Pelos padrões do mercado de componentes de computadores, a Western Digital começou a desenvolver o segmento de unidades de estado sólido relativamente recentemente: se omitirmos as primeiras tentativas na forma de Silicon Edge Blue (2009) e o híbrido WD Black SSHD (2013), então o ponto de partida pode ser chamado de 11 de outubro de 2016, quando o anúncio linha de drives SATA WD Green e Blue SSD, e um pouco mais tarde veio o SSD WD Black NVMe de alta velocidade, voltado para entusiastas. 2 anos se passaram desde então. Durante esse período, redesenhamos as instalações de produção para produzir um NAND 3D inovador, desprovido de várias desvantagens da memória flash plana e atualizamos o modelo de unidades SSD. A série Black também evoluiu: em 4 de junho de 2018, apresentamos a nova geração do SSD WD Black 3D NVMe. Quais são os benefícios proporcionados pela transição para um novo processo de fabricação e como os dispositivos NVMe são diferentes do SATA?
Os SSDs WD Black 3D NVMe demonstraram claramente todas as vantagens da nova arquitetura de chips de memória flash e um controlador reprojetado, o que permitiu aumentar significativamente o desempenho das unidades, conforme eloquentemente mostrado na tabela abaixo.
Comparação do desempenho dos SSDs WD Black NVMe da primeira e segunda gerações no exemplo de modelos de 500 GBNúmero do modelo
| WDS512G1X0C
| WDS500G2X0C
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Fator de forma
| M.2 2280
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Interface
| PCI Express 3.0 x4 - NVMe
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Chips de memória
| SanDisk 15nm TLC 128Gb NAND
| SanDisk TLC BiCS3 3D de 64 camadas e 256 Gigabit NAND
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Controlador
| Marvell 88SS1093
| SanDisk 20-82-007011
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Buffer
| LPDDR3-1600, 512 MB
| DDR4-2400, 512 MB
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Velocidade de leitura sequencial, MB / s
| 2050
| 3400
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Velocidade de gravação sequencial, MB / s
| 700
| 2500
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Velocidade de leitura aleatória (blocos de 4 KB), IOPS
| 170.000
| 410.000
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Velocidade de gravação aleatória (blocos de 4 KB), IOPS
| 130.000
| 330.000
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Recurso de gravação, TB
| 160
| 300
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Como você pode ver, a transição para o novo processo de fabricação proporcionou um aumento de quase 40% na produtividade na leitura, quatro vezes nas operações de gravação e aleatória, e a vida útil dos produtos quase dobrou, o que, é claro, atrairá os criadores de conteúdo e jogadores. A propósito, especialmente para os jogadores mais exigentes e aqueles cujo trabalho está relacionado ao processamento de vídeo, lançamos um carro-chefe de terabytes que já possui 500 mil IOPS ao ler e 400 000 - ao escrever!
Os resultados são realmente impressionantes, e a situação nas versões SATA das unidades de estado sólido é ainda mais estranha. Certamente aqueles que acompanharam o desenvolvimento da tecnologia 3D NAND ficaram desapontados ao ler os números:
- velocidade de leitura seqüencial - 560 MB / s versus 545 anteriormente;
- velocidade de gravação seqüencial - 530 MB / s versus 525;
- velocidade de leitura aleatória - 95.000 IOPS versus 100.000;
- velocidade de gravação aleatória - 84000 IOPS versus 80.000.
É confuso, não é? Sendo todas as outras coisas iguais, no caso da SATA, o desempenho permaneceu praticamente inalterado, mas qual era o sentido da modernização? Resumidamente - aumentando o volume no fator de forma anterior, bem como aumentando a tolerância a falhas dos inversores, sobre os quais escrevemos detalhadamente em um dos
materiais anteriores
no 3D NAND . Quanto aos indicadores de velocidade, infelizmente - tudo depende dos recursos da própria interface, que simplesmente não permitem revelar todo o potencial da tecnologia. Falaremos mais sobre isso hoje.
Algumas palavras sobre SATA, AHCI e NVMe
Há muito tempo, várias décadas atrás, os discos rígidos de computadores pessoais usavam a interface ST-506/412, que recebeu esse nome em homenagem ao primeiro disco rígido de 5,25 polegadas.
O primeiro disco rígido Seagate ST-506 de 5,25 polegadasSua principal característica era que a própria placa de disco rígido continha apenas módulos de controle do motor, atuadores e cabeças de chave, além de processamento analógico - tudo o mais estava localizado no próprio controlador do PC. Essa abordagem foi muito barata de implementar, mas mesmo assim a largura de banda da interface era menor do que os primeiros computadores pessoais poderiam fornecer. Mas naqueles dias não havia para onde se apressar e, em termos de preço e qualidade, tudo estava bem para todos.
No entanto, o progresso não parou e as necessidades de usuários privados e comerciais cresceram inexoravelmente. Nem o desempenho anterior nem o número de dispositivos (ST-506/412 permitiam conectar apenas dois discos) não satisfaziam ninguém, e os desenvolvedores começaram a procurar uma alternativa. Foi assim que surgiu o ATA, que por muitos anos se tornou o padrão para todos os PCs, o que foi bastante facilitado pela expansão do ATAPI, que era essencialmente uma implementação do conjunto de padrões SCSI usados em servidores de alto desempenho.
