Silicon Motion SM2256 | Введение и спецификации
Достижения в технологиях коррекции ошибок контроллеров позволяют производителям SSD использовать дешевую флэш-память в бюджетных твердотельных накопителях, а также противостоять современным технологическим вызовам. Ведь с утончением техпроцесса уменьшается количество номинальных циклов записи/стирания (P/E). Кроме того, на числе циклов сказывается переход на новый тип флэш-памяти, которая способена хранить по три бита на ячейку вместо двух.
На протяжении нескольких лет мы имели дело с NAND-ячейками, рассчитанными на 5000 циклов. Потом нормой стало 3000 циклов. В сегодняшних бюджетных потребительских SSD начинает встречаться флэш-память, рассчитанная на 1000 циклов. Скоро она уступит место памяти с 500 циклами, которая сегодня используется во флэшках.
Насколько мы можем судить, каждый производитель контроллеров для SSD стремится продлить срок службы флэш-памяти с низкой выносливостью. У всех есть свой “секретный ингредиент” и раскрученная торговая марка. Вместе с проприетарным программным обеспечением используется код с малой плотностью проверок на четность (LDPC), который требует очень мало дополнительного места для хранения данных для коррекции ошибок, оставляя пользователям больше свободного пространства на накопителе. Код ECC следующего поколения от Silicon Motion для твердотельных накопителей называется NANDXtend.
Большинство современных накопителей использует для исправления ошибок в битах код BCH. Производители контроллеров также добавляют собственные методы для улучшения технологии. Когда бит читается с ошибкой, контроллер выполняет так называемое повторное чтение, что добавляет задержку и немного увеличивает энергопотребление.
Технология коррекции ошибок нового поколения является более совершенной. Не всегда нужно перечитывать весь большой блок ради одного бита. Если перечитывать блоки целиком, то заметно увеличится задержка, а энергопотребление покажется не таким уж и низким. NANDXtend от Silicon Motion – это трехуровневый алгоритм проверки и восстановления данных, прогон через который позволяет исправить большее количество ошибок.
Один из уровней защиты данных называется RAID Data Recovery. Он не потребует значительного резервирования пространства на накопителе для своей реализации. По данным разработчика, для его функционирования нужно всего 0,1% доступной емкости накопителя.
Собственный тест Silicon Motion при температуре 120 градусов Цельсия, необходимой для ускорения процесса деградации, показал трехкратный прирост выносливости.
В конечном итоге производители SSD могут использовать более дешевую флэш-память с пониженной выносливостью, но при этом сохранить гарантированный объем записи данных на накопитель в день, которое мы имеем сегодня.
Четырехканальный контроллер SSD Silicon Motion SM2256
Важно понимать, что Silicon Motion не делает твердотельные накопители для потребительского рынка. Компания производит контроллеры, прошивки и эталонные накопители, чтобы такие компании, как Intel, Crucial и Corsair могли на их основе создать конечный продукт, который и будет продаваться в магазинах. Контроллер Silicon Motion SM2246EN имел ряд конструктивных преимуществ и совершил прорыв для своего времени. Недавно компания Crucial выпустила серию продуктов BX100 с контроллером SM2246EN, также свою модель представила фирма SanDisk. Напомним, что раньше эти компании сотрудничали с Marvell.
