Ни для кого не секрет, что SSD – отличный вариант апгрейда старого компьютера. Но если вы собираетесь купить скоростной SSD, то придется разобраться в терминах и технологиях, тем более что для каждого сценария имеются свои оптимальные варианты накопителей. Поэтому в помощь читателям мы решили опубликовать статью, в которой рассмотрим наиболее важные характеристики и технологии современной флэш-памяти и накопителей. Мы уделим внимание не только разным форм-факторам и интерфейсам, но и перспективным технологиям памяти, таким как 3D NAND.
Долгое время SSD на потребительском рынке существовали только в одном форм-факторе (2,5 дюйма) и в одном интерфейсе (SATA). Конечно, SATA 3 Гбит/с довольно быстро уступил место в два раза более быстрому SATA 6 Гбит/с, но быстро стало понятно, что даже последняя версия интерфейса SATA существенно замедляет SSD в некоторых сценариях. С другой стороны, для жестких дисков возможностей SATA более чем достаточно, и на смену вышел SATA Express с обратной совместимостью. Между тем для SSD были разработаны другие технологии.
Если вам нужен high-end SSD, подобный недавно представленному Samsung SSD 950 PRO, то следует запомнить два термина: M.2 и NVMe. M.2 указывает на форм-фактор, то есть физические габариты устройства, а также физический разъем. Затем следует логический интерфейс подключения, который у M.2 может быть как SATA, так и PCI Express. Наконец, третий фактор – программный интерфейс между UEFI/ операционной системой/драйвером /приложениями и накопителем. Здесь доминируют два стандарта: AHCI и NVMe. Последний появился только в 2011 году, поэтому его поддерживают не все операционные системы. Наконец, кроме разных форм-факторов и интерфейсов имеет значение технология памяти. Можно ли назвать память TLC хуже памяти MLC? На этот вопрос мы тоже ответим в статье.
Если настольные жесткие диски многие годы существуют в 3,5-дюймовом форм-факторе, SSD с самого начала выпускались в 2,5-дюймовом формате. Он отлично подходил для небольших компонентов SSD. Однако ноутбуки становились все тоньше, и 2,5-дюймовые SSD уже перестали удовлетворять критерию малого размера. Поэтому многие производители обратили внимание на другие форм-факторы с меньшими габаритами.
В частности, был разработан стандарт mSATA, однако он появился слишком поздно. Соответствующий интерфейс сегодня встречается довольно редко, в немалой степени по причине того, что mSATA (сокращение от mini-SATA) по-прежнему работает со сравнительно низкой скоростью SATA. Накопители mSATA физически идентичны модулям Mini PCI Express, но электрически mSATA и mini PCIe несовместимы. Если сокет предназначен для установки накопителей mSATA, вы сможете использовать только их. Напротив, если сокет предназначен для модулей mini PCI Express, накопители mSATA SSD вставить можно, однако работать они не будут.
Стандарт mSATA сегодня можно считать устаревшим. Он уступил место стандарту M.2, который изначально назывался Next Generation Form Factor (NGFF). Стандарт M.2 обеспечивает производителям большую гибкость по габаритам SSD, поскольку накопители значительно более компактны, допускаются восемь вариантов длины, от 16 до 110 мм. Также M.2 поддерживает разные варианты интерфейсов. Сегодня все больше используется интерфейс PCI Express, который и будет доминировать в будущем, поскольку он работает значительно быстрее. Но первые накопители M.2 опирались на интерфейс SATA, теоретически возможен и USB 3.0. Однако не все слоты M.2 поддерживают все упомянутые интерфейсы. Поэтому перед покупкой накопителя проверяйте, какие стандарты поддерживает ваш слот M.2.
Стандарт M.2 сегодня распространяется и среди настольных ПК, современные материнские платы предлагают, по крайней мере, один соответствующий слот. Еще один положительный момент – кабель уже не требуется, накопитель вставляется прямо в слот материнской платы. Впрочем, подключение через кабель тоже возможно. Но для этого на материнской плате должен иметься соответствующий порт, а именно U.2. Ранее этот стандарт был известен как SFF 8639. Конечно, теоретически можно оснащать 2,5-дюймовые накопители портом U.2, но на рынке таких моделей очень мало, как и накопителей с SATA Express.
