Mise à jour de WD Black NVMe: de quoi la 3D NAND est-elle vraiment capable?

Selon les normes du marché des composants informatiques, Western Digital a commencé à développer le segment des disques SSD relativement récemment: si nous omettons les premières tentatives sous la forme de Silicon Edge Blue (2009) et de l'hybride WD Black SSHD (2013), le point de départ peut être appelé le 11 octobre 2016, lorsque l'annonce ligne de disques SATA WD Green et Blue SSD, et un peu plus tard est venu le SSD WD Black NVMe à haute vitesse, destiné aux passionnés. Depuis, 2 ans se sont écoulés. Pendant ce temps, nous avons repensé les installations de production pour produire une NAND 3D innovante, sans un certain nombre d'inconvénients de la mémoire flash plane, et mis à jour la gamme de modèles de disques SSD. La Black Series a également évolué: le 4 juin 2018, nous avons présenté la nouvelle génération de SSD WD Black 3D NVMe. Quels sont les avantages de la transition vers un nouveau processus de fabrication et en quoi les périphériques NVMe sont-ils différents de SATA?

Le SSD WD Black 3D NVMe a clairement démontré tous les avantages de la nouvelle architecture de puces de mémoire flash et d'un contrôleur redessiné, ce qui a permis d'augmenter considérablement les performances des disques, comme le montre avec éloquence le tableau ci-dessous.

Comparaison des performances des SSD WD Black NVMe des première et deuxième générations sur l'exemple des modèles 500 Go

Numéro de modèle	WDS512G1X0C	WDS500G2X0C
Facteur de forme	M.2 2280
Interface	PCI Express 3.0 x4 - NVMe
Puces mémoire	SanDisk 15nm 128Gb TLC NAND	SanDisk NTC TLC BiCS3 3D 64 Go 256 Go
Contrôleur	Marvell 88SS1093	SanDisk 20-82-007011
Tampon	LPDDR3-1600, 512 Mo	DDR4-2400, 512 Mo
Vitesse de lecture séquentielle, Mo / s	2050	3400
Vitesse d'écriture séquentielle, Mo / s	700	2500
Vitesse de lecture aléatoire (blocs de 4 Ko), IOPS	170 000	410 000
Vitesse d'écriture aléatoire (blocs de 4 Ko), IOPS	130 000	330 000
Ressource d'enregistrement, TB	160	300

Comme vous pouvez le voir, la transition vers le nouveau processus de fabrication a entraîné une augmentation de près de 40% de la productivité en lecture, une multiplication par quatre des enregistrements et des opérations aléatoires, et la durée de vie des produits a presque doublé, ce qui, bien sûr, séduira les créateurs de contenu et les joueurs. Soit dit en passant, en particulier pour les joueurs les plus hardcore et ceux dont le travail est lié au traitement vidéo, nous avons publié un produit phare de téraoctets qui peut déjà se targuer de 500 000 IOPS en lecture et 400 000 - en écriture!

Les résultats sont vraiment impressionnants et la situation avec les versions SATA des disques SSD est encore plus étrange. Certes, ceux qui ont suivi le développement de la technologie 3D NAND ont été déçus de lire les chiffres:

• vitesse de lecture séquentielle - 560 Mo / s contre 545 auparavant;
• vitesse d'écriture séquentielle - 530 Mo / s contre 525;
• vitesse de lecture aléatoire - 95 000 IOPS contre 100 000;
• vitesse d'écriture aléatoire - 84 000 IOPS contre 80 000.

C'est déroutant, non? Toutes choses étant égales par ailleurs, dans le cas de SATA, les performances sont restées quasiment inchangées, mais quel était alors l'intérêt de la modernisation? En bref - en augmentant le volume dans le facteur de forme précédent, ainsi qu'en augmentant la tolérance aux pannes des lecteurs, dont nous avons parlé en détail dans l'un des documents précédents sur 3D NAND . Quant aux indicateurs de vitesse, hélas - tout dépend des caractéristiques de l'interface elle-même, qui ne permettent tout simplement pas de révéler tout le potentiel de la technologie. Nous en reparlerons aujourd'hui.

