Обзор NVMe-накопителя Intel SSD 670p: невозможный SSD на QLC-памяти

Как производитель твердотельных накопителей Intel много лет подряд фокусировалась не на потребительском, а на корпоративном сегменте. Для серверного рынка она всегда предлагала широкий ассортимент как традиционных SSD на TLC- и QLC-памяти, так и накопители семейства Optane, построенные на принципиально иной по физическим принципам памяти 3D XPoint. Что же касается рынка обычных гражданских SSD, то он интересовал Intel по остаточному принципу. Особенно наглядно это проявилось в мае прошлого года, когда Intel прекратила поставки популярной массовой модели SSD 760p и не оставила в своём арсенале ни одного производительного накопителя для персональных компьютеров. Компания попросту ушла из верхнего и среднего ценовых сегментов и ограничилась выпуском лишь недорогих моделей начального уровня на базе четырёхбитовой памяти QLC 3D NAND.

Такая переориентация стала вполне последовательным шагом Intel, который отлично укладывался в избранную компанией общую стратегию. Год назад Intel официально объявила, что больше не собирается применять TLC 3D NAND в массовых решениях для обычных пользователей. А впоследствии стало понятно, что традиционные SSD на базе флеш-памяти вообще не интересуют Intel: осенью прошлого года она договорилась продать весь свой бизнес по производству 3D NAND и носителей информации на её основе. В результате в течение ближайших месяцев все активы Intel, связанные с выпуском SSD на базе флеш-памяти, перейдут под управление корейской компании SK Hynix, что фактически вычеркнет Intel из числа производителей твердотельных накопителей, по крайней мере, если говорить о продукции на базе NAND-памяти (разработку и производство памяти 3D XPoint и накопителей Optane компания Intel сохранит за собой).

Тем не менее, когда уже было совершенно понятно, что Intel уходит с рынка твердотельных накопителей, она сделала прощальный жест – анонсировала свой последний потребительский продукт, SSD 670p. И хотя этот накопитель стал закономерным развитием ряда, начатого с 660p и 665p, и является ещё одним бюджетным предложением на базе QLC 3D NAND, его аппаратная платформа претерпела довольно серьёзные преобразования. По основным признакам 670p не похож на очередную проходную модель, а кажется достаточно заметным событием: в нём нашёл применение и гораздо более производительный контроллер, и новая 144-слойная флеш-память, над созданием которой Intel работала в последние годы. В результате Intel SSD 670p, в отличие от предшественников, имеет шансы стать заметным игроком массового рынка, тем более что заявленные характеристики быстродействия вплотную приближают его к TLC-накопителям.

Иными словами, при создании 670p компания Intel планировала провести новую атаку на рынок недорогих NVMe SSD в своём фирменном стиле. Это значит, что, в то время как основная масса производителей в доступных моделях накопителей отказывается от DRAM-буфера и делает ставку на технологию HMB, Intel пытается переиграть всех, не упразднив в конструкции своего накопителя DRAM, а за перейдя на дешёвую флеш-память с четырёхбитными ячейками. Правда, в случае предыдущих накопителей компании, 660p и 665p, этот расчёт не особо сработал – производительность основанных на QLC 3D NAND моделей вызывает серьёзные нарекания. Но в 670p разработчики приложили много усилий к исправлению недостатков предшественников и рассчитывают изменить представления пользователей о QLC-накопителях в принципе, улучшив не только быстродействие, но и надёжность.

Нет никаких сомнений, что, если бы SSD-бизнес Intel не прекращал своего существования в структуре компании, мы бы увидели куда более впечатляющий анонс 670p, который сопровождался бы агрессивной рекламной поддержкой, поскольку это знаковый и довольно неожиданный продукт как для самой Intel, так и для всего рынка потребительских SSD. Но в свете последних событий Intel SSD 670p просто тихо появился в продаже, и мы, воспользовавшись этим, приобрели терабайтный образец для подробного знакомства.

⇡#Внешний вид и внутреннее устройство

Честно говоря, во внешнем виде Intel SSD 670p нет ничего особенного: радиатор для этого накопителя не предусмотрен, и всё сделано максимально просто. SSD собран на печатной плате формата M.2 2280 из зелёного текстолита, все элементы размещены на лицевой стороне и закрыты сверху информационной наклейкой.

Содержимое наклейки может оказаться полезным. Помимо названия, артикула и серийного номера на ней приводится, например, и версия залитой на заводе прошивки. Под наклейкой, удаление которой приводит к потере гарантии, размещены четыре микросхемы, которые служат базисом SSD 670p.

Самая главная и заметная из них – эксклюзивный контроллер SMI SM2265, который Silicon Motion сделала специально для Intel. По понятным причинам описание данного чипа на сайте разработчика вы не найдёте, но, по утверждениям самой Intel, это упрощённая версия PCIe 4.0-контроллера SM2267 с внешним интерфейсом PCIe 3.0 x4. Следовательно, SM2265 – четырёхканальный чип, который основывается на двух ядрах ARM Cortex-R5. Прошлые QLC-накопители Intel использовали контроллер SM2263, который в общих чертах похож по архитектуре на новый SM2265. Однако у SM2265 есть принципиальное преимущество – он способен работать с более быстрой флеш-памятью с частотой ONFI-интерфейса до 1200 МГц, в то время как у старого контроллера эта частота была формально ограничена величиной 800 МГц, а в реальности составляла и вовсе лишь 667 МГц.