Alguns anos depois, a interface paralela atingiu um limite de 133 MB / s. O recurso herdado do ST-506/412 mencionado acima se fez sentir: um par de dispositivos de disco estava conectado a um canal, era simplesmente impossível nivelar a influência mútua entre si. Portanto, havia o SATA, cuja taxa de transferência aumentou para 150 MB / s com a possibilidade de crescimento adicional e, graças ao uso da topologia em estrela, cada canal se tornou independente.
De um modo geral, era a topologia que era o trunfo, uma vez que, para os discos rígidos lentos da época, até cem e cem megabytes eram redundantes. Para aumentar seu desempenho, era necessário otimizar solicitações de leitura / gravação e minimizar o número de movimentos do bloco de cabeça. E aqui, bem a tempo, veio a AHCI (Advanced Host Controller Interface) com o suporte da tecnologia Native Command Queuing (NCQ), ou seja, a configuração de hardware da sequência de comandos. Obviamente, não há paralelismo real aqui: embora o NCQ possa aceitar solicitações de várias fontes ao mesmo tempo, sua reorganização é realizada na mesma fila, ajudando apenas a reduzir o número de movimentos das cabeças de gravação e o período de espera do setor desejado na pista. Por outro lado, não era necessário mais, porque a cabeça magnética pode ser localizada a qualquer momento, logo acima de um cilindro específico.
Com o advento das unidades de estado sólido, a situação mudou exatamente o oposto. Para os SSDs, até o SATA III foi restrito e apenas o desenvolvimento de um novo protocolo ajudou a fazer a diferença. De forma dramática: se o AHCI suportasse apenas uma fila com profundidade de 32 solicitações, a NVMe (Interface de controlador de host de memória não volátil), introduzida em agosto de 2012, seria capaz de processar 65536 filas com profundidade de 65536 cada (ou seja, 64K) e usar processadores com vários núcleos. Também foi adicionada otimização do atraso de interrupção, proporcionando um ganho de desempenho de quase meio tempo.
Comparação da latência de leitura / gravação entre SAS, SATA e NVMeNo entanto, o NVMe é apenas uma ferramenta e, por si só, não poderia ter fornecido resultados impressionantes sem o suporte adequado ao hardware.
Liberte o potencial: do que os novos controladores são capazes?
Ao escolher os controladores para a linha WD Black SSD atualizada, chegamos a uma conclusão decepcionante: as soluções oferecidas pela Marvell, usadas anteriormente, bem como os produtos de seus concorrentes, simplesmente não atendem às nossas necessidades atuais. O único passo certo nessa situação foi a criação de nossos próprios microcontroladores, graças aos quais recebemos, em primeiro lugar, total independência de desenvolvedores de terceiros e, em segundo lugar, a capacidade de otimizar sutilmente a plataforma de hardware para os recursos específicos de modificações específicas de unidades.
As operações são distribuídas entre unidades de computaçãoPortanto, havia o SanDisk 20-82-007011, que era baseado em um processador de três núcleos e 28 nanômetros no ARM Cortex-R, já significativamente superior em potência ao Marvell Eldora usado anteriormente. A principal inovação foi a transferência de parte das operações processadas no nível do programa para unidades de computação especializadas: por exemplo, incluem a leitura de dados da memória flash, o processamento de comandos NVMe e também a codificação LDPC. Este último, a propósito, tornou-se três níveis e adquiriu um caráter em camadas. Na prática, isso significa que o algoritmo mais adequado é selecionado com base no grau de desgaste das células de memória. O novo SSD NAND WD Black 3D, recém-instalado no computador, usará uma opção leve de correção de erros, caracterizada por execução rápida e consumo mínimo de energia. Pelo contrário, quando o recurso de memória flash chega ao fim, cenários mais intensivos em recursos entram em cena, os quais, embora diminuam a leitura / gravação, impedem a perda de informações valiosas e maximizam a vida útil do SSD.
O próprio controlador suporta o mais recente protocolo NVM Express 1.3, enquanto implementa 4 linhas PCI-E 3.0, e as informações são transmitidas através de oito canais, para que não haja problemas com a largura de banda.
Também trabalhamos na eliminação de outro “gargalo”, cuja função era o cache. Como antes, existe um buffer intermediário do SLC aqui, no entanto, o algoritmo proprietário do nCache 3.0 agora aprendeu a mudar para o modo direto para o TLC e gravar dados diretamente na memória do TLC. O que isso significa? Você, como antes, aproveita ao máximo o cache de alta velocidade; no entanto, se o buffer estourar, não haverá uma queda drástica no desempenho, pois as informações serão liberadas diretamente na memória, ignorando o cache. Ao mesmo tempo, no modo SLC de alta velocidade, o WD Black NVMe demonstra uma impressionante gravação sequencial de 2,4 GB / s, e a gravação direta na memória TLC é realizada a uma velocidade de 840 MB / s, que é duas vezes mais rápida que a versão anterior. O volume do cache permaneceu o mesmo, o que tornou o dispositivo mais barato.
Dinâmica de desempenho conforme o cache é exibidoPortanto, os SSDs WD Black NVMe mostraram-se realmente equilibrados: a plataforma de hardware atualizada complementa idealmente os chips NAND 3D, revelando totalmente seu potencial. Em resumo, temos uma solução realmente confiável, direcionada àqueles para quem a estrutura SATA parece muito estreita, demonstrando indicadores de desempenho decentes e capazes de alcançar a palma da mão com a maioria dos modelos de referência no segmento de consumidores, devido à melhor relação qualidade-preço.