Оцениваем разницу в производительности
Ну а теперь, основываясь на скриншотах пользователей, можно оценить разницу в производительности разных типов носителей.
Подчеркну еще раз, что результаты тестов зависят от значительного количества сопутствующих факторов, однако общую тенденцию можно определить из некоторой выборки значений.
Очевидно, что производительность SSD в рядовых файловых операциях в разы выше, нежели жестких дисков.
Но следует учитывать, что большинство таких тестов проводились при оптимальном подключении, то есть SSD был подключен через интерфейс SATA 3.
Возникает закономерный вопрос, а имеет ли смысл подключать SSD к SATA 2?
Очевидно, что максимальная скорость при последовательных операциях чтения/записи будет ограничена возможностью SATA 2. Напомню, это приблизительно 300 Мбайт/c.
Однако значительно большее значение IOPS сократит задержки в файловых операциях в несколько раз, и, как видно из тестов, скорость случайных операций значительно ниже пропускной способности SATA 2.
Но и тут не все так однозначно…
Как показывают тесты, при подключении к SATA 2 падает и это значение…
Тем не менее, оно все равно значительно выше, нежели у жестких дисков. Поэтому, с моей точки зрения, установка SSD на SATA 2 все равно оправдана — мы получаем возможный максимум при последовательных операциях и в пять-десять раз ускоряем рядовые файловые операции.
Итак, с производительностью определились, осталось разобраться с долговечностью.
Значения ресурса выработки SSD
Ресурс выработки производители SSD обычно указывают в виде значений:- TBW – гарантируемого общего объёма перезаписываемых данных;- MTBF – гарантируемого общего времени работы устройства.
TBW (Total Bytes Written) – это значение ресурса выработки ячеек памяти SSD. Оно выражается в гарантируемом производителем общем объёме записи данных на диск. И этот объём измеряется в Тб (терабайтах). Т.е. TBW – это конкретное количество Тб, которое может быть записано на SSD на протяжении его срока службы. При достижении этого общего объёма ячейки памяти накопителя теоретически должны износиться, и дальнейшая запись в них данных производителем устройства не гарантируется.
Каждая ячейка SSD рассчитана на какое-то количество циклов перезаписи данных, но если бы производители указывали в качестве значения ресурса твердотельного накопителя это число циклов, то большинству пользователей это значение мало о чём сказало бы. Да и в чистом виде это значение было бы неточным, поскольку у разных SSD разные механизмы записи данных, которые могут влиять в целом на срок службы устройства. Поэтому производители SSD предлагают нам просчитанный ими общий объём гарантируемой записи данных, в расчёт которого ложатся возможное количество циклов перезаписи ячеек и число самих ячеек. Чем больше ячеек, тем больше будет значение TBW. Ну и, соответственно, у SSD-дисков с большим объёмом ресурс TBW будет больше, чем у дисков с меньшим объёмом.
Вот, к примеру, на упомянутом сайте Nix.Ru для одной из моделей SSD Western Digital на 250 Гб указан ресурс 100 TBW.
Т.е. это 100 Тб – общий объём записи данных, которые гарантирует производитель. Много это или мало? Для обывателя это более чем достаточно. Если мы эти 100 Тб разделим, скажем, на 10 лет срока службы SSD, то в год это получится 10 Тб, а в месяц – 833 Гб. Ну и разделим это число на 30 календарных дней и получим 27,76 Гб перезаписи данных каждый день.
Но далеко не все производители указывают в характеристиках SSD значение TBW. Часто указывают только общее время работы диска MTBF (Mean Time Between Failure), т.е. время его наработки на отказ. Как вот, к примеру, на том же сайте Nix.Ru для одной из моделей накопителя Silicon Power на 120 Гб указано MTBF 1,5 млн. часов. 1,5 млн. часов – это 62 500 дней, и это более 170 лет.
Общее время работы SSD – это всё то время, которое диск теоретически может проработать вне зависимости от факта произведения им каких-либо операций. Это всё то время, что диск теоретически может проработать, не беря в учёт износ ячеек памяти, повреждение контроллера и прошивки, выход из строя в результате проблем с питанием и пр. MTBF – не более чем информация к сведенью, голая теория, ни один диск не проработает 170 лет, если его полноценно эксплуатировать, он придёт в непригодность гораздо ранее в силу одного из указанных факторов.
Значение MTBF в основу реальных расчётов срока службы SSD не положишь, так что если стоит вопрос в покупке SSD-диска, то желательно брать такую модель, чтобы для неё производитель указывал в характеристиках значение TBW.
