Aktualisiertes WD Black NVMe: Was kann 3D NAND wirklich?

Nach den Maßstäben des Marktes für Computerkomponenten hat Western Digital vor relativ kurzer Zeit mit der Entwicklung des Solid-State-Laufwerkssegments begonnen: Wenn wir die ersten Versuche in Form von Silicon Edge Blue (2009) und dem Hybrid-WD Black SSHD (2013) weglassen, kann der Startpunkt bei der Ankündigung als 11. Oktober 2016 bezeichnet werden Reihe von SATA-Laufwerken WD Green und Blue SSD, und wenig später kam Hochgeschwindigkeits-WD Black NVMe SSD, die sich an Enthusiasten richtete. Seitdem sind 2 Jahre vergangen. In dieser Zeit haben wir die Produktionsanlagen neu gestaltet, um ein innovatives 3D-NAND ohne eine Reihe von Nachteilen des planaren Flash-Speichers zu produzieren, und die Reihe der SSD-Laufwerke aktualisiert. Die Black-Serie hat sich ebenfalls weiterentwickelt: Am 4. Juni 2018 haben wir die neue Generation der WD Black 3D NVMe SSD vorgestellt. Welche Vorteile bietet der Übergang zu einem neuen Herstellungsprozess und wie unterscheiden sich NVMe-Geräte von SATA?

WD Black 3D NVMe-SSDs zeigten deutlich alle Vorteile der neuen Architektur von Flash-Speicherchips und eines neu gestalteten Controllers, mit dem die Leistung von Laufwerken erheblich gesteigert werden konnte, wie in der folgenden Tabelle deutlich dargestellt.

Vergleich der Leistung von WD Black NVMe-SSDs der ersten und zweiten Generation am Beispiel von 500-GB-Modellen

Modellnummer	WDS512G1X0C	WDS500G2X0C
Formfaktor	M.2 2280
Schnittstelle	PCI Express 3.0 x4 - NVMe
Speicherchips	SanDisk 15nm 128Gb TLC NAND	SanDisk 64-Layer 256-Gigabit BiCS3 3D-DC-NAND
Controller	Marvell 88SS1093	SanDisk 20-82-007011
Puffer	LPDDR3-1600, 512 MB	DDR4-2400, 512 MB
Sequentielle Lesegeschwindigkeit, MB / s	2050	3400
Sequentielle Schreibgeschwindigkeit, MB / s	700	2500
Zufällige Lesegeschwindigkeit (4 KB Blöcke), IOPS	170.000	410.000
Zufällige Schreibgeschwindigkeit (4 KB Blöcke), IOPS	130.000	330.000
Aufzeichnungsressource, TB	160	300

Wie Sie sehen, führte der Übergang zum neuen Herstellungsverfahren zu einer Steigerung der Leseproduktivität um fast 40%, einer Vervierfachung der Aufnahme- und Zufallsvorgänge und einer nahezu verdoppelten Lebensdauer der Produkte, was natürlich Inhaltshersteller und Gamer ansprechen wird. Übrigens, besonders für die Hardcore-Spieler und diejenigen, deren Arbeit mit Videoverarbeitung zu tun hat, haben wir ein Terabyte-Flaggschiff herausgebracht, das bereits 500.000 IOPS beim Lesen und 400.000 beim Schreiben vorweisen kann!

Die Ergebnisse sind wirklich beeindruckend, und die Situation mit SATA-Versionen von Solid-State-Laufwerken ist noch seltsamer. Sicherlich waren diejenigen, die die Entwicklung der 3D-NAND-Technologie verfolgten, enttäuscht, die Zahlen zu lesen:

• sequentielle Lesegeschwindigkeit - 560 MB / s gegenüber 545 früher;
• sequentielle Schreibgeschwindigkeit - 530 MB / s gegenüber 525;
• zufällige Lesegeschwindigkeit - 95.000 IOPS gegenüber 100.000;
• zufällige Schreibgeschwindigkeit - 84000 IOPS gegenüber 80.000.

Es ist verwirrend, nicht wahr? Wenn alle anderen Dinge gleich sind, blieb die Leistung im Fall von SATA nahezu unverändert, aber wozu diente dann die Modernisierung? Kurz gesagt - beim Erhöhen des Volumens im vorherigen Formfaktor sowie beim Erhöhen der Fehlertoleranz von Laufwerken, über die wir in einem der vorherigen 3D-NAND-Materialien ausführlich geschrieben haben. Bei den Geschwindigkeitsanzeigen hängt leider alles von den Funktionen der Benutzeroberfläche selbst ab, die es einfach nicht ermöglichen, das volle Potenzial der Technologie auszuschöpfen. Wir werden heute mehr darüber sprechen.

