Обзор NVMe-накопителя Samsung 983 ZET: удивительный SSD на базе NAND-памяти с производительностью как у Optane

Современные твердотельные накопители для персональных компьютеров можно условно поделить на три принципиально различные подгруппы по уровню их быстродействия. Есть SATA SSD, производительность которых ограничивается полосой пропускания интерфейса. Есть NVMe SSD, которые стоят на ступень выше, потому что в них производительность определяется уже не интерфейсом, а пропускной способностью используемого в накопителе массива флеш-памяти. И есть Intel Optane SSD – передовой накопитель, построенный на совершенно иных принципах. В нём применяются не чипы NAND, а 3D XPoint – энергонезависимая память с прямой адресацией, основанная на эффекте фазового перехода. Благодаря этому Optane SSD предлагает существенно более низкие, чем любые флеш-накопители, задержки и значительно более высокую скорость работы с небольшими блоками данных.

Надо сказать, что со времени своего появления Intel Optane SSD выступает предметом вожделения многих энтузиастов. Этот накопитель – лучшее, что когда-либо случалось на рынке систем хранения данных, и единственная крупная проблема, не дающая ему широко распространиться, — это высокая цена. Тем не менее Optane SSD прекрасно решает другую задачу имиджевого характера: он иллюстрирует потенциал перспективных технологий и явно показывает, что именно Intel выступает сегодня главным новатором, захватившим первенство в продвижении решений будущих поколений на рынок носителей информации.

Однако эту роль компании Intel во что бы то ни стало хотела бы оспорить Samsung, которая на протяжении многих лет выступает лидером рынка SSD, если говорить об объёмах продаж. Кроме того Samsung смогла захватить первенство и в смысле производительности традиционных твердотельных накопителей с интерфейсом SATA и NVMe, но вот до Optane SSD с его принципиально иной памятью 3D XPoint дотянуться долгое время не могла. Тем не менее с момента первого появления Optane SSD на горизонте южнокорейский производитель запустил разработку конкурента для интеловского флагмана, известного под кодовым именем Z-SSD. И главная интрига заключалась здесь в том, что Samsung поставила перед собой задачу сделать накопитель, аналогичный Optane по производительности, нос использованием уже имеющихся технологий NAND, то есть не прибегая к применению ячеек памяти с какими-то иными физическими принципами.

И надо сказать, что в конечном итоге Samsung Z-SSD не оказался каким-то мифическим проектом, и эта разработка материализовалась во вполне конкретных продуктах, которые действительно способны оспаривать исключительный статус Optane. Почему же об этом не трубят на всех углах? Вопрос действительно интересный, но Samsung по какой-то причине решила не делать на основе технологии Z-SSD накопители, которые могут быть интересны для энтузиастов, а нацелилась исключительно на корпоративных клиентов и центры обработки данных. Тем не менее в семейство Z-SSD вошли два продукта, 983 ZET и SZ985, и для них заявляются такие характеристики производительности, которые не только сравнимы со спецификациями Optane, но и даже в некоторых аспектах превосходят их.

То, что накопители на базе традиционной NAND-памяти смогли оказаться как минимум не хуже решений на базе 3D XPoint, звучит несколько фантастически, поэтому мы постарались достать какой-нибудь образец Samsung Z-SSD. И это нам удалось: в распоряжение лаборатории 3DNews попала самая простая версия Z-SSD, но даже на её примере будет любопытно посмотреть, на что в действительности способна южнокорейская альтернатива Optane и насколько она может быть применима для высокопроизводительных десктопов. Иными словами, главный вопрос, на который отвечает этот обзор, можно сформулировать так: «Остаётся ли Intel Optane SSD 905P самым быстрым накопителем для экстремальных конфигураций, или у Samsung и впрямь появилось кое-что поинтереснее?»

⇡#Технические характеристики

Компания Samsung не очень-то распространяется о том, как устроены накопители Z-SSD на низком уровне. Тем не менее примерную картину того, каким образом обеспечиваются принципиально более высокие показатели быстродействия и чрезвычайно низкие задержки, мы всё-таки можем составить, проанализировав конструкцию платы попавшего в наше распоряжение накопителя 983 ZET.

