La dernière mise à jour majeure de notre suite de référence SSD grand public a été introduite en 2017. Beaucoup de choses ont changé sur le marché des SSD au cours des dernières années, et nos méthodes de test SSD doivent changer en réponse à ces tendances. Les SSD en général sont de plus en plus complexes, il existe donc de plus en plus de façons pour que les benchmarks finissent par être trompeurs ou irréalistes. Cela peut être un accident ou dans le cadre d’une stratégie de relations publiques délibérée pour masquer la performance du monde réel derrière une métrique unifiée sacrée.

La nature du matériel de test a également changé, en particulier à la lumière de la nécessité de prendre en charge les dernières technologies telles que PCIe 4.0.Nous trouvons également pertinent de ressembler plus étroitement aux types de matériel que nos lecteurs sont désormais susceptibles d’utiliser. Cet article présente la nouvelle édition 2021 de notre suite de tests SSD grand public. Il couvre les objectifs et la justification des choix de conception, les configurations matérielles et logicielles utilisées, ainsi que les détails de chaque référence et son objectif. Nous espérons que cette nouvelle suite de tests conviendra pour les prochaines années d’examen des SSD.

Analyse comparative des SSD: l’héritage AnandTech

Pour commencer, nous devons revoir un peu le fonctionnement des SSD. Les articles classiques d’Anand de 2009, tels que The SSD Anthology et The SSD Relapse, documentent bon nombre des premiers défis que les SSD ont dû surmonter pour devenir la technologie de stockage grand public grand public. Plus d’une décennie plus tard, ces articles constituent toujours des informations de base précieuses sur le fonctionnement des disques SSD actuels. Tous les défis fondamentaux liés à la gestion de la mémoire flash NAND s’appliquent toujours: l’incapacité de modifier sur place les données stockées dans la mémoire flash NAND, la disparité entre les tailles de page NAND et les tailles de bloc d’effacement, la nécessité de niveler l’usure et les baisses de performances qui en résultent quand un lecteur est plein sont toujours pertinents. Les SSD d’aujourd’hui sont beaucoup plus gros, plus rapides et moins chers, mais leurs contrôleurs et leur micrologiciel doivent encore faire face à ces problèmes. Les disques SSD actuels présentent également des défis supplémentaires qui rendent leur fonctionnement interne encore plus compliqué et nécessitent des tests plus sophistiqués pour être correctement évalués.


Quelqu’un se souvient-il du X25-M d’Intel, utilisant 50 nm NAND?

Lorsque j’ai commencé à examiner les SSD pour AnandTech en 2015, TLC NAND et NVMe commençaient à peine à s’introduire sur le marché grand public: TLC au bas de gamme et NVMe au haut de gamme. Les deux ont maintenant pris le relais: MLC a pratiquement disparu du marché et NVMe est le choix par défaut pour les nouveaux systèmes. (Dans le dernier appel sur les résultats de Micron, ils ont déclaré que les expéditions de SSD de leurs clients représentaient désormais plus de 90% de NVMe en nombre de bits expédiés.) Les performances plus élevées autorisées par PCIe et NVMe plutôt que par SATA font des différences étonnantes dans les scores de référence, mais la migration vers TLC était en fait plus important du point de vue de la conception de référence. En effet, les SSD TLC grand public dépendent fortement de la mise en cache SLC.

Dans un lecteur, plus vous écrivez de bits dans une cellule, plus c’est complexe (et plus lent). Les disques modernes exécutent 3 bits par cellule, appelés TLC, et 4 bits par cellule, appelés QLC. Les deux sont plus lents pour les écritures que 1 bit par cellule, ou SLC. En traitant une partie des cellules d’entraînement comme un bit par cellule, appelé «mode SLC». cela permet au lecteur d’absorber plus rapidement une rafale d’écritures. En effet, la programmation de la tension d’une cellule SLC peut être effectuée en une seule étape et ne nécessite pas autant de précision que lors du stockage de plusieurs bits par cellule.