Интерфейс SATA Express является преемником SATA 6 Гбит/с, поэтому поддерживается обратная совместимость. На самом деле host-интерфейс поддерживает даже два порта SATA 6 Гбит/с или один SATA Express. Такая поддержка была добавлена больше для совместимости, поскольку накопители SATA Express электрически подключаются к шине PCI Express. То есть накопители SATA Express на «чистых» портах SATA 6 Гбит/с не работают. Но SATA Express опирается только на две линии PCIe, то есть пропускная способность будет в два раза меньше M.2.
Конечно, у большинства настольных компьютеров есть обычные слоты PCI Express, поэтому можно установить SSD напрямую в такой слот, как видеокарту. Вы можете приобрести карту-адаптер для M.2 SSD (PCIe), после чего подключать накопители «традиционным» образом в виде карты расширения PCI Express.
M.2 SSD с интерфейсом PCI Express демонстрируют пропускную способность больше двух гигабайт в секунду – но только при подходящем подключении. Современные M.2 SSD обычно разрабатываются для четырех линий PCI Express третьего поколения, только такой интерфейс позволяет раскрыть их потенциал производительности. Со старым стандартом PCIe 2.0 и/или меньшим числом линий накопители SSD работать будут, но вы потеряете весьма существенную часть производительности. Если есть сомнения, мы рекомендуем заглянуть в руководство пользователя материнской платы, где должна быть указана конфигурация линий M.2.
Если на материнской плате нет слота M.2, вы можете установить такой накопитель через карту расширения, например, в слот для второй видеокарты. Однако при этом чаще всего на видеокарту будут подаваться уже не 16, а 8 линий PCI Express. Впрочем, на производительность видеокарты это повлияет не так серьезно. В следующей таблице приведена суммарная информация о современных интерфейсах:
| Форм-фактор | Подключение | Макс. скорость | Примечание |
|---|---|---|---|
| 2,5 дюйма | SATA 6 Гбит/с | ~ 600 Мбайт/с | Стандартный форм-фактор SSD для настольных ПК, а также многих ноутбуков. Возможна разная высота корпуса. Порты SATA есть на любой материнской плате, поэтому совместимость очень широкая. |
| mSATA | SATA 6 Гбит/с | ~ 600 Мбайт/с | Форм-фактор предназначен, главным образом, для ноутбуков. Распространился только один вариант размера. Использует слот собственного формата. |
| M.2 | PCIe 3.0 x4 | ~ 3800 Мбайт/с | Форм-фактор для ноутбуков и настольных систем. Доступны разные варианты размеров. Многие новые ноутбуки и материнские платы имеют слот M.2. |
| SATA Express | PCIe 3.0 x2 | ~ 1969 Мбайт/с | Преемник SATA 6 Гбит/с. Использует две линии PCIe, а не четыре, как в M.2. На рынке почти нет совместимых накопителей, поскольку производители предпочитают M.2, более компактный и быстрый формат. |
Некоторые SSD, подобные Samsung SM951, вышли на рынок в двух версиях, с поддержкой AHCI или NVMe. Здесь разница заключается в программном интерфейсе, с помощью которого накопитель «общается» с host-системой. AHCI (Advanced Host Controller Interface) был опубликован в 2004 году. NVMe (Non-Volatile Memory Express) появился только в 2011, интерфейс намного моложе. Стандарт NVMe изначально оптимизировался под энергонезависимую флэш-память, которая весьма существенно отличается по характеристикам от традиционных жестких дисков.
Если вы когда-нибудь устанавливали Windows XP, представленную в 2001 году, на современные материнские платы, то знакомы с проблемой: необходимо либо выключить режим AHCI при установке, либо загрузить драйвер (кнопкой F6), чтобы утилита установки нашла накопитель. История повторяется с NVMe: «родная» поддержка была добавлена только в Windows 8.1, так что если вы устанавливаете Windows 7 на накопитель NVMe, придется загрузить соответствующий драйвер во время установки или создать специальный инсталляционный образ системы с hotfix от Microsoft, где добавлена поддержка NVMe для операционной системы 2009 года. Впрочем, если накопитель NVMe SSD вам нужен только для хранения данных, то hotfix для Windows 7 можно установить и на работающую операционную систему. После чего накопители NVMe будут распознаваться без проблем.
Преимущество стандартизированных технологий, таких как AHCI и NVMe, заключается в том, что Microsoft и другим разработчикам операционных систем необходимо разрабатывать только один драйвер, который будет поддерживать все накопители упомянутых стандартов. Конечно, никто не мешает производителям SSD разрабатывать собственные драйверы – например, Samsung предлагает собственный драйвер NVMe, который обеспечивает прирост производительности по сравнению с драйвером Microsoft NVMe. Но есть риск, что с обновлением версии Windows драйвер перестанет работать, поскольку производитель SSD прекратит поддержку и разработку драйвера. Подобная проблема хорошо знакома пользователям RAID-контроллеров.
