Diperbarui WD Black NVMe: apa yang benar-benar mampu dilakukan oleh 3D NAND?

Dengan standar pasar komponen komputer, Western Digital mulai mengembangkan segmen solid-state drive yang relatif baru: jika kita menghilangkan upaya pertama dalam bentuk Silicon Edge Blue (2009) dan hibrida WD Black SSHD (2013), maka titik awalnya dapat disebut 11 Oktober 2016, ketika pengumuman lini SATA-drive WD Green dan Blue SSD, dan sesaat kemudian datang WD WD NVMe SSD berkecepatan tinggi, yang ditujukan untuk para penggemar. 2 tahun telah berlalu sejak itu. Selama waktu ini, kami mendesain ulang fasilitas produksi untuk menghasilkan NAND 3D yang inovatif, tanpa sejumlah kelemahan memori flash planar, dan memperbarui kisaran model drive SSD. Black Series juga telah berevolusi: pada 4 Juni 2018, kami memperkenalkan generasi baru WD Black 3D NVMe SSD. Apa manfaat yang diberikan oleh transisi ke proses manufaktur baru dan bagaimana perangkat NVMe berbeda dari SATA?

WD Black 3D NVMe SSDs dengan jelas menunjukkan semua keunggulan arsitektur baru chip memori flash dan pengontrol yang dirancang ulang, yang memungkinkan untuk secara signifikan meningkatkan kinerja drive, seperti yang ditunjukkan dengan jelas pada tabel di bawah ini.

Perbandingan kinerja WD Black NVMe SSD generasi pertama dan kedua pada contoh model 500 GB

Nomor model	WDS512G1X0C	WDS500G2X0C
Faktor bentuk	M.2 2280
Antarmuka	PCI Express 3.0 x4 - NVMe
Chip memori	SanDisk 15nm 128Gb TLC NAND	SanDisk 64-Layer 256-Gigabit BiCS3 3D TLC NAND
Pengendali	Marvell 88SS1093	SanDisk 20-82-007011
Buffer	LPDDR3-1600, 512 MB	DDR4-2400, 512 MB
Kecepatan baca berurutan, MB / s	2050	3400
Kecepatan Tulis Berurutan, MB / s	700	2500
Kecepatan baca acak (4 blok KB), IOPS	170.000	410.000
Kecepatan tulis acak (4 blok KB), IOPS	130.000	330.000
Sumber Rekaman, TB	160	300

Seperti yang Anda lihat, transisi ke proses pembuatan baru memberikan peningkatan hampir 40% dalam produktivitas dalam membaca, empat kali lipat dalam perekaman dan operasi acak, dan masa kerja produk hampir dua kali lipat, yang, tentu saja, akan menarik bagi pembuat konten dan gamer. Ngomong-ngomong, terutama untuk pemain yang paling hardcore dan mereka yang pekerjaannya terkait dengan pemrosesan video, kami merilis flagship terabyte yang dapat membanggakan 500 ribu IOPS saat membaca dan 400.000 - saat menulis!

Hasilnya sangat mengesankan, dan situasi dengan versi solid-state drive SATA bahkan lebih aneh. Tentunya mereka yang mengikuti perkembangan teknologi 3D NAND kecewa membaca angka:

• kecepatan baca sekuensial - 560 MB / s dibandingkan 545 sebelumnya;
• kecepatan tulis berurutan - 530 MB / s versus 525;
• kecepatan baca acak - 95.000 IOPS versus 100.000;
• kecepatan tulis acak - 84000 IOPS versus 80.000.

Ini membingungkan, bukan? Semua hal lain dianggap sama, dalam hal SATA, kinerjanya hampir tidak berubah, tetapi apa gunanya modernisasi? Secara singkat - dalam meningkatkan volume pada faktor bentuk sebelumnya, serta meningkatkan toleransi kesalahan drive, yang kami tulis secara rinci di salah satu bahan sebelumnya pada 3D NAND . Adapun indikator kecepatan, sayangnya - semuanya tergantung pada fitur antarmuka itu sendiri, yang tidak memungkinkan untuk mengungkapkan potensi penuh dari teknologi. Kami akan berbicara lebih banyak tentang ini hari ini.