L’inconvénient est que les données écrites dans SLC NAND doivent plus tard être réécrites dans des blocs qui fonctionnent comme MLC / TLC / QLC, stockant plusieurs bits par cellule. Ce processus (souvent appelé repliement) est généralement exécuté automatiquement par le lecteur pendant le temps d’inactivité, où la latence n’est pas importante. Cela libère de l’espace dans le cache SLC pour une utilisation future. La mise en cache SLC n’est généralement pas utilisée par les SSD d’entreprise car elle rend les performances moins prévisibles et nuit aux performances d’écriture soutenues, mais pour les SSD clients et grand public, la mise en cache d’écriture SLC est désormais presque universelle: essentiellement tous les SSD TLC et QLC utilisent la mise en cache d’écriture SLC.

SSD modernes: toujours la mise en cache d’écriture SLC

La mise en cache d’écriture SLC a des implications évidentes pour tout benchmark qui écrit des données sur le SSD. Les caches SLC ont une taille limitée, ce qui crée deux niveaux de performances: l’un à l’intérieur du cache et l’autre à l’extérieur d’un cache. La plupart des utilisateurs avec des charges de travail de type bureau ne voient jamais les performances «hors du cache». Toute charge de travail ou test qui écrit des données en continu à une vitesse élevée, comme un benchmark après benchmark après benchmark, peut éventuellement déborder du cache et subir une baisse des performances vers le niveau de performance inférieur. Les charges de travail grand public du monde réel n’écrivent presque jamais des dizaines ou des centaines de Go en continu, surtout pas à des vitesses extrêmement élevées (c’est-à-dire plus rapides que Gigabit Ethernet) – même l’enregistrement de vidéo 4k60 non compressée est un peu moins de 1,5 Go / s, tandis que NVMe haut de gamme Les SSD offrent désormais des vitesses d’écriture de pointe supérieures à 4 Go / s. Ceci est important car certaines analyses comparatives SSD impliquent un test suivi d’un autre puis d’un autre – permettant un cas d’utilisation plus réel, avec des pauses adéquates pour que le lecteur libère le cache SLC pendant l’inactivité, rend le test plus pertinent pour de nombreux utilisateurs. .

Les tailles de cache SLC sont également variables sur de nombreux lecteurs, la taille de cache disponible diminuant à mesure que le lecteur se remplit. Ainsi, un utilisateur avec un SSD plein à 75% peut n’avoir que 10% de la taille de cache SLC normale lorsque le lecteur est vide. Les fournisseurs de disques choisissent de plus en plus de configurer les disques SSD pour utiliser autant d’espace que possible pour le cache SLC. Les tests qui fonctionnent avec un lecteur presque vide peuvent exagérer les avantages de la mise en cache SLC par rapport à ce que les utilisateurs ressentent lorsqu’ils utilisent réellement la plupart de la capacité annoncée de leur SSD. Les disques SSD QLC ont également introduit une autre complication à la mise en cache SLC, car ils n’utilisent pas le cache uniquement pour les opérations d’écriture. Un SSD TLC classique commencera à vider le cache presque aussitôt que l’activité d’E / S de l’hôte cessera, en essayant de tirer le meilleur parti du temps d’inactivité pour se préparer à de futures rafales d’écritures. En revanche, le comportement le plus courant pour les SSD QLC semble être de laisser les données dans le cache SLC jusqu’à ce que le cache soit presque plein, de sorte que les données récemment écrites puissent être à nouveau accessibles avec une faible latence – et peut-être en évitant certaines réécritures inutiles pour les données cela s’avère être de courte durée.

Les disques SSD NVMe (et le rare disque SATA) ont également fait de la température un problème potentiel. Les SSD M.2 consommant plus de 5 W au maximum peuvent devenir très chauds, et il est maintenant courant pour les SSD et les cartes mères de bureau passionnés de fournir des dissipateurs thermiques pour les disques M.2. Lors d’une utilisation ordinaire, la limitation thermique est rarement un problème car les charges de travail réelles ne peuvent pas maintenir un SSD rapide occupé en permanence, mais il est également assez facile pour les benchmarks de se déclencher. Les benchmarks synthétiques que nous utilisions il y a environ quatre ans ont testé chaque modèle d’E / S (lecture aléatoire, écriture séquentielle, etc.) pendant trois minutes à chaque profondeur de file d’attente, pendant 18 minutes d’E / S ininterrompues par test. Cela suffit pour déclencher une limitation thermique sur tout disque susceptible de surchauffer et pour que les tests d’écriture débordent du cache SLC sur la plupart des disques. Ce type de test peut être utile pour étudier le comportement d’un lecteur dans des conditions extrêmes, mais il ne dit pas grand-chose sur ses performances en utilisation normale.