В чем же кроются преимущества NVMe перед AHCI? Имеет ли смысл покупать накопитель NVMe, а не ограничиться SSD AHCI? Как мы уже отмечали выше, интерфейс NVMe был оптимизирован под скоростные накопители с энергонезависимой флэш-памятью, в то время как разработчики AHCI ориентировались на сравнительно медленные механические HDD. В результате NVMe может похвастаться существенно меньшими задержками, а также улучшением параллельной обработки данных. Если AHCI поддерживает, максимум, 32 одновременных запроса, то у NVMe их количество увеличилось до 65.536, причем, в отличие от AHCI, поддерживается уже не одна очередь, а 65.536 очередей. Подобные высокие значения просто не имели смысла с механическими HDD, поскольку с ними они остаются недостижимыми.
Но теория не всегда реализуется на практике. Десятки или сотни тысяч одновременных запросов редко встречаются даже на серверах с интенсивной нагрузкой, не говоря уже о домашних компьютерах. Хорошо, если глубина очереди достигает нескольких одновременных запросов. Поэтому для дома NVMe пока дает ограниченные преимущества. Но для корпоративного сегмента поддержка NVMe весьма желанна, поэтому производители SSD сегодня концентрируются на данном стандарте. Но если ваша система с NVMe не совместима, вполне можно довольствоваться накопителем AHCI. Тот же Samsung SSD 950 PRO поддерживает только NVMe. Но если вам требуется быстрый SSD M.2 с поддержкой AHCI, обратите внимание на Samsung SM951. Впрочем, SM951 доступен только для OEM-клиентов, поэтому найти его в рознице проблематично.
Остается вопрос: как узнать, что ваша система поддерживает NVMe? Со стороны операционной системы мы уже ответили на него выше: Windows с версией 8.1 и старше содержит драйвер NVMe, а для Windows 7 и соответствующих серверных версий ОС Microsoft предлагает hotfix. Современные дистрибутивы Linux тоже поддерживают накопители NVMe. Если вы хотите загружаться с накопителя NVMe, то следует проверить поддержку стандарта у материнской платы. Если такой поддержки нет, то загружаться с накопителя NVMe вы не сможете. Здесь следует проверять спецификации. Как правило, поддержка есть у всех материнских плат с чипсетом Intel X99 или старше.
Чем старее материнская плата, тем меньше вероятность найти поддержку NVMe. В случае нашей Asus P8Z77-V мы без проблем загрузились с Samsung SSD 950 PRO. Если в руководстве пользователя такой информации нет, имеет смысл провести поиск в Интернете или спросить у других пользователей. Но наличие UEFI является обязательным фактором. Если система настолько старая, что она не поддерживает UEFI, то и NVMe она вряд ли «понимает».
К вопросу технологий памяти многие энтузиасты относятся предвзято, здесь слишком много домыслов и точек зрения. Как же быть обычному пользователю? Попробуем разобраться. Начнем с сокращений SLC, MLC и TLC. Они просто обозначают, сколько бит информации хранится в каждой ячейке. В одноуровневых ячейках SLC (Single Level Cell) хранится один бит. В ячейках MLC (Multi Level Cell) – два бита, в ячейках TLC (Triple Level Cell) – три бита. Конечно, по своему определению технология MLC описывает все варианты, когда в ячейке хранятся два бита или большее количество. Так что можно говорить о 2-битной MLC или 3-битной MLC, в последнем случае мы получаем эквивалент TLC.
Зачем хранить в ячейках больше одного бита? Причина кроется в плотности записи, поскольку при том же количестве ячеек память MLC позволяет хранить в два раза больше информации, чем SLC. А в случае накопителя TLC – на 50% больше информации, чем MLC. В отличие от жестких дисков, цена SSD очень сильно зависит от доступной емкости. Многие жесткие диски для разных вариантов емкости опираются на одинаковое число пластин, просто у «младших» моделей используется не вся их площадь – это связано с низкой себестоимостью производства магнитных пластин. Но производство полупроводниковых чипов флэш-памяти обходится значительно дороже, поэтому при удвоении емкости себестоимость почти что удваивается.
