDs متوازنة حقًا: منصة الأجهزة المحدثة تكمل بشكل مثالي شرائح NAND ثلاثية الأبعاد ، لتكشف عن إمكاناتها تمامًا. في الخلاصة ، لدينا حل موثوق به حقًا موجه إلى أولئك الذين يبدو إطار عمل SATA ضيقًا جدًا ، مما يدل على مؤشرات أداء لائقة وقادرة على الوصول إلى راحة اليد مع غالبية النماذج المرجعية في قطاع المستهلك نظرًا لأفضل نسبة جودة السعر.