Повысить скорость интерфейса флеш-памяти в контроллере потребовалось ради той самой 144-слойной разновидности QLC 3D NAND, которая попала в Intel SSD 670p. Именно она и находится на плате накопителя в двух микросхемах с маркировкой Intel: терабитные кристаллы этой флеш-памяти штабелированы в них по четыре штуки, если говорить о накопителе ёмкостью в терабайт. Это значит, что максимальную производительность среди вариантов 670p имеет двухтерабайтная модификация, однако и накопитель объёмом 1 Тбайт должен отставать не слишком сильно. Это обеспечивается тем, что характеристики нынешней 144-слойной QLC 3D NAND компании Intel, относящейся уже к третьему поколению флеш-памяти с четырёхбитными ячейками, заметно улучшились.

После того как Intel и Micron разорвали партнёрские отношения в разработке флеш-памяти, Intel осталась единственной, кто полагается на архитектуру ячеек с плавающим затвором. Такая структура NAND, хотя и сложнее в производстве, обеспечивает лучшее экранирование ячеек, благодаря чему QLC 3D NAND компании Intel обеспечивает и больший ресурс перезаписи, и более длительное время хранения данных. При этом новая 144-слойная память в действительности собрана из трёх смонтированных в «бутерброд» 48-слойных полуфабрикатов, что в сравнении с памятью прошлых поколений означает увеличение плотности размещения ячеек в расчёте на квадратный миллиметр кристалла, но отнюдь не уменьшение размера самих ячеек. Таким образом, по сравнению с более ранними вариантами QLC 3D NAND новая 144-слойная память действительно может быть надёжнее. Intel даже утверждает, что по выносливости она вполне сравнима с распространённой TLC 3D NAND, в которой используются ячейки на основе ловушек зарядов.

Довольно заметный прогресс произошёл и в производительности. Благодаря разделению управляющих цепей по 48-слойным частям кристалла Intel добилась увеличения параллелизма в работе памяти, что вылилось в 40-процентный рост производительности записи и 50-процентное снижение латентностей по сравнению с 64-слойной QLC-памятью первого поколения. Кроме того, 144-слойная память получила 1200-МГц интерфейс, что в сумме с прочими улучшениями действительно ставит применённую в 670p четырёхбитовую память на ступень выше всех прочих доступных на рынке вариантов QLC 3D NAND.

Возвращаясь к конструкции SSD, важно отметить и наличие в ней микросхемы DDR3L-1866 SDRAM, которая используется для буферизации запросов к таблице трансляции адресов. На терабайтной версии 670p эта микросхема имеет объём 256 Мбайт – несколько меньше оптимального в данном случае гигабайта, однако для большинства потребительских нагрузок такой ёмкости должно быть достаточно.

В итоге, благодаря усиленному контроллеру и существенно улучшенным характеристикам QLC-памяти, Intel уже не хочет ставить SSD 670p в один ряд со своими предыдущими QLC-накопителями. Новинка, по мнению компании, – предложение более высокого уровня, которое имеет полное право конкурировать с TLC-накопителями среднего уровня, что подкрепляется не только маркетинговыми лозунгами, но и сухими числами спецификаций, о которых мы поговорим в следующем разделе.

⇡#Технические характеристики и особенности работы

Два предыдущих QLC-накопителя компании Intel не могли заполнить пропускную способность интерфейса PCIe 3.0 x4 даже при линейных операциях. Их характеристики выглядели так, как будто они работают по двум, а не по четырём линиям PCIe 3.0. Но про новый Intel SSD 670p этого уже не скажешь. Это – совершенно полноценный NVMe SSD для шины PCIe 3.0 x4.

При взгляде на приведённую таблицу становится немного удивительно, что Intel отнесла SSD 670p к шестисотой серии, ведь это продукт явно более высокого класса. Но с другой стороны, такое позиционирование – преимущество для покупателей, поскольку заметное улучшение характеристик не стало сопровождаться симметричным увеличением цены. Рекомендованная цена терабайтной версии SSD 670p составляет $129, но в реальности этот накопитель можно найти ещё дешевле. Иными словами, его вполне можно рассматривать как конкурента безбуферным SSD вроде Samsung 980 или WD Blue SN550.

Полностью же спецификации Intel SSD 670p выглядят следующим образом.

Отдельно хочется обратить внимание, что вместе с ростом скоростных показателей у SSD 670p увеличился и заявленный ресурс. Intel решила наглядно подтвердить, что 144-слойная QLC 3D NAND третьего поколения выносливее старой четырёхбитной памяти, и разрешила для 670p 370-кратную перезапись в течение пятилетнего гарантийного срока. Напомним, что для SSD 660p на 64-слойной памяти декларировалась выносливость в 200 перезаписей, а для 665p с 96-слойной QLC 3D NAND – в 300. Впрочем, кардинальных изменений всё-таки не произошло: с точки зрения ресурса Intel SSD 670p проигрывает недорогим TLC-накопителям. Те же Samsung 980 или WD Blue SN550 их производители разрешают эксплуатировать на 60 % интенсивнее.