| Характеристики контроллера Silicon Motion SM2256 | |
| Ультра высокая производительность | Полная поддержка NAND флеш-памяти |
| Скорость последовательного чтения: 524 Мбайт/с | 1x/1y/1z нанометровые ячейки TLC/MLC от всех ведущих производителей NAND-памяти |
| Скорость последовательной записи: 400 Мбайт/с | Расширяемость до поддержки 3D NAND-ячеек |
| Скорость произвольного чтения: 90000 IOPS | Поддержка NAND флеш-памяти |
| Скорость произвольной записи: 70000 IOPS | Поддерживает ONFI 3.0, Toggle 2.0 и асинхронный интерфейсы |
| Хост-интерфейс | Поддерживает Flash I/O 1,8 В/3,3 В |
| Соответствует промышленному стандарту SATA версии 3.1 | Поддерживает страницы размером 8 и 16 Кбайт |
| Соответствует промышленному стандарту ATA/ATAPI-8 и команде ACS-3 | Поддерживает работу в режиме 1-plane, 2-plane и 4-plane |
| Поддерживает интерфейс SATA 6 Гбит/с (обратная совместимость с до 1,5 Гбит/с и 3 Гбит/с) | Четырехканальный интерфейс флеш-памяти поддерживает до 32 NAND-флеш устройств |
| Родная поддержка очередности до 32 команд | Интерфейс DRAM |
| Поддерживает режим сна устройства SATA (DevSleep) | Интерфейс DRAM шириной 15 бит |
| Команды управления данными (TRIM) | Поддерживает DDR3/DDR3L |
| Технология самоконтроля, анализа и отчетности (S.M.A.R.T) | Архитектура |
| Поддерживает режим PHY Sleep (CFast PHYSLP) | 32-битный CPU RISC |
| Поддерживает режимы LBA (логическая адресация блоков) 25 и 48 бит | Высокоэффективная 34-битная системная шина |
| Защита данных и надежность | Механизмы автоматического сна и пробуждения для экономии энергии |
| Поддерживает функции безопасности ATA8 | Встроенные датчики напряжения для защиты от сбоя системы питания |
| Поддерживает безопасное удаление данных и быструю очистку | Встроенный сброс при подаче питания и регулятор напряжения |
| Проприетраная технология коррекции ошибок и защиты данных NANDXtend утраивает количество циклов программирования/стирания на SSD с памятью TLC | Встроенный датчик температуры для определения температура SSD |
| Внутренняя техника формирования данных повышает выносливость данных | Поддерживает интерфейсы JTAG, UART (RS-232) и I2C для отладки системы |
| Опция программной/аппаратной защиты записи | |
| Технология StaticDataRefresh гарантирует целостность данных | |
| Алгоритм глобального выравнивания износа выравнивает число циклов программирования/стирания и увеличивает срок службы SSD | |
В маркетинговых материалах Silicon Motion указываются характеристики производительности, полученные на накопителе с памятью Toshiba A19 TLC. Однако в наших руках оказалась другая конфигурация: контроллер Silicon Motion SM2256 с памятью TLC 19 нм от Samsung. Такая же NAND-память используется в SSD Samsung 840 EVO.
Silicon Motion SM2256 | Посмотрим поближе
Производители SSD, сотрудничающие с Silicon Motion, могут использовать референсный дизайн платы или создать свой собственный.
 |
На выставке CES 2015 мы видели три прототипа на базе Silicon Motion SM2256, так сказать, из первых рук. На данный момент Silicon Motion адаптирует контроллер к трем типам флэш-памяти TLC. Сегодня мы рассмотрим образец с 19 нм TLC-памятью от Samsung. Компания также продемонстрировала варианты Silicon Motion SM2256 с памятью Toshiba A19 TLC и SK Hynix 1x нм второго поколения.
 |
Сегодняшний тест – это уже наша вторая встреча с Silicon Motion SM2256. На форуме Flash Memory Summit в прошлом году нам удалось заполучить на сутки SSD с этим контроллером, где была установлена память Toshiba A19 TLC. Но нынешняя 19-нанометровая TLC-память Samsung немного быстрее той, да и версия контроллера более свежая.
 |
Silicon Motion SM2256 | Четырехстороннее тестирование производительности
SSD тестировать сложнее, чем механические жесткие диски. Задачи, выполняемые на накопителе перед самим тестом, окажут влияние на его результаты. Чтобы провести настоящее прямое сравнение продуктов, должен соблюдаться строгий порядок действий. Результаты некоторых накопителей также сильно зависят от типа данных (сжимаемые или несжимаемые).
Дополнительную информацию о тестировании накопителей можно найти в статье “Как мы тестируем HDD и SSD”. Процедура четырехстороннего тестирования описана в этом разделе.
Скорость последовательного чтения блоками 128 Кбайт, Мбайт/с (больше – лучше)
В тесте последовательного чтения SMI Silicon Motion SM2256 на удивление быстро достигает верхнего предела производительности интерфейса SATA 6 Гбит/с. SM2246 уже используется в некоторых накопителях доступных для потребителей, он демонстрирует аналогично высокую производительность при малой глубине очереди.