И сразу же хочется сказать о самой большой неожиданности: Z-SSD в лице 983 ZET основывается не на каком-то особом контроллере, а на хорошо знакомом нам чипе Samsung Phoenix. Получается, что принципиально новый высокопроизводительный SSD, который должен конкурировать с Intel Optane, использует ровно тот же самый контроллер, что и традиционные накопители Samsung 970 PRO и 970 EVO Plus, которые до уровня Optane серьёзно недотягивают.

Но если разобраться, то в этом нет ничего странного. Контроллер Phoenix обладает огромным потенциалом, который в накопителях 970-й серии раскрывается далеко не полностью. Ведь он построен на базе пятиядерного ARM-процессора и обладает восемью каналами для работы с массивом флеш-памяти. Как мы неоднократно убеждались на практике, такого арсенала вполне хватает для того, чтобы создавать решения с лидирующим уровнем производительности на базе MLC и TLC 3D V-NAND.

Z-SSD же должен быть лучше «братьев по контроллеру» из-за иного наполнения массива флеш-памяти, которое как раз и должно поднять быстродействие на новый уровень. Сама Samsung говорит о некой особой памяти, обозначаемой аббревиатурой Z-NAND. Однако тот факт, что в Z-SSD используется стандартный контроллер, явно указывает на родство загадочной Z-NAND с обычной 3D V-NAND-памятью.

И действительно, при более подробном разбирательстве выясняется, что Z-NAND, на базе которой построены все Z-SSD, и Samsung 983 ZET в частности, — это 64-слойная трёхмерная V-NAND. Но не совсем такая, к которой мы привыкли. Это – не TLC- или MLC-память, а однобитовая SLC 3D V-NAND, разработанная Samsung специально в целях уменьшения латентностей при чтении и записи. Второй важной особенностью такой памяти является сравнительно небольшой объём кристаллов, который составляет всего 64 Гбит.

И это значит, что в высокой производительности Z-SSD нет никакого волшебства. А есть два объективных фактора: простая в обслуживании низколатентная однобитовая 3D V-NAND и массив с очень высокой степенью параллелизма, где контроллер может пользоваться не только всеми восемью каналами, но и многократным чередованием устройств в каждом канале. На то, что такие простые вещи действительно работают, указывают официальные спецификации Samsung 983 ZET.

Применение SLC 3D V-NAND попутно решает и ещё одну задачу – такая память очень вынослива. В то время, когда SSD на однобитовой памяти были в ходу, такой флеш-памяти приписывалась возможность переносить более 100 тысяч циклов программирования — стирания. С тех пор прошло немало времени, но выносливость современной памяти с однобитовыми ячейками должна быть не хуже. Снижение технологических норм должно компенсироваться как переходом на трёхмерную 64-слойную структуру, так и появлением в контроллере Phoenix сильных методов коррекции ошибок, основанных на LDPC-кодировании.

Иными словами, Samsung 983 ZET вполне может претендовать на то, чтобы стать таким же «вечным» накопителем, как Intel Optane. Собственно, на это намекает и сам производитель. Для 983 ZET заявлены ровно такие же показатели ресурса, как для Optane SSD 905P, что означает возможность десятикратного перезаполнения всей ёмкости накопителя ежедневно в течение пятилетнего гарантийного срока или способность накопителя за время жизни перенести в общей сложности как минимум 16-18 тысяч циклов полной перезаписи.

И в конечном итоге получается, что характеристики Samsung 983 ZET выглядят даже лучше, чем у Intel Optane SSD 905P. По крайней мере, для представителя семейства Z-SSD заявлены более высокие линейные скорости и более высокая производительность при случайном чтении. Единственное слабое место в спецификациях 983 ZET – скорость произвольной записи. Однако нужно понимать, что в паспортных характеристиках указана устоявшаяся скорость, достигаемая в процессе долговременных непрерывных перезаписей данных. Такая величина имеет смысл для оценки применимости накопителя в серверных средах, но если говорить о возможности использования Z-SSD в десктопах, то скорость случайной записи будет гораздо выше.