Quelques mots sur SATA, AHCI et NVMe

Il y a longtemps, il y a plusieurs décennies, les disques durs des ordinateurs personnels utilisaient l'interface ST-506/412, qui a obtenu son nom en l'honneur du premier disque dur de 5,25 pouces.


Le premier disque dur Seagate ST-506 de 5,25 pouces

Sa principale caractéristique était que la carte HDD elle-même ne contenait que des modules de commande du moteur, des actionneurs et des têtes de commutation, ainsi qu'un traitement analogique - tout le reste était situé dans le contrôleur PC lui-même. Cette approche était assez bon marché à mettre en œuvre, mais même dans ce cas, la bande passante de l'interface était inférieure à ce que les premiers ordinateurs personnels pouvaient potentiellement fournir. Mais à cette époque, il n'y avait nulle part où se dépêcher, et en termes de prix et de qualité, tout allait bien pour tout le monde.

Cependant, les progrès ne sont pas restés immobiles et les besoins des utilisateurs privés et commerciaux ont augmenté inexorablement. Ni les performances précédentes ni le nombre d'appareils (le ST-506/412 ne permettait de connecter que deux disques) ne pouvaient satisfaire personne, et les développeurs ont commencé à chercher une alternative. C'est ainsi qu'est né ATA, qui est devenu pendant de nombreuses années la norme pour tous les PC, ce qui a été grandement facilité par l'expansion d'ATAPI, qui était essentiellement une implémentation de l'ensemble des normes SCSI utilisées dans les serveurs haute performance.

Quelques années plus tard, l'interface parallèle s'est heurtée à un plafond de 133 Mo / s. La caractéristique héritée du ST-506/412 susmentionné se faisait sentir: une paire de périphériques de disque était connectée à un canal, il était tout simplement impossible de niveler leur influence mutuelle les uns sur les autres. Il y a donc eu le SATA, dont le débit est passé à 150 Mo / s avec la possibilité d'une croissance supplémentaire, et grâce à l'utilisation de la topologie en étoile, chaque canal est devenu indépendant.

Dans l'ensemble, c'était la topologie qui était l'atout, car pour les disques durs lents de cette époque, même un cent et demi de mégaoctets étaient redondants. Pour augmenter leurs performances, il était nécessaire d'optimiser les requêtes de lecture / écriture et de minimiser le nombre de mouvements de bloc de tête. Et ici, juste à temps, est venue l'interface avancée du contrôleur hôte (AHCI) avec la prise en charge de la technologie NCQ (Native Command Queuing), c'est-à-dire le paramètre matériel de la séquence de commandes. Bien sûr, il n'y a pas de véritable parallélisme ici: bien que le NCQ puisse accepter des demandes de plusieurs sources en même temps, leur réorganisation ultérieure s'effectue dans la même file d'attente, ne contribuant qu'à réduire le nombre de mouvements des têtes d'écriture et le délai d'attente du secteur souhaité sur la piste. D'un autre côté, il n'était pas nécessaire d'en faire plus, car la tête magnétique peut être située à un instant donné juste au-dessus d'un cylindre spécifique.

Avec l'avènement des disques SSD, la situation a changé exactement le contraire. Pour les SSD, même SATA III était à l'étroit, et seul le développement d'un nouveau protocole a aidé à faire la différence. Dramatiquement: si AHCI ne prenait en charge qu'une seule file d'attente avec une profondeur de 32 demandes, l'interface de contrôleur d'hôte de mémoire non volatile (NVMe) introduite en août 2012 était capable de traiter 65536 files d'attente avec une profondeur de 65536 chacune (c'est-à-dire 64K) et d'utiliser des processeurs multicœurs. Ajout d'une optimisation du délai d'interruption, offrant un gain de performances presque la moitié du temps.