Скорость последовательного чтения блоками 128 Кбайт, глубина очереди = 2, Мбайт/с (больше – лучше)
При глубине очереди, равной двум командам, наш образец с контроллером Silicon Motion SM2256 и памятью Samsung немного отстает от Samsung 850 Pro и SanDisk Extreme Pro, при условии одинаковой емкости накопителей.
Скорость последовательной записи блоками 128 Кбайт, Мбайт/с (больше – лучше)
Забегая вперед, отметим, что основные различия между бюджетными и высокопроизводительными накопителями раскрываются в операциях записи. Большинство компаний уже поставляет более дешевые накопители с чипами по 128 Гбит, так что на каждой ИС размещается в два раза больше данных, в то время как в высокопроизводительных SSD используются чипы меньшей емкости. Почему так? Чем выше емкость одного чипа памяти, тем меньше чипов доступно для распараллеливания операций чтения и записи. Если коротко, чем больше чипов, на которые производиться запись, тем быстрее она выполняется.
Скорость последовательной записи блоками 128 Кбайт, глубина очереди = 2, Мбайт/с (больше – лучше)
Контроллер Silicon Motion SM2256 является четырехканальным, и это само по себе является недостатком по сравнению с восьмиканальными решениями. По этой причине наш образец находится ближе к концу списка.
Скорость произвольных операций чтения блоками 4 Кбайт
Произвольное чтение, IOPS (больше – лучше)
Произвольное чтение, низкая глубина очереди, IOPS (больше – лучше)
Произвольное чтение, высокая глубина очереди, IOPS (больше – лучше)
По измерениям скорости произвольного чтения Silicon Motion SM2256 оказался позади многих современных накопителей. Но гораздо интереснее, что будет, когда интенсивность повторного чтения ближе к концу жизненного цикла накопителя возрастет. Владельцы Samsung 840 EVO уже столкнулись с этими проблемами, несмотря на предполагаемые исправления в прошивке SSD. Вот почему технология LDPC так важна для будущего недорогих SSD.
Скорость произвольных операций записи блоками 4 Кбайт
Произвольная запись, IOPS (больше – лучше)
Произвольная запись, низкая глубина очереди, IOPS (больше – лучше)
Произвольная запись, высокая глубина очереди, IOPS (больше – лучше)
По результатам тестов скорости произвольных операций записи наш образец снова оказался ближе к концу списка.
Silicon Motion SM2256 | Тестирование в смешанных задачах и в устойчивом состоянии
Тестирование с помощью задач смешанного типа дает более полезную информацию о возможностях SSD в условиях многозадачности и выполнения фоновых программ.
Процедура тестирования в смешанных задачах и в устойчивом состоянии подробно описана в статье “Как мы тестируем HDD и SSD”.
Смешанные последовательные операции (80% чтения, 20% записи) блоками 128 Кбайт, Мбайт/с (больше – лучше)
Наши новые тесты со смешанными задачами показывают скорость накопителей на разных глубинах очереди при 80% операций чтения и 20% операций записи. Silicon Motion SM2256 здесь не блещет, но все же он смог обогнать SSD SanDisk Ultra II (недорогой SSD от SanDisk с флэш-памятью по три бита на ячейку).
Смешанные произвольные операции (80% чтения, 20% записи) блоками 4 Кбайт, IOPS (больше – лучше)
С добавлением в тесты произвольных данных образец Silicon Motion SM2256 отыгрывает несколько позиций.
Смешанные задачи: последовательные операции в устойчивом состоянии, Мбайт/с (больше – лучше)
Смешанные задачи: последовательные операции в устойчивом состоянии, чтение 80%, Мбайт/с (больше – лучше)
Этот набор тестов служит типичным примером смешанных задач с последовательным доступом в устойчивом состоянии накопителя. Такие результаты можно наблюдать, например, после нескольких часов редактировании больших видеофайлов, а затем выполнения рендеринга на том же диске. Большинство пользователей не дает такие нагрузки на накопитель.