Beberapa kata tentang SATA, AHCI, dan NVMe

Beberapa waktu yang lalu, beberapa dekade yang lalu, hard drive komputer pribadi menggunakan antarmuka ST-506/412, yang mendapatkan namanya untuk menghormati hard drive 5,25 inci pertama.


Hard drive Seagate ST-506 pertama 5,25 inci

Fitur utamanya adalah bahwa papan HDD itu sendiri hanya berisi modul kontrol mesin, aktuator dan sakelar kepala, serta pemrosesan analog - semuanya terletak di pengontrol PC itu sendiri. Pendekatan ini cukup murah untuk diimplementasikan, tetapi meskipun demikian bandwidth antarmuka lebih rendah daripada komputer pribadi pertama yang berpotensi memberikan. Tetapi pada masa itu tidak ada tempat untuk terburu-buru, dan dalam hal harga dan kualitas, semuanya baik-baik saja untuk semua orang.

Namun, kemajuan tidak berhenti, dan kebutuhan pengguna swasta dan komersial tumbuh tak terhindarkan. Baik kinerja sebelumnya maupun jumlah perangkat (ST-506/412 diizinkan untuk menghubungkan hanya dua disk) tidak dapat memuaskan siapa pun, dan para pengembang mulai mencari alternatif. Inilah bagaimana ATA muncul, yang selama bertahun-tahun menjadi standar untuk semua PC, yang sangat difasilitasi oleh perluasan ATAPI, yang pada dasarnya merupakan implementasi dari set standar SCSI yang digunakan pada server berkinerja tinggi.

Beberapa tahun kemudian, antarmuka paralel mencapai 133 MB / s. Fitur yang diwarisi dari ST-506/412 yang disebutkan di atas membuat dirinya terasa: sepasang perangkat disk terhubung ke satu saluran, tidak mungkin untuk saling meningkatkan pengaruh timbal balik satu sama lain. Jadi ada SATA, yang throughputnya meningkat menjadi 150 MB / s dengan kemungkinan pertumbuhan lebih lanjut, dan berkat penggunaan topologi bintang, setiap saluran menjadi independen.

Pada umumnya, itu adalah topologi yang merupakan kartu truf, karena untuk hard drive yang lambat pada waktu itu, bahkan satu setengah ratus megabyte adalah mubazir. Untuk meningkatkan kinerjanya, perlu mengoptimalkan permintaan baca / tulis dan meminimalkan jumlah pergerakan head block. Dan di sini, tepat pada waktunya, Advanced Host Controller Interface (AHCI) dengan dukungan teknologi Native Command Queuing (NCQ), yaitu, pengaturan perangkat keras dari urutan perintah, datang. Tentu saja, tidak ada paralelisme sejati di sini: walaupun NCQ dapat menerima permintaan dari beberapa sumber pada saat yang sama, reorganisasi lebih lanjut dilakukan dalam antrian yang sama, hanya membantu mengurangi jumlah pergerakan kepala penulisan dan periode tunggu sektor yang diinginkan di trek. Di sisi lain, lebih banyak tidak diperlukan, karena kepala magnetik dapat ditemukan pada waktu tertentu tepat di atas satu silinder tertentu.

Dengan munculnya solid state drive, situasinya telah berubah persis sebaliknya. Untuk SSD, bahkan SATA III pun sempit, dan hanya pengembangan protokol baru yang membantu membuat perbedaan. Secara dramatis: jika AHCI hanya mendukung satu antrian dengan kedalaman 32 permintaan, Non-Volatile Memory Host Controller Interface (NVMe) yang diperkenalkan pada Agustus 2012 dapat memproses 65536 antrian dengan kedalaman masing-masing 65536 (yaitu, 64K) dan menggunakan prosesor multi-core. Juga menambahkan optimisasi penundaan interupsi, memberikan hampir setengah kali perolehan kinerja.