Тем не менее, несмотря на близкие заявленные характеристики, Samsung 983 ZET и Intel Optane SSD 905P считать синонимами всё равно нельзя. В этих накопителях используется память с принципиально разной организацией, поэтому и у того, и у другого решения есть уникальные особенности. В то время как Samsung 983 ZET – это классический SSD, в целом работающий точно так же, как любой другой накопитель с NAND-памятью, память в Optane SSD не требует предварительной подготовки перед записью и предполагает прямой, а не страничный доступ. По этой причине Optane SSD работает всегда с постоянной скоростью, вне зависимости от состояния и заполненности массива 3D XPoint, не требует никакого специального обслуживания вроде сборки мусора и не нуждается в подаче команд TRIM со стороны операционной системы.

⇡#Внешний вид и внутренняя конструкция

Все представители семейства Z-SSD – это достаточно габаритные устройства. Поскольку они собираются из чипов NAND сравнительно малой ёмкости, уместить массивы флеш-памяти необходимого объёма в форм-факторе M.2 в данном случае возможным не представляется. Поэтому нет ничего удивительного, что попавший в наши руки накопитель Samsung 983 ZET оказался выполнен в виде PCIe-платы HHHL-формата (половинной высоты).

В целом такая плата очень сильно похожа на Optane SSD 900P, и не только по размеру, но и тем, что вся её лицевая поверхность закрыта алюминиевым радиатором, а задняя сторона – стальной пластиной. Но у Samsung радиатор выглядит побрутальнее: на нём нет ни надписей, ни скошенных или закруглённых углов. Зато он окрашен в красивый глубокий синий цвет, так что Samsung 983 ZET всё же не лишён определённого очарования.

Стоит заметить, что радиатор со столь развитым профилем – скорее декоративный, чем реально необходимый элемент 983 ZET. Греется Z-SSD не так сильно, и уж явно меньше, чем, например, представители семейства Optane SSD. Температура накопителя Samsung при длительных операциях редко когда поднимается выше 40 градусов.

Плата 983 ZET годится для установки в обычный слот PCIe 3.0 как минимум с четырьмя линиями и может применяться как в стандартных, так и в низкопрофильных корпусах, для чего в комплекте поставки предусмотрены две различные по высоте крепёжные планки. Обе они имеют вентиляционные отверстия и вырез, через который проглядывается технологический разъём и несколько диагностических светодиодов, по которым можно судить об активности накопителя.

Заглянем под радиатор.

Здесь нас ждёт немало интересного, начиная с того, что между микросхемами, которые он должен охлаждать, и его внутренней плоскостью оставлен промежуток в добрый миллиметр, заполненный толстенными термопрокладками. Причём удостоились их далеко не все микросхемы. Половина чипов флеш-памяти вообще никоим образом с радиатором не контактирует, что ещё раз подтверждает тезис о его декоративном предназначении.

В целом элементную базу Samsung 983 ZET 480 Гбайт формирует контроллер Phoenix, используемый им для буферизации таблицы трансляции адресов чип LPDDR4 ёмкостью 1 Гбайт, а также набор чипов флеш-памяти. Массив SLC 3D V-NAND в версии 983 ZET ёмкостью 480 Гбайт собран из восьми микросхем, каждая из которых содержит внутри себя по восемь 64-гигабитных кристаллов. Также на плате накопителя имеется большое число свободных «посадочных площадок» для дополнительных микросхем, общее число которых при необходимости может быть доведено до 32 штук.

Серверную ориентацию Samsung 983 ZET выдаёт не только исполнение накопителя в виде PCIe-платы половинной высоты, но и наличие на ней аппаратной защиты от перебоев электроснабжения. Схема питания включает три мощных электролитических конденсатора по 270 мкФ, заряда которых должно быть достаточно для корректного завершения работы накопителя в случае внезапного обесточивания системы. Иными словами, рассматриваемый вариант Z-SSD подготовлен для эксплуатации в достаточно жёстких условиях.

Однако вместе с тем устройство Samsung 983 ZET не предполагает значительного резерва флеш-памяти, который часто наличествует в серверных моделях SSD. В рассматриваемой модели накопителя от пользователя «спрятано» лишь 13 % от общего объёма массива памяти, и это типичный для массовых вариантов накопителей объём служебных ячеек. При этом в том же Optane SSD суммарный объём резервной памяти достигает 21 % от общей ёмкости накопителя. Это позволяет предположить, что SLC 3D V-NAND действительно чрезвычайно устойчива к износу даже при серьёзных нагрузках, и Z-SSD не нуждаются в подменном фонде значительного размера.