4 Кбайт, устойчивое состояние, IOPS (больше – лучше)
Мы не ожидали увидеть настолько огромные скачки и проседания скорости. Silicon Motion SM2256 занимает всю высоту графика. Его скорость произвольных операций блоками по 4 Кбайт в устойчивом состоянии колеблется больше, чем у любого другого протестированного в наших лабораториях SSD.
4 Кбайт, устойчивое состояние, последние сто блоков данных, IOPS (больше – лучше)
Этот график иллюстрирует последние 100 секунд нашего теста. Повторимся, что тестирование в устойчивом состоянии значительно отличается от типичных сценариев использования накопителя, но оно дает хорошее представление о том, насколько хорошо продукт может работать в среде RAID. На графике мы хотим видеть прямые линии, без резких скачков и падений. Однако образец SSD от Silicon Motion показал противоположную картину, когда мы загружали его операциями записи блоками по 4 Кбайт в течение нескольких часов.
Silicon Motion SM2256 | PCMark 8 – реальные приложения
Это наш первый набор тестов с реальными приложениями, которые покажут различия между SSD-накопителями в условиях реальных задач, а не синтетических бенчмарков. Самый большой прирост скорости вы увидите при замене механического жесткого диска на SSD. Разница между различными SSD в обычных пользовательских задачах довольно мала, главное, чтобы накопитель был надежным.
Процедура тестирования в реальных приложениях PCMark 8 подробно описана в статье “Как мы тестируем HDD и SSD”.
Время обслуживания
Игры, время обслуживания (меньше – лучше)
Adobe Photoshop, время обслуживания (меньше – лучше)
Adobe Software, время обслуживания (меньше – лучше)
Microsoft Software, время обслуживания (меньше – лучше)
В большинстве задач разница в скорости работы SSD с интерфейсом SATA измеряется в десятых долях секунды.
Общая пропускная способность, Мбайт/с (больше – лучше)
Эта диаграмма сочетает полученные выше результаты и среднее значение пропускной способности. Внезапно небольшие различия в отдельных тестах после суммирования дают существенные разбежки даже в реальных задачах.
Silicon Motion SM2256 | PCMark 8 – расширенные тесты
Futuremark создала, по нашему мнению, лучший бенчмарк для SSD. Он имеет как тяжелые, так и легкие режимы нагрузки. Расширенные тесты запускаются из командной строки, предварительно подготавливая накопители перед имитацией тяжелых нагрузок. После достижения устойчивого состояния между каждым тестом вставляются пятиминутные интервалы простоя, позволяющие испытуемому устройству восстановиться с помощью фоновых операций, таких как уборка мусора, TRIM и выравнивания износа. Такая последовательность имитирует типичные пользовательские задачи, с которыми накопители сталкиваются каждый день.
Процедура расширенного тестирования PCMark 8 подробно описана в статье “Как мы тестируем HDD и SSD”.
Пропускная способность
Итоговая пропускная способность, Мбайт/с (больше – лучше)
График итоговой пропускной способности иллюстрирует производительность во всех состояниях: от фаз интенсивной эксплуатации и до периодов восстановления и иллюстрирует поведение накопителя в типичных сценариях использования.
Пропускная способность в тяжелых задачах, Мбайт/с (больше – лучше)
При обработке тяжелых задач, характерных для рабочих станций, Silicon Motion SM2256 оказался в самом низу графика. Но не будем забывать, что SSD с контроллером Silicon Motion SM2256 не предназначены для полупрофессионального использования. Но тест все же интересный, поскольку он часто выявляет слабые стороны, на первый взгляд, мощных решений.
Пропускная способность в простых задачах, Мбайт/с (больше – лучше)
Эти результаты более актуальны для обычных систем, поскольку для имитации пользовательских задач добавлены периоды простоя. Как вы можете видеть, Silicon Motion SM2256 здесь справляется гораздо лучше, чем в тесте устойчивого состояния. Тем не менее, он медленнее многих других SSD, представленных сегодня на рынке.