Perbandingan latensi baca / tulis antara SAS, SATA dan NVMe

Namun, NVMe hanyalah alat, dan dengan sendirinya tidak bisa memberikan hasil yang mengesankan tanpa dukungan perangkat keras yang tepat.

Lepaskan potensi: apa yang mampu dimiliki oleh pengontrol baru?

Memilih pengontrol untuk lini WD Black SSD yang diperbarui, kami sampai pada kesimpulan yang mengecewakan: solusi yang ditawarkan oleh Marvell, yang digunakan sebelumnya, serta produk-produk pesaing mereka, sama sekali tidak memenuhi kebutuhan kita saat ini. Satu-satunya langkah yang tepat dalam situasi ini adalah penciptaan mikrokontroler kami sendiri, berkat yang kami terima, pertama, kemerdekaan penuh dari pengembang pihak ketiga, dan kedua, kemampuan untuk secara optimal mengoptimalkan platform perangkat keras untuk fitur spesifik modifikasi drive tertentu.


Operasi didistribusikan antara unit komputasi

Jadi ada SanDisk 20-82-007011, yang didasarkan pada prosesor tiga-inti 28-nanometer pada ARM Cortex-R, yang sudah jauh lebih unggul dalam kekuatan dibandingkan Marvell Eldora yang sebelumnya digunakan. Inovasi utama adalah transfer bagian dari operasi yang diproses di tingkat program ke unit komputasi khusus: ini, misalnya, termasuk membaca data dari memori flash, memproses perintah NVMe, dan juga pengkodean LDPC. Yang terakhir, omong-omong, menjadi tiga tingkat dan memperoleh karakter berlapis. Dalam praktiknya, ini berarti bahwa algoritma yang paling cocok dipilih berdasarkan tingkat keausan sel memori. SSD WD Black 3D NAND 3D baru, yang baru saja dipasang di komputer, akan menggunakan opsi koreksi kesalahan yang ringan, yang ditandai dengan eksekusi cepat dan konsumsi energi minimal. Sebaliknya, ketika sumber memori flash berakhir, skenario yang lebih intensif sumber daya akan ikut berperan, yang, meskipun memperlambat baca / tulis, akan mencegah hilangnya informasi yang berharga, sekaligus memaksimalkan masa pakai SSD.


Skenario ECC dipilih tergantung pada status memori flash

Kontroler itu sendiri mendukung protokol NVM Express 1.3 terbaru, sementara mengimplementasikan 4 jalur PCI-E 3.0, dan informasi ditransmisikan melalui delapan saluran, sehingga tidak ada masalah dengan bandwidth.

Kami juga bekerja pada penghapusan "bottleneck" lain, yang perannya adalah cache. Seperti sebelumnya, ada buffer SLC menengah di sini, namun, algoritma nCache 3.0 eksklusif sekarang telah belajar untuk beralih ke mode direct-to-TLC dan menulis data langsung ke memori TLC. Apa artinya ini? Anda, seperti sebelumnya, mengambil keuntungan penuh dari cache berkecepatan tinggi, namun, jika buffer overflow, tidak akan ada penurunan kinerja yang dramatis, karena informasi akan disiram langsung ke memori, melewati cache. Pada saat yang sama, dalam mode SLC kecepatan tinggi, WD Black NVMe menunjukkan rekaman sekuensial 2,4 GB / s yang mengesankan, dan perekaman langsung ke TLC-memori dilakukan pada kecepatan 840 MB / s, yang lebih dari 2 kali lebih cepat daripada versi sebelumnya. Volume cache tetap sama, yang membuat perangkat lebih murah.


Dinamika kinerja saat cache muncul

Dengan demikian, WD Black NVMe SSD ternyata benar-benar seimbang: platform perangkat keras yang diperbarui secara ideal melengkapi chip NAND 3D, sepenuhnya mengungkapkan potensi mereka. Pada intinya, kami memiliki solusi yang benar-benar andal yang ditujukan kepada mereka yang kerangka SATA-nya tampak terlalu sempit, menunjukkan indikator kinerja yang layak dan mampu menjangkau telapak tangan dengan mayoritas model referensi di segmen konsumen karena rasio kualitas harga terbaik.