Ein paar Worte zu SATA, AHCI und NVMe

Vor langer Zeit, vor einigen Jahrzehnten, verwendeten PC-Festplatten die ST-506/412-Schnittstelle, die ihren Namen zu Ehren der ersten 5,25-Zoll-Festplatte erhielt.


Die erste 5,25-Zoll-Festplatte von Seagate ST-506

Das Hauptmerkmal war, dass die Platine der Festplatte selbst nur Motorsteuerungsmodule, Aktuatoren und Schaltköpfe sowie die analoge Verarbeitung enthielt - alles andere befand sich im PC-Controller selbst. Dieser Ansatz war recht billig zu implementieren, aber selbst dann war die Schnittstellenbandbreite geringer, als die ersten PCs möglicherweise bieten könnten. Aber damals gab es keinen Ort, an dem man sich beeilen konnte, und in Bezug auf Preis und Qualität war alles für alle in Ordnung.

Der Fortschritt blieb jedoch nicht stehen, und die Bedürfnisse privater und gewerblicher Nutzer wuchsen unaufhaltsam. Weder die vorherige Leistung noch die Anzahl der Geräte (ST-506/412 durfte nur zwei Festplatten verbinden) konnten niemanden zufriedenstellen, und die Entwickler begannen, nach einer Alternative zu suchen. Auf diese Weise entstand ATA, das über viele Jahre zum Standard für alle PCs wurde. Dies wurde durch die Erweiterung von ATAPI, das im Wesentlichen eine Implementierung der in Hochleistungsservern verwendeten SCSI-Standards war, erheblich erleichtert.

Einige Jahre später erreichte die parallele Schnittstelle eine Obergrenze von 133 MB / s. Die vom oben genannten ST-506/412 geerbte Funktion machte sich bemerkbar: Ein Paar Plattengeräte war an einen Kanal angeschlossen, es war einfach unmöglich, ihre gegenseitige Beeinflussung auszugleichen. Es gab also SATA, dessen Durchsatz mit der Möglichkeit eines weiteren Wachstums auf 150 MB / s anstieg, und dank der Verwendung der Sterntopologie wurde jeder Kanal unabhängig.

Im Großen und Ganzen war die Topologie der Trumpf, da für die langsamen Festplatten dieser Zeit sogar eineinhalb Hundert Megabyte redundant waren. Um ihre Leistung zu steigern, mussten Lese- / Schreibanforderungen optimiert und die Anzahl der Kopfblockbewegungen minimiert werden. Und hier kam gerade rechtzeitig die Advanced Host Controller Interface (AHCI) mit Unterstützung der Native Command Queuing (NCQ) -Technologie, dh der Hardwareeinstellung der Befehlssequenz. Natürlich gibt es hier keine echte Parallelität: Obwohl die NCQ Anfragen von mehreren Quellen gleichzeitig annehmen kann, wird ihre weitere Reorganisation in derselben Warteschlange durchgeführt, was nur dazu beiträgt, die Anzahl der Bewegungen der Schreibköpfe und die Wartezeit des gewünschten Sektors auf der Strecke zu verringern. Andererseits war mehr nicht erforderlich, da sich der Magnetkopf zu einem bestimmten Zeitpunkt direkt über einem bestimmten Zylinder befinden kann.

Mit dem Aufkommen von Solid-State-Laufwerken hat sich die Situation genau umgekehrt geändert. Bei SSDs war sogar SATA III eng, und nur die Entwicklung eines neuen Protokolls trug dazu bei, einen Unterschied zu machen. Dramatisch: Wenn AHCI nur eine Warteschlange mit einer Tiefe von 32 Anforderungen unterstützte, konnte die im August 2012 eingeführte NVMe (Non-Volatile Memory Host Controller Interface) 65536 Warteschlangen mit einer Tiefe von jeweils 65536 (dh 64 KB) verarbeiten und Multi-Core-Prozessoren verwenden. Außerdem wurde die Optimierung der Interrupt-Verzögerung hinzugefügt, wodurch ein Leistungsgewinn von fast der Hälfte erzielt wird.