Мы пойдем другим вторым путем!
Нисколько не преуменьшая программное влияние на экосистему «платформа – ОС – накопитель», возьмем пока только второй из задекларированных способов «угнетения» спекуляционных алгоритмов. Это необходимо выполнить для того, чтобы понять, насколько возможно приблизиться к естественным метрикам производительности с помощью синтетических бенчмарок. Свои выводы будем поверять результатами тестирования SSD-накопителя, полученными с помощью AS SSD
Как и в прошлый раз, выберем паттерн размером в 1 ГБ, принимая во внимание, что иной информации об этом «черном ящике» у нас нет
Рис 1. Одна из итераций тестирования накопителя Intel SSDSC2BB120G6 утилитой AS SSD
Как и ранее, стабильность результатов AS SSD будет обеспечивать троекратное повторение тестов; их сведем в таблицу, где каждая ячейка — скорость копирования в МБ/сек.
Таблица 1а
Испытание | Read №1 | Read №2 | Read №3 | Среднее | Погрешность | В %% |
Seq | 425,66 | 421,39 | 421,62 | 422,89 | 1,85 | 0,44% |
4K | 22,08 | 24,43 | 22,60 | 23,04 | 0,93 | 4,03% |
4K-64 Thrd | 253,03 | 254,14 | 254,14 | 253,77 | 0,49 | 0,19% |
Таблица 1б
Испытание | Write №1 | Write №2 | Write №3 | Среднее | Погрешность | В %% |
Seq | 141,25 | 141,03 | 141,53 | 141,27 | 0,17 | 0,12% |
4K | 71,71 | 71,39 | 68,89 | 70,66 | 1,18 | 1,67% |
4K-64 Thrd | 104,25 | 104,47 | 104,03 | 104,25 | 0,15 | 0,14% |
Сравнивая полученные данные с результатами утилиты NIOBench, запущенной в асинхронном режиме неблокирующего ввода-вывода, несложно понять, что расхождения на порядок, о которых сказано в главе «Проблемы бенчмаркинга» не заставили себя ждать. Посему стоит сравнивать скорость чтения и записи в AS SSD с синхронными режимами.
Рис 2. Коллаж результатов, полученных в процессе тестирования SSD-накопителя
утилитой NIOBench в синхронных режимах
Из предыдущей публикации следует, что контроллер SSD-накопителя Intel SSDSC2BB120G6 не реагирует на контент паттерна. Ему все равно с какими данными оперирует тест: с файлами, заполненными нулями, или со случайными данными, полученными с помощью аппаратной рандомизации. Это к вопросу, почему во всех испытаниях используется параметр Hardware RNG.
Утилита NIOBench v0.42 допускает использовать следующие опции по управлению записью (напомним, процедуры чтения и записи выполняются исключительно средствами java-фреймворка NIO):
- Synchronize write+copy — принудительная синхронизация сохраняемых файлов для бенчмарок записи и копирования, то есть для всех видов записи на диск.
- Synchronize write — принудительная синхронизация сохраняемых файлов для бенчмарок записи; бенчмарки копирования выполняются в режиме по умолчанию — с разрешением отложенной записи.
- Synchronize+sparse — этот режим подобен Synchronize write+copy, но при открытии файлов добавляется атрибут SPARSE, сообщающий процедурам обслуживания файловой системы, что данный файл планируется использовать для хранения разреженных (что также означает — хорошо сжимаемых) данных.
Результаты неблокирующего ввода-вывода во всех синхронных режимах также представим в табличном виде.
Таблица 2
Испытание | Synchronize write+copy |
Synchronize write |
Synchronize +sparse |
Среднее | Погрешность | В %% |
Read | 358,71 | 343,70 | 367,84 | 356,75 | 8,70 | 2,44% |
Write | 139,80 | 138,78 | 138,95 |
139,18 |
0,71 | 0,29% |
Серьезные риски
Чем больше емкость носителя, тем больше информации различного рода может храниться в нем, но тем выше вероятность потери большего объема данных в случае выхода его из строя. К примеру, потеря одного полностью заполненного SSD на 16 ТБ приведет к утрате аналогичного объема данных. При этом, если использовать четыре драйва по 4 ТБ каждый, то в сумме получится аналогичный объем, но выход из строя одного SSD повлечет за собой гораздо меньшие потери, в том числе и финансовые.