Время задержки
Итоговая задержка, секунды (меньше – лучше)
Для нас тесты задержки важнее, чем результаты пропускной способности. Обычные пользователи редко наблюдают за длительным копированием файлов и задумываются, с какой скоростью оно выполняется. А вот отзывчивость накопителя ощущается гораздо острее. Как только приложение, веб-страница или файл открываются дольше, чем обычно, мы сразу замечаем, что что-то не так.
Задержка в тяжелых задачах, секунды (меньше – лучше)
Именно низкая задержка дает ощущение быстрой работы компьютера, поэтому лучше, чтобы линии на графике были как можно ближе к оси X. Тестирование выполняется в устойчивом состоянии, которое большинство пользователей на своих SSD не увидит.
Задержка в простых задачах, секунды (меньше – лучше)
Тест пользовательских задач Futuremark показывает, что у опытного образца Silicon Motion SM2256 задержки выше, чем у популярных на рынке SSD. Оптимизация стабильности и управления питанием обычно делается разработчиками в конце цикла создания прошивки. Учитывая это, осуждать Silicon Motion SM2256 пока рано. Чтобы вынести окончательный приговор, нужно дождаться розничных продуктов на базе этого контроллера.
Silicon Motion SM2256 | Подводим итоги
Общее мнение о флэш-памяти с тремя битами на ячейку за последние несколько месяцев изменилось. Мы пока умалчиваем о проблеме деградации производительности в Samsung 840 EVO, но нам кажется, что вряд ли удастся вернуть скорость без снижения уровня выносливости ниже гарантированного стандарта. Для исправления ситуации Samsung представила обновленную прошивку и утилиту, которая читала и перезаписывала информацию на накопителе, перемещая на новое место статичные данные. Процесс выравнивания износа является фоновым и происходит незаметно для пользователя. Если большого числа операций по выравниванию избегать, то это приведет к росту операций усиления записи. В течение жизни накопителя 1 Гбайт флэш-памяти, содержащий статичные данные, может перезаписываться множество раз. Чтобы сократить количество операций усиления записи, требуются такие технологии, как LDPC. Samsung не уточняет, используется ли в Samsung 840 EVO технология DCH или LDPC, но мы знаем, что есть проблема, которую Samsung впервые не смогла исправить. Мы убеждены, что низкая скорость чтения является следствием повторного чтения данных. С каждой неудачной попыткой доступа к данным задержка увеличивается.
Нам известно, какие проблемы могут возникнуть в будущем из-за уменьшения техпроцесса при производстве флэш-памяти, и пока еще есть время понять, как ограничить их влияние на пользовательский опыт. В данный момент начинается гонка по разработке и внедрению на рынок контроллеров, которые смогут сгладить недостатки от эффекта повторного чтения. В течение следующего года множество новостей будет связано с технологией LDPC, используемой для увеличения срока службы недорогих SSD с памятью TLC NAND.
После внедрения подобных технологий в розничные продукты затраты пользователей на твердотельные накопители будут снижаться. Стоимость многих моделей SSD емкостью 256 Гбайт уже снизилась в среднем до $100, но в течение следующих шести месяцев эта цифра, скорее всего, будет снижаться еще стремительнее. На подходе SSD на 256 Гбайт за $50. Оправдается ли наш прогноз, мы узнаем на выставке Computex, которая будет проходить в июне.
Сменив всего одно поколение продуктов, компания Silicon Motion прошла путь от сотрудничества с производителями третьего эшелона, такими как PNY и Angelbird, до брендов первого уровня, таких как Crucial и SanDisk. SM2246EN – это отличный четырехканальный контроллер начального уровня, который сумел превзойти наши ожидания в плане производительности и энергопотребления. Неудивительно, что ведущие производители SSD выпускают продукты на базе SM2246EN. Сложившиеся отношения с Silicon Motion должно помочь с разработкой накопителей, использующих контроллер Silicon Motion SM2256, который мы протестировали сегодня.
В активе поставщиков памяти SK Hynix, Micron и Toshiba уже есть флэш-память с тремя битами на ячейку, но у производителей SSD пока нет доступа к сторонним контроллерам с обновленной технологией LDPC, призванной решить проблемы с выносливостью. Как только Silicon Motion подготовит Silicon Motion SM2256 к серийному производству, нас ждет лавина анонсов новых продуктов.