Comparaison de la latence de lecture / écriture entre SAS, SATA et NVMe

Cependant, NVMe n'est qu'un outil, et à lui seul n'aurait pas pu fournir des résultats aussi impressionnants sans une prise en charge matérielle appropriée.

Libérez le potentiel: de quoi sont capables les nouveaux contrôleurs?

En choisissant des contrôleurs pour la gamme WD Black SSD mise à jour, nous sommes arrivés à une conclusion décevante: les solutions proposées par Marvell, qui ont été utilisées précédemment, ainsi que les produits de leurs concurrents, ne répondent tout simplement pas à nos besoins actuels. La seule bonne étape dans cette situation a été la création de nos propres microcontrôleurs, grâce auxquels nous avons reçu, d'une part, une totale indépendance vis-à-vis des développeurs tiers, et d'autre part, la possibilité d'optimiser subtilement la plate-forme matérielle pour les fonctionnalités spécifiques de modifications de disques spécifiques.


Les opérations sont réparties entre les unités de calcul

Il y avait donc le SanDisk 20-82-007011, qui était basé sur un processeur à trois cœurs de 28 nanomètres sur l'ARM Cortex-R, déjà nettement supérieur en puissance au Marvell Eldora précédemment utilisé. La principale innovation a été le transfert d'une partie des opérations traitées au niveau du programme vers des unités informatiques spécialisées: il s'agit par exemple de la lecture des données de la mémoire flash, du traitement des commandes NVMe, mais aussi du codage LDPC. Ce dernier, soit dit en passant, est devenu à trois niveaux et a acquis un caractère en couches. En pratique, cela signifie que l'algorithme le plus approprié est sélectionné en fonction du degré d'usure des cellules de mémoire. Le nouveau SSD WD Black 3D NAND, qui vient d'être installé dans l'ordinateur, utilisera une option de correction d'erreurs légère, caractérisée par une exécution rapide et une consommation d'énergie minimale. Au contraire, lorsque la ressource de mémoire flash arrive à son terme, des scénarios plus gourmands en ressources entreront en jeu, qui, bien qu'ils ralentissent la lecture / écriture, empêcheront la perte d'informations précieuses, tout en maximisant la durée de vie du SSD.


Le scénario ECC est sélectionné en fonction de l'état de la mémoire flash

Le contrôleur lui-même prend en charge le dernier protocole NVM Express 1.3, tandis qu'il implémente 4 lignes PCI-E 3.0, et les informations sont transmises via huit canaux, il n'y a donc aucun problème de bande passante.

Nous avons également travaillé sur l'élimination d'un autre «goulot d'étranglement», dont le rôle était le cache. Comme auparavant, il existe un tampon SLC intermédiaire ici, cependant, l'algorithme propriétaire nCache 3.0 a maintenant appris à passer en mode direct vers TLC et à écrire des données directement dans la mémoire TLC. Qu'est-ce que cela signifie? Vous, comme auparavant, profitez pleinement du cache haute vitesse, cependant, si le tampon déborde, il n'y aura pas de baisse spectaculaire des performances, car les informations seront directement vidées en mémoire, contournant le cache. Dans le même temps, en mode SLC haute vitesse, WD Black NVMe présente un impressionnant enregistrement séquentiel de 2,4 Go / s, et l'enregistrement direct sur la mémoire TLC est effectué à une vitesse de 840 Mo / s, ce qui est plus de 2 fois plus rapide que la version précédente. Le volume du cache est resté le même, ce qui a rendu l'appareil moins cher.


Dynamique des performances à mesure que le cache apparaît

Ainsi, les SSD WD Black NVMe se sont avérés vraiment équilibrés: la plate-forme matérielle mise à jour complète idéalement les puces NAND 3D, révélant pleinement leur potentiel. En fin de compte, nous avons une solution vraiment fiable destinée à ceux à qui le cadre SATA semble trop étroit, démontrant des indicateurs de performance décents et capable d'atteindre la paume avec la majorité des modèles de référence dans le segment des consommateurs en raison du meilleur rapport qualité-prix.