Вне зависимости от форм-фактора, сверхъемкие SSD и винчестеры могут сыграть с владельцем очень злую шутку
Рост надежности современных накопителей по сравнению с жесткими дисками и SSD 10-летней давности очевиден, но даже они не застрахованы от заводского брака, значительных перепадов напряжения, ненадлежащего охлаждения или неаккуратного обращения.
Как происходит процесс записи данных
Сердце HDD — вращающиеся пластины, как правило, из металла или керамики. Запись происходит на тонкий внешний металлический слой этих пластин. Головка HDD движется над поверхностью пластин и намагничивает или размагничивает определенные секторы. Таким образом, процесс записи — это процесс намагничивания/размагничивания.
Для процесса записи данных неважно, была ранее записана на нем информация или нет. Диску все равно: запись проходит одинаково в любом случае
Особенность записи данных для твердотельного накопителя
В SSD-диске вместо вращающихся пластин применяются микросхемы памяти. Твердотельный накопитель — это фактически большая флешка.
По сравнению с HDD запись (и перезапись) данных на диски SSD имеет ряд особенностей.
Для процесса записи имеет значение, есть на данный момент информация на диске или нет. Когда в ячейке памяти имеются ранее записанные данные, сначала происходит их удаление, а только потом запись новых. То есть процесс записи проходит в 2 этапа: сначала удаление старых данных, а потом внесение новых.
Срок жизни SSD на сто процентов определяется количеством циклов перезаписи, то есть зависит от того, сколько раз можно записать и удалить информацию с диска. Количество циклов перезаписи имеет свой предел. Каждый цикл сокращает срок службы ячейки памяти, и, если превысить некую границу, ячейка умирает. Что-либо записать на нее становится невозможно. Однако накопитель сможет прожить дольше. Продление времени жизни диска возможно только за счет увеличения количества циклов.
Ячейки памяти объединены в блоки. Тонкость в том, что запись данных можно проводить в каждой ячейке по отдельности, а удалять можно только блок целиком. И, если надо изменить только одну ячейку из блока, приходится совершать несколько дополнительных действий: перенести все данные в другое место, стереть блок и только потом вернуть на место блок и измененную ячейку. В результате происходит увеличение циклов перезаписи на каждое изменение информации в SSD. Это еще больше сокращает ресурс SSD-устройства. Такое явление получило название Write Amplification. Минус его в том, что перезаписывает несколько раз одну и ту же информацию.
Поэтому стоит задача как увеличить срок службы SSD, так и сохранить преимущество в скорости. Поскольку надежность накопителя определяется количеством циклов перезаписи, возникает задача оценки продолжительности жизни SSD-диска. Для этого указывается такой параметр, как TBW (Total Bytes Written). Он показывает, какой максимальный объем информации можно гарантированно записать на диск. Оценивать TBW принято в терабайтах (Тб). Так, значение 150 TBW указывает, что на диск можно гарантированно записать 150 терабайт информации. Превышение этого значения надежную работу накопителя не гарантирует.
У дисков разных производителей это значение отличается. Например, у SSD Kingston HyperX 120 Gb этот параметр составляет 354 TBW. У SSD OCZ Trion 100 240 Gb — 60 TBW. Диск Crucial MX 100 — 72 TBW.
Тесты показывают, что просмотр изображений или документов не влияет на запись данных. Это чтение данных. Только изменение документов или копирование файлов влечет за собой процесс записи на диск.
Участники тестирования
ADATA SSD S511 120 ГБ (AS511S3-120GM)
ADATA AS511S3-120GM-C
SSD накопители на
Уведомить о появлении в продаже
Первый же участник данного тестирования сочетает в себе отборные компоненты: контроллер SF-2281 и высокоскоростную синхронную память ONFI 2.2. К сожалению, производитель предоставил нам только модель емкостью 120 ГБ, потому проиллюстрировать разницу в скорости, обеспечиваемую 4-way interleaving при прочих равных условиях, нам не удастся. Впрочем, это не слишком снижает привлекательность накопителя ADATA – кроме использования мощного контроллера и скоростной флеш-памяти, он может похвастаться довольно привлекательной ценой.