В чем же недостатки? Дело в том, что в ячейке хранятся не биты, а электроны. Чем больше электронов, тем выше напряжение. Таким образом, через напряжение можно кодировать несколько состояний ячейки. В случае SLC таких состояний 21, то есть два. Распознавать два состояния очень легко – электроны в ячейке либо отсутствуют, либо они есть в максимальном количестве. У ячеек TLC состояний уже 23, то есть восемь. Кроме «минимального напряжения» и «максимального напряжения» необходимо распознавать еще шесть состояний, при этом сохраняя необходимую надежность сохранения информации. Так что TLC является весьма серьезной технической проблемой, программирование таких ячеек выполняется дольше, поэтому и производительность ухудшается. Срок службы ячеек памяти ограничен, со временем они теряют возможность надежно сохранять запрограммированное состояние. И в случае восьми состояний подобная потеря надежности наступает раньше, чем в случае всего двух или четырех состояний. Поэтому и срок службы памяти TLC меньше.
С другой стороны, производители постоянно дорабатывают свои контроллеры, улучшая обработку сигналов и коррекцию ошибок, что компенсирует меньший срок службы ячеек TLC. Приведем простой пример: накопитель Samsung SSD 840 EVO оснащен 19-нм памятью TLC, 250-Гбайт версия под экстремальной нагрузкой способна продержаться более десяти лет (по спецификациям JEDEC запись составляет 40 Гбайт/день).
С уменьшением размера ячеек тоже не все так просто – есть физические ограничения. В них уперлась Samsung с накопителями 840 EVO, где используется память с 1x-нм ячейками. Поэтому с новыми SSD 850 PRO Samsung уже перешла на 3D-память.
Концепцию здесь понять легко: ячейки памяти 2D, как можно догадаться по названию, планарные. Если вы хотите увеличить число ячеек, то без увеличения площади кристалла не обойтись. Но здесь имеются свои ограничения, поэтому технология 2D уперлась в предел роста. Спасением стала технология 3D, в которой ячейка памяти представляет собой цилиндр, как показано на следующем рисунке:
Цилиндры можно располагать друг над другом, в результате память «вырастает» в высоту, а площадь основания не меняется. Таким образом можно существенно увеличить плотность хранения памяти. Samsung SSD 850 EVO использует 3D-память с 32 слоями и 3-битными ячейками TLC. Информацию о размере ячеек 3D-памяти Samsung не дает, но обещает, что срок службы 3D-памяти TLC не хуже 2D-памяти MLC. 3D-память обладает большей надежностью, а также дает и другие преимущества, в том числе высокую производительность и низкое энергопотребление. Но технически создание такой памяти – задача непростая, по этой причине многие SSD по-прежнему работают с классической 2D-памятью. Но Samsung сегодня перевела все потребительские SSD на собственную 3D-память.
Но достаточно теории, позвольте перейти к практическим тестам. В рамках данной статьи мы приведем лишь небольшую часть тестов из всего набора, который мы используем во время тестов SSD, так как нам требуется подчеркнуть разницу между различными технологиями. Сначала мы рассмотрим последовательную скорость передачи данных, которую мы измеряли при помощи AS SSD Benchmark:
AS SSD Benchmark
Чтение блоками 4K (QD 1)
AS SSD Benchmark
Запись блоками 4K (QD 1)
AS SSD Benchmark
Чтение блоками 4K (QD 64)
AS SSD Benchmark
Запись блоками 4K (QD 64)
AS SSD Benchmark
Последовательное чтение (QD 1)
AS SSD Benchmark
Последовательная запись (QD 1)
Разница между технологиями и накопителями меняется, в зависимости от теста. В тесте последовательной скорости передачи хорошо видны ограничения интерфейса SATA. Из теоретической скорости 600 Мбайт/с на практике остается порядка 520 Мбайт/с по чтению и 500 Мбайт/с по записи. Накопители с интерфейсом PCIe показывают себя лучше, в зависимости от модели и емкости.
Накопитель Samsung XP941 в данной группе самый старый, он оснащен интерфейсом только PCIe 2.0, другие накопители уже поддерживают третье поколение PCIe с более высокой пропускной способностью. В тесте хорошо видно, как емкость влияет на производительность. Емкость HDD и производительность, по большей части, друг от друга не зависят, но у SSD производительность обычно увеличивается вместе с емкостью. Причина простая: у накопителей большей емкости получается использовать больше чипов памяти одновременно (параллельно). Конечно, если такая возможность есть у контроллера. Разница особенно видна по операциям записи. У 512-Гбайт накопителя Samsung SSD 950 PRO мы получили 1.483 Мбайт/с, у 256-Гбайт версии – 910 Мбайт/с, то есть на 40% медленнее.