Limiter la durée du benchmark n’est pas toujours suffisant pour garantir qu’un test ne va pas trop loin. Les énormes disparités de performances entre les SSD SATA et PCIe 4.0 NVMe signifient qu’un test de 10 secondes qui a du sens pour un lecteur SATA pourrait finir par forcer un lecteur NVMe à faire plus de dix fois plus de travail. Pour cette raison, nos benchmarks synthétiques imposent des limites à la fois au temps d’exécution et à la quantité de données transférées par chaque test, ce qui contribue à rendre les tests plus réalistes et plus pratiques.

Données SSD: localité et DRAM

Il existe également quelques autres différences technologiques importantes entre les SSD grand public haut de gamme et d’entrée de gamme, au-delà du choix de l’interface (SATA, PCIe 3.0, PCIe 4.0) et de l’utilisation de la mémoire flash TLC ou QLC NAND. La deuxième différence la plus importante concerne la manière dont les lecteurs stockent et accèdent aux métadonnées utilisées par la couche de traduction Flash (FTL) – informations sur l’emplacement physique actuellement utilisé pour stocker chaque adresse de bloc logique (LBA).

Pendant au moins quelques années, la plupart des SSD du marché utilisaient la même technique de base, popularisée par l’Intel DC S3700: une grande table de recherche simple pour traduire les LBA en adresses mémoire physiques. Même si les SSD grand public présentent toujours par défaut l’illusion de LBA de 512 octets pour des raisons de compatibilité avec les logiciels écrits pour les disques durs, la plupart des disques utilisent un FTL qui fonctionne sur des secteurs de 4 Ko. De ce fait, il suffit d’un peu de calcul pour déduire que la table de mappage du FTL a besoin d’un peu moins de 1 Go d’espace pour gérer 1 To de mémoire flash NAND. Cela augmente le coût d’un lecteur, ce qui est important dans un marché où l’opérateur le moins coûteux l’emporte souvent. L’inclusion de DRAM dans cette proportion par rapport à la quantité de flash est toujours une pratique courante pour les SSD haut de gamme, mais de nouvelles techniques permettent au lecteur d’échanger ses performances contre ce coût supplémentaire de DRAM.

La plupart des contrôleurs SSD d’entrée de gamme n’ont plus d’interface DRAM, ou du moins sont proposés dans un boîtier plus compact qui n’a pas les broches nécessaires exposées. Ces contrôleurs DRAMless et les SSD construits autour d’eux doivent gérer leur FTL sans pouvoir tout charger en mémoire à la fois. Les contrôleurs ont généralement des caches sur puce avec une capacité de l’ordre de mégaoctets, et les SSD NVMe ont également la possibilité d’emprunter une partie de la RAM du processeur via la fonction Host Memory Buffer (HMB).

Les disques SSD qui n’ont pas de tampons DRAM de taille normale présentent deux inconvénients principaux: Premièrement, les lectures aléatoires sont plus susceptibles de nécessiter une opération de lecture flash supplémentaire pour récupérer les informations de mappage avant que les données demandées puissent être lues. Deuxièmement, les lecteurs qui ne peuvent pas conserver l’intégralité du FTL en mémoire ont plus de mal à gérer le nivellement de l’usure et le ramasse-miettes, ils ont donc tendance à subir des baisses de performances plus importantes avec des charges de travail lourdes en écriture et lorsqu’ils sont presque pleins.

La nouvelle suite de tests SSD 2021

Pour notre nouvelle suite, la nature des nouveaux éléments du marché des SSD a été prise en compte dans nos tests. Bien que nous ayons été conscients de tous les problèmes énumérés ci-dessus lors de nos tests précédents, la nécessité de nouveaux tests pour indiquer pourquoi certains choix de conception affectent les performances du lecteur, et ce que cela signifie pour les utilisateurs finaux est toujours un élément critique qui doit être mis à jour. et en examinant régulièrement.