Intel SSD 320 300 ГБ (SSDSA2BW300G3)
Этот твердотельный накопитель – последователь фактического родоначальника всех SSD для рынка настольных ПК и относится к начальному сегменту. В его основе лежит доминировавший в былые годы (до появления даже первого поколения Sandforce) контроллер Intel, на котором ранее базировались накопители Intel X25-M G2. Судя по заявленным характеристикам (скорость чтения – 270 МБ/c, записи – 205 МБ/c), Intel 320 не сможет потягаться с конкурентами на базе Sandforce. Впрочем, его позиционирование на компьютеры с интерфейсом SATA-II и высокая емкость, безусловно, имеют свою привлекательность для определенной категории потребителей. Intel 320 оснащается 25-нанометровой асинхронной памятью NAND ONFI 1.1.
Intel SSD 520 240 ГБ (SSDSC2CW240A3)
Intel 520 Series SSDSC2CW240A3K5
SSD накопители на
Уведомить о появлении в продаже
В отличие от младшего брата, Intel 520 разработан без компромиссов: он базируется на Sandforce SF-2281 и синхронной памяти ONFI 2.2. Отметим также, что Intel серьезно озаботилась надежностью и стабильностью этой серии: она была выпущена в продажу значительно позже, чем ожидалось, поскольку Sandforce потребовалось неожиданно много времени на устранение ошибок прошивки, вызывавших BSOD. В Intel 520 не используется фирменная технология Sandforce RAISE (Redundant Array of Independent Silicon Elements), позволяющая выделить один кристалл NAND для целей исправления ошибок чтения данных по принципу, аналогичному RAID для жестких дисков. Вместо этого Intel выделила этот кристалл в качестве дополнительного пространства (емкостью 8 ГБ) для выравнивания износа ячеек и фоновой «чистки мусора». Это должно, в частности, снизить эффект от засорения SSD по мере его использования и уменьшить падение производительности.
Для мониторинга и обслуживания своих твердотельных накопителей компания Intel предлагает специальную утилиту SSD Toolbox. Она позволяет проверить состояние SSD посредством SMART, провести быстрое либо полное сканирование накопителя, оптимизировать ОС для работы с SSD (настроить службы SuperFetch и Prefetch, отключить дефрагментацию и т.п.).
Кроме того SSD Toolbox имеет две очень востребованные среди пользователей твердотельных накопителей функции: под именем SSD Optimizer скрывается принудительная отправка накопителю команды TRIM, инициирующей очистку уже неиспользуемых, но занятых данными ячеек, а также доступна команда Secure Erase, обеспечивающая полное стирание SSD и возвращение его к исходной производительности.
Также SSD Toolbox позволяет следить за обновлениями прошивок для накопителей и, в случае появления свежих версий, загружать и устанавливать их.
Kingston HyperX SSD 240 ГБ (SH100S3/240G)
HyperX SH100S3/240G
SSD накопители на
Уведомить о появлении в продаже
Суперкар среди твердотельных накопителей. Эта модель сочетает в себе не только мощный контроллер Sandforce SF-2281 и синхронную 25-нанометровую память NAND, но и сверхпроизводительную прошивку, обеспечивающую до 95000 IOPS в режиме случайного чтения блоками по 4 КБ (для сравнения, конкуренты чаще всего заявляют около 80000 IOPS). Как и Intel 520, этот SSD сможет сполна воспользоваться преимуществами четырехкратного чередования, о котором мы говорили выше. В комплекте поставки покупатель найдет не только SSD, но и крепежную рамку для установки в 3.5” отсек корпуса и даже отвертку для этих целей.
Verbatim SATA-III SSD 240 ГБ (3SSD240)
Verbatim 47379
SSD накопители на
Уведомить о появлении в продаже
Фирмы-производители
У многих компаний бывают как удачные, так и неудачные модели устройств, но некоторые из них за прошедшие годы успели определенным образом зарекомендовать себя среди пользователей. Приведем несколько примеров.
Samsung
Корейская корпорация считается одним из лучших в мире производителей твердотельных накопителей: они используют собственные разработки и часто первыми внедряют инновации, например, трехмерную флеш-память с повышенным числом слоев. Среднее время жизни SSD диска Samsung в большинстве случаев на практике значительно превышает заявленное производителем. Единственный недостаток устройств под этим брендом – их довольно высокая стоимость.
Kingston
В свое время эта компания завоевала уважение потребителей недорогой, и при этом качественной оперативной памятью, а теперь выпускает также SSD, флешки и карты памяти различных форматов. Продукция Кингстон выделяется на рынке сочетанием отличных технических характеристик, высокой надежности и приемлемой стоимости.