Vergleich der Lese- / Schreiblatenz zwischen SAS, SATA und NVMe

NVMe ist jedoch nur ein Tool und hätte ohne eine angemessene Hardwareunterstützung allein keine so beeindruckenden Ergebnisse erzielen können.

Setzen Sie das Potenzial frei: Was können die neuen Controller?

Bei der Auswahl der Controller für die aktualisierte WD Black SSD-Linie kamen wir zu einem enttäuschenden Ergebnis: Die früher verwendeten Lösungen von Marvell sowie die Produkte ihrer Wettbewerber erfüllen einfach nicht unsere aktuellen Anforderungen. Der einzig richtige Schritt in dieser Situation war die Schaffung eigener Mikrocontroller, dank derer wir zum einen die völlige Unabhängigkeit von Drittentwicklern und zum anderen die Möglichkeit erhielten, die Hardwareplattform subtil für die spezifischen Merkmale bestimmter Laufwerksmodifikationen zu optimieren.


Operationen werden auf Recheneinheiten verteilt

So gab es SanDisk 20-82-007011, das auf einem 28-Nanometer-Drei-Kern-Prozessor auf dem ARM Cortex-R basierte und dem zuvor verwendeten Marvell Eldora bereits deutlich überlegen war. Die Hauptinnovation war die Übertragung eines Teils der auf Programmebene verarbeiteten Vorgänge auf spezialisierte Recheneinheiten: Dazu gehören beispielsweise das Lesen von Daten aus dem Flash-Speicher, die Verarbeitung von NVMe-Befehlen sowie die LDPC-Codierung. Letzteres wurde übrigens dreistufig und erhielt einen vielschichtigen Charakter. In der Praxis bedeutet dies, dass der am besten geeignete Algorithmus basierend auf dem Verschleißgrad der Speicherzellen ausgewählt wird. Die neue WD Black 3D NAND SSD, die gerade im Computer installiert wurde, verwendet eine leichte Fehlerkorrekturoption, die sich durch schnelle Ausführung und minimalen Energieverbrauch auszeichnet. Im Gegenteil, wenn die Flash-Speicherressource zu Ende geht, kommen ressourcenintensivere Szenarien ins Spiel, die zwar das Lesen / Schreiben verlangsamen, aber den Verlust wertvoller Informationen verhindern und gleichzeitig die Lebensdauer der SSD maximieren.


Das ECC-Szenario wird abhängig vom Status des Flash-Speichers ausgewählt

Der Controller selbst unterstützt das neueste NVM Express 1.3-Protokoll, implementiert 4 PCI-E 3.0-Leitungen und Informationen werden über acht Kanäle übertragen, sodass keine Probleme mit der Bandbreite auftreten.

Wir haben auch an der Beseitigung eines weiteren „Engpasses“ gearbeitet, dessen Rolle der Cache war. Nach wie vor gibt es hier einen Zwischen-SLC-Puffer. Der proprietäre nCache 3.0-Algorithmus hat nun gelernt, in den Direct-to-TLC-Modus zu wechseln und Daten direkt in den TLC-Speicher zu schreiben. Was bedeutet das? Sie nutzen nach wie vor den Hochgeschwindigkeits-Cache voll aus. Wenn der Puffer jedoch überläuft, kommt es nicht zu einem dramatischen Leistungsabfall, da die Informationen unter Umgehung des Caches direkt in den Speicher übertragen werden. Gleichzeitig zeigt WD Black NVMe im Hochgeschwindigkeits-SLC-Modus eine beeindruckende sequentielle Aufzeichnung von 2,4 GB / s, und die direkte Aufzeichnung in den DC-Speicher erfolgt mit einer Geschwindigkeit von 840 MB / s, was mehr als zweimal schneller ist als in der vorherigen Version. Das Cache-Volumen blieb gleich, was das Gerät billiger machte.


Leistungsdynamik beim Öffnen des Caches

Daher erwiesen sich die WD Black NVMe-SSDs als sehr ausgewogen: Die aktualisierte Hardwareplattform ergänzt die 3D-NAND-Chips ideal und zeigt ihr Potenzial voll auf. Unter dem Strich haben wir eine wirklich zuverlässige Lösung, die sich an diejenigen richtet, denen das SATA-Framework zu eng erscheint. Sie zeigt anständige Leistungsindikatoren und kann aufgrund des besten Preis-Leistungs-Verhältnisses mit den meisten Referenzmodellen im Verbrauchersegment die Palme erreichen.