Перейдем к тесту PCMark 8. Он является хорошим индикатором повседневной производительности накопителей.
Futuremark PCMark 8
Storage - Общая производительность
В тесте PCMark мы наблюдаем такую же картину, что и в синтетическом тесте AS SSD Benchmark, но менее выраженную. Накопители PCI Express SSD с поддержкой NVMe оказываются самыми производительными. Интересно, что даже «младшая» модель Samsung SSD 950 PRO оказывается быстрее Samsung SM951, который использует интерфейс PCI Express с поддержкой AHCI.
Затем следуют Samsung XP941 и SATA SSD, mSATA-версия накопителя Samsung SSD 850 EVO, что интересно, на десять процентов обогнала 1-Тбайт модель в 2,5-дюймовом формате. На первый взгляд, объяснения найти сложно, поскольку оба накопителя подключаются через одинаковый интерфейс SATA. Однако у версии mSATA используется более свежая прошивка, что может дать разницу.
Теперь, после рассмотрения разных технологий SSD, остается вопрос выбора. Какую технологию следует использовать для вашего сценария? В помощь мы представили следующую таблицу.
| Технология | Накопитель | Цена 1 Гбайт | Производительность |
|---|---|---|---|
| 2,5-дюймовые SATA | Samsung SSD 850 EVO | 25,9 руб. | Массовый рынок |
| 2,5-дюймовые SATA | Samsung SSD 850 PRO | 32,2 руб. | High-End |
| mSATA | Samsung SSD 850 EVO mSATA | 26,4 руб. | Массовый рынок |
| M.2 / NVMe | Samsung SSD 950 PRO | 48,8 руб. | Для энтузиастов |
| M.2 / AHCI или NVMe | Samsung SM951 | 0,62 евро | Для энтузиастов |
Мы получили заметные отличия между технологиями по производительности. Они хорошо коррелируют с разницей в цене. Недорогие потребительские SSD, подобные Samsung SSD 850 EVO, можно приобрести по цене около 25,9 рублей за гигабайт. High-end SSD, подобные Samsung SSD 950 PRO, обойдутся существенно дороже – 48,8 рублей за гигабайт.
Если вы хотите обновить накопитель ноутбука, то вариантов не так много. Как правило, в ноутбуках используется один накопитель определенного формата. Если вам нужны 2,5-дюймовые накопители, то можно выбрать доступный SSD для потребительского рынка. Конечно, high-end накопители, подобные Samsung SSD 850 PRO, работают быстрее, да и срок гарантии больше. Но и заплатить за них придется заметно дороже. И для многих пользователей подобная доплата не является разумной.
Если у вас настольный компьютер, то здесь свободы выбора больше. 2,5-дюймовые накопители можно установить в любой корпус, и по цене они весьма выгодные. Но если вам требуется более высокий уровень производительности, то high-end накопитель SATA вряд ли стоит брать – лучше вложить деньги в SSD с интерфейсом PCI Express. Но здесь вам следует сопоставить дополнительные расходы и прирост производительности. Если компьютеру исполнилось уже года три, то самый быстрый SSD вряд ли оправдает себя. С другой стороны, для high-end игрового ПК с несколькими видеокартами следует выбирать скоростной SSD M.2 с интерфейсом PCI Express. В конечном итоге, вам решать. Накопители NVMe имеют смысл в современных компьютерах. Тем более что для поддержки NVMe необходима современная материнская плата с UEFI и операционная система не старше Windows 7. При покупке новой материнской платы за совместимость с NVMe переживать не стоит, но у старых моделей могут возникнуть проблемы.
В случае Samsung SSD 950 PRO версии AHCI просто нет, здесь придется искать Samsung SM951. Но данный накопитель, как и предыдущий Samsung XP941, предназначены для OEM-клиентов, поэтому найти их в рознице проблематично. Они поставляются сборщикам систем, а не конечным потребителям. Кроме того, Samsung не предоставляет собственной гарантии на подобные продукты, поэтому приходится опираться только на гарантию магазина. То же самое касается и обновлений прошивки – для OEM-накопителей конечным пользователям они не предоставляются. С данной точки зрения пользователи розничных продуктов получают более полную поддержку, что вполне оправдывает разницу в цене по сравнению с OEM-версиями.