Western Digital
WD славится в первую очередь своими жесткими дисками, но в последние несколько лет начала выпускать и твердотельные накопители. В ассортименте есть как продвинутые модели с повышенными скоростью и надежностью, так и более бюджетные компромиссные варианты.
Crucial
У SSD этой фирмы примерно такая же репутация, как у продукции Kingston – среди них немало «народных» моделей с привлекательным соотношением цены, надежности и производительности.
Дата-центры под угрозой
Винчестеры и твердотельные накопители увеличенного объема чаще всего актуальны для центров обработки данных, хотя нередки и случаи их использования в частных файловых серверах или непосредственно в компьютерах. ЦОДы, с точки зрения частоты использования информации, условно состоят из трех уровней: на самом нижнем, в так называемом «холодном» хранилище, располагаются данные, доступ к которым осуществляется нечасто. Как правило, на этом уровне информация хранится на классических винчестерах, не отличающихся высокой скоростью чтения и записи. В этом случае поломка одного HDD, даже при наличии резервной копии данных из его памяти, затребует значительного количества времени на восстановление, но в целом может остаться незаметной для конечных пользователей.
На втором уровне, именуемом «теплым» хранилищем, располагается более востребованная информация – он чаще всего используется в качестве хранилища кешированных данных с нижнего уровня. Здесь выход из строя накопителя уже отразится на скорости доступа к информации, так как до замены носителя ее придется «подтягивать» с медленных винчестеров, но в целом работоспособность сегмента ЦОД сохранится.
Грузовые дроны и воздушные такси: какой будет Москва будущего
Инновации и стартапы
Верхний и наиболее востребованный пользователями уровень, «горячее» хранилище, уже не терпит поломки носителей информации, так как обмен данными здесь осуществляется на очень высоких скоростях. Времени на замену емкого накопителя и наполнение его копией данных с почившего предшественника здесь зачастую попросту нет.
Для примера, восстановление информации даже на стандартный 8-терабайтный SSD-драйв с интерфейсом SATA III при скорости записи на уровне 500 МБ/с (идеальные условия) затребует порядка 4,5 часа. Аналогичная работа с SSD на 16 ТБ затребует вдвое большего количества времени.
Подведем итоги
Как и в тестирования, результаты чтения и записи демонстрируют «кучность» в каждой из тестовых сред и релевантность результатов, полученных различным способом.
Тест чтения SSD-накопителя
Утилита AS SSD продемонстрировала лучшие результаты в производительности Sequentional Read (последовательного чтения) с твердотельного носителя, что, скорее всего, можно объяснить различием в стратегии работы с дисковым кэшем, а точнее методах нивелирования его влияния на результаты бенчмарок. Низкоуровневый тест AS SSD, лишенный java-прослойки, не ограничен в управлении опциями ОС API.
Логично предположить, что для работы с данными на mass storage устройстве в обход буферизации этот тест устанавливает битовый флаг FILE_FLAG_NO_BUFFERING во входных параметрах функции создания файла, либо использует другой подобный механизм, не прибегая к подавлению кэша методом его переполнения.
Утилита NIOBench, действуя в рамках фреймворка java.NIO ограничена в методах воздействия на опции ОС API, поэтому, арсенал средств управления поведением ОС несколько скромнее, очистка кэша выполняется путем его переполнения, в частности копированием больших объемов данных. В этой ситуации кэшированная информация вытесняется, а накладные расходы, связанные с кэшированием, «не окупившись» в виде ускорения доступа, привели к снижению производительности. Такой сценарий, связанный с переполнением кэша, достаточно распространен в реальных приложениях.
Кажущееся отклонение от регулярности в методике испытаний NIOBench нивелируется удовлетворительной достоверностью результатов, когда погрешность не выходит за рамки 2,44%, что наблюдается и при 4K-чтении AS SSD и косвенно подтверждается в режиме съема бенчмарок записи данных на SSD-устройство.
Тест записи SSD-накопителя
Очевидна корреляция последовательной записи в AS SSD с аналогичной операцией NIOBench с небольшой разницей в постоянную составляющую, заметно меньшую, чем при чтении (около 2 МБ/сек против 55 МБ/сек)
Результат закономерен, если принять во внимание, что в случае записи в арсенале NIOBench есть опция DSYNC (Data Synchronize), соответствующая нативному флагу FILE_FLAG_WRITE_THROUGH. Из этого неопровержимо следует, что кэширование записи выключается, и, в отличие от чтения, нет необходимости искать сценарии переполнения кэш-памяти и нести накладные расходы по ее обслуживанию