Exemples de lecteurs

Pour illustrer notre nouvelle suite de tests SSD, nous utilisons des SSD de 1 To provenant de divers segments de marché. Certains d’entre eux que nous avons déjà examinés, mais comme il s’agit d’une nouvelle suite de tests, il s’agit également d’un nouveau regard sur tous ces lecteurs. À partir du haut de gamme:

  • Samsung 980 PRO: Le dernier produit phare de Samsung NVMe est leur premier modèle grand public PCIe 4.0, ainsi que leur premier modèle PRO à utiliser TLC NAND au lieu de MLC.
  • Silicon Power US70: C’est l’un des nombreux lecteurs utilisant le contrôleur Phison E16 et TLC NAND. Cette combinaison est ce qui a introduit le PCIe 4.0 sur le marché des SSD grand public en 2019, mais est maintenant en train d’être remplacé par le contrôleur Phison E18.
  • Kingston KC2500: Ce lecteur PCIe 3.0 utilise le contrôleur Silicon Motion SM2262EN, qui est réglé pour une mise en cache SLC agressive et offre généralement les meilleures performances de sa catégorie à de faibles profondeurs de file d’attente.
  • SK hynix Gold P31: Les avantages de l’intégration verticale sont visibles, car la combinaison assortie d’un contrôleur de pointe (quoique toujours PCIe 3.0) et de NAND permet à ce disque à 4 canaux de fonctionner au même niveau que les disques à 8 canaux tout en établissant des records d’efficacité énergétique.
  • Mushkin Helix-L: Ce lecteur NVMe à budget réduit utilise TLC NAND et réduit les coûts avec un contrôleur DRAMless Silicon Motion SM2263XT qui utilise la fonction de tampon de mémoire hôte NVMe pour emprunter jusqu’à 64 Mo de RAM du PC.
  • Corsair MP400: Représentant l’autre catégorie principale de disques NVMe économiques, le MP400 associe le QLC NAND moins cher et plus lent au contrôleur Phison E12S 8 canaux, une amélioration significative par rapport au Silicon Motion SM2263 4 canaux utilisé par les premiers disques QLC NVMe comme le Crucial P1 et Intel 660p / 665p. Le MP400 a un cache DRAM, mais seulement 512 Mo au lieu du 1 Go que l’on trouverait sur un lecteur classique ou haut de gamme.
  • Samsung 870 EVO: Le tout nouveau SSD TLC SATA de Samsung combine leur NAND 3D et leur contrôleur de dernière génération. Nous examinerons de plus près les modèles 1 To et 4 To dans un examen séparé.
  • SK hynix Gold S31: Lancé fin 2019 avec 72 couches TLC, il s’agit d’un disque SATA grand public assez générique avec une efficacité supérieure à la moyenne, des performances légèrement plus lentes que les principaux disques SATA et des prix toujours décents.
  • Samsung 870 QVO: Ce lecteur QLC SATA de deuxième génération utilise le même contrôleur haut de gamme que le 870 EVO, de sorte que ses inconvénients sont entièrement dus à la mémoire flash QLC NAND plus lente et moins chère.

Une nouvelle suite de tests signifie que nous commençons avec une liste vierge de résultats de référence. Des logiciels et du matériel mis à jour signifient que même pour les tests similaires à ceux de notre suite de tests précédente, les nouveaux scores ne sont pas directement comparables aux scores plus anciens. Notre précédent lot de scores de référence SSD a été archivé dans la section SSD 2018 de Bench, et une nouvelle section SSD 2021 a été lancée. Nous le mettrons continuellement à jour au fur et à mesure que les nouveaux et les anciens lecteurs passeront par la nouvelle suite de tests en préparation pour les révisions futures.

La suite de tests elle-même est également susceptible de s’étendre un peu plus, avec des benchmarks d’application et potentiellement quelques tests synthétiques supplémentaires en préparation. Cet article sera mis à jour chaque fois que de nouveaux benchmarks sont ajoutés à la suite de tests, de sorte que ce sera toujours une référence à jour sur le comment et le pourquoi de nos tests SSD.

En attendant, nous sommes ouverts aux commentaires sur la nouvelle suite de tests. Nous collectons beaucoup plus de données sur les disques que par le passé et nous serions heureux de recevoir des suggestions sur la meilleure façon de présenter ces données dans les avis. Maintenant que la nouvelle suite de tests est lancée, nous allons rattraper les critiques des derniers et meilleurs SSD tout en peaufinant le nouveau format de révision.

Au cours des prochaines pages, nous passerons en revue les nouveaux tests (et les résultats).