Зато по паспортной производительности Intel SSD 670p от них не отстаёт. И во многом помогают ему не только мощный контроллер и более совершенная QLC 3D NAND третьего поколения, но и переработанная технология SLC-кеширования. Intel перешла на смешанный динамически-статический алгоритм, в рамках которого в SSD предусмотрен SLC-кеш фиксированного объёма из расчёта 6 Гбайт на каждые 512 Гбайт ёмкости накопителя. К этому объёму добавляется вторая, динамическая часть, размер которой зависит от объёма свободного пространства на накопителе и которая может довести размер SLC-кеша до восьмой части от полной ёмкости SSD.

Исследуя работу кеша Intel SSD 670p, мы провели очень подробное исследование скорости записи. На графике, который приводится ниже, показана скорость копирования серии из реальных объёмных файлов на отформатированный накопитель с файловой системой в трёх состояниях: когда SSD полностью свободен, когда SSD предварительно заполнен данными наполовину, и когда SSD до начала записи полон на три четверти. Такой эксперимент позволяет проследить за изменением размера SLC-кеша в зависимости от наличия на нём свободного места. И вывод таков: в первом случае SSD 670p, как и было обещано, позволяет записать с высокой скоростью около 130 Гбайт данных. Во втором случае объём SLC-кеша сокращается до 110 Гбайт, а в третьем – до 50 Гбайт. То есть в целом динамическое SLC-кеширование работает эффективно: даже на частично занятом накопителе пользователь имеет возможность записать довольно много информации с высокой скоростью.

Скорость записи фалов в SLC-режиме при этом оказывается очень неплохой, можно сказать, что здесь Intel SSD 670p не уступает массовым TLC-накопителям, но вот за пределами кеша быстродействие падает ниже привычных значений. Но во-первых, алгоритм кеширования таков, что пользователю, скорее всего, не придётся сталкиваться с прямой записью в QLC-режиме, а во-вторых, QLC 3D NAND в составе 670p в любом случае работает в разы быстрее, чем в QLC-накопителях прошлых поколений.

Тем не менее стоит упомянуть, что заполнение всего объёма Intel SSD 670p стандартным однопоточным копированием файлов в Windows занимает 74 минуты – и это как минимум вдвое больше, чем потратят на аналогичную операцию пользователи накопителей с TLC-памятью. Иными словами, сценарии, где проявляется недостаточная производительность 144-слойной QLC 3D NAND, всё-таки существуют.

Работа SLC-кеширования распространяется и на операции чтения. Скорость случайного чтения данных с Intel SSD 670p после их вытеснения из кеша падает более чем вдвое. Но в данном случае хочется не ругаться на эту хитрость, которую в последнее время используют всё больше и больше разработчиков накопителей, а удивиться оптимизациям Intel SSD 670p, благодаря которым производительность мелкоблочного чтения без очереди запросов оказывается на уровне 78 Мбайт/с. Подобную прыть мы видели только у флагманских PCIe 4.0-моделей – Samsung 980 PRO и WD Black SN850.

Анонсируя SSD 670p, представители Intel прямо говорили о том, что оптимизацией микропрограммы под работу с короткими очередями запросов они занимались специально. И похоже, эти усилия не пропали даром – далее мы ещё раз проверим этот момент в подробных тестах.

Но вот с обработкой команды TRIM новый накопитель Intel справляется не слишком проворно. На следующем графике показана производительность мелкоблочного чтения сразу после удаления файлов суммарным объёмом 64 Гбайт, и по нему явно видно, что эта операция полностью парализует SSD 670p на 9 секунд.

Впрочем, нельзя сказать, что это какой-то катастрофический изъян. Просто нужно иметь в виду, что масштабные файловые операции – не самый благоприятный режим работы для Intel SSD 670p. SSD, основанные на QLC-памяти, с самого начала позиционировались как решения для сценариев WORM (Write Once Read May – «одна запись и много чтений»). Рассматриваемый SSD 670p несколько отошёл от этого амплуа, но всё же его QLC-природа нет-нет да и проявляется при каких-то условиях.

⇡#Программное обеспечение

Для сервисного обслуживания твердотельных накопителей у компании Intel предусмотрена специальная утилита – Intel Memory and Storage Tool (Intel MAS). Она позволяет отслеживать состояние здоровья носителя информации, выполнять диагностические тесты и операцию Secure Erase, а также обновлять микропрограмму.

Кроме того, в Intel MAS есть эксклюзивная функция – с помощью этой утилиты можно принудительно очистить SLC-кеш накопителя.

Помимо утилиты, компания Intel поддерживает и специальный драйвер для потребительских SSD собственной разработки. Однако на момент тестирования он ещё не получил совместимость с SSD 670p.