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samsung ssd 850 evo 测评[译]

原文:http://www.anandtech.com/show/8747/samsung-ssd-850-evo-review

三星在SSD领域一直都使我印象深刻。三星早期的SSD并不是很好,但自从推出SSD 830以来,三星在SSD领域做出了很多杰出的贡献,为SSD的性能,成本和可靠性设定了较高的标准。三星是第一家在客户端SSD中使用TLC NAND的制造商。这个行业的其他厂商花了两年的时间才能跟上三星的步伐,甚至在今天,SanDisk仍是除三星外唯一一家拥有TLC SSD的厂商。

虽然三星早期在TLC NAND领域处于领先地位,但真正的重磅消息是在一年之后的Flash Memory Summit上,三星展现了大量的工程人才。多年来,人们已经逐渐知道传统的NAND扩展很快就会达到瓶颈,但在平面上有一种新的扩展方式。 作为世界上第一家制造商,三星宣布已经开始大规模生产其128G的24层3D V-NAND。

V-NAND花了一年的时间才正式进入到零售产品中,但它最终还是实现了当初的承诺。成为市场上最快的SATA SSD对于SSD 850 Pro来说,简直唾手可得,同时它还达到了业界领先的保修和耐用等级,当然所有的这一切都要归功于3D V-NAND。

SSD 850 Pro在性能和功能方面都表现优异,但鉴于其高端的定位,对于大多数消费者来说,它并不是一种经济高效的解决方案。在今年的闪存峰会上,三星介绍了即将推出的TLC V-NAND SSD,它不仅解决了成本问题,同时仍然拥有3D NAND技术的所有优势。已经不需要再继续等待了,不出意料,驱动器很有可能被称为SSD 850 EVO。

850 EVO 系列在容量上和840 EVO差不多。唯一的区别是 850 EVO抛弃了 750GB的型号,从我听说的情况来看,750GB的型号并不是很受欢迎。说实话,这是一个很奇怪的中间容量,在价格方面显然不是 500GB和1TB的竞争对手。最初,听说850 EVO 的容量会达到2TB,但后来由于需求有限,三星并没有选择这么做。三星一直在开拓大容量SSD的市场,所以我觉得这次放弃2TB型号只是因为价格太高让用户难以接受。但是,好消息是三星具备将2TB的驱动器推向市场的技术。

TLC V-NAND 的第一个特性是它的耐用性。 120GB和250GB的额定值为75TB,但是500GB和1TB型号的150TB的耐用性与850 PRO 相当。 下面将更多地讨论NAND并测试其P/E周期,但很显然,3D NAND技术在耐用性方面将TLC NAND推向了一个全新的水平。 由于更耐用的NAND,三星也将保修期由三年提升到了五年,这是深受大家欢迎的一个升级。我认为,尽管NAND耐久性从未成为限制因素,但是太多的供应商已经对三年保修做了定论。

除了NAND,在850 EVO上同样可以看到控制器中的演变。 现在,120GB,250GB和500GB的型号配备了新一代的MGX控制器,但是遗憾的是,由于三星在禁运之前无法让我了解有关新控制器的信息,所以对新控制器的细节也毫不知情。 听说MGX控制器是双核的,而1TB型号(840 EVO&850 Pro)中的MEX具有三个ARM Cortex R4内核。之所以有这种改变,是因为这样做可以提高功效,而且,据称在小容量的型号中,第三个核心并不需要,因为需要跟踪的page和block都比较少,因此NAND的管理就只需要更少的处理能力。 我猜测,MGX也是用较小的进程节点制造的,两个内核以更高的时钟速率运行,但是现在还没有任何具体的信息来支持我的猜想。

850 EVO同样具有三星产品常见的功能。支持 DevSleep,硬件加速加密(TCG Opal 2.0和IEEE-1667)和RAPID。 同850 Pro一起,三星同时推出了RAPID 2.0,将最大可分配的RAM空间提升到了4GB(在系统中安装了16GB或更多的RAM),预计850 EVO将支持更新版本的RAPID。 事实上,随着Magician 4.5的发布,RAPID将会更新到2.1版本,但是这只是一个增量更新,增强了错误处理和英特尔快速存储驱动的兼容性问题。

定价

价格一直以来都是非常重要的问题。 现代所有的SSD性能都比较好(特别是与三年前相比),所以对于大多数买家来说,关键因素在于价格。 最近我们从Crucial和SanDisk中看到了一些非常激进的定价,我们期待着850 EVO将是三星的答案。

不幸的是,MSRP是相当高的。 据了解,V-NAND较高的生产成本导致了更高的价格,这就是为什么三星不能直接同MX100和Ultra II竞争,而是反过来提供更长的保修期,更高的耐用性和更好的性能。 也就是说,MSRP从未成为最终定价的重要指标,最终,我们可能会看到850 EVO会变得更具有竞争力。

测试系统

对于 AnandTech Storage Benches,性能一致性,随机和顺序性能,性能与传输尺寸和负载功耗,我们使用了以下系统:

对于slumber power 测试我们使用了一个不同的系统:

驱动器的内部结构

850 EVO系列有三种不同的PCB设计。120GB和250GB型号(如上图)使用的是一个微小的PCB,具有存放两个NAND package的空间(每侧一个)。 有趣的是,它们都使用8个die封装,这意味着120GB 850 EVO只有一个128GB(8 * 16GB)的NAND package。 通过产品编号可以发现,这些package都配备了8个chip启动器(CE),所以单个NAND package是可行的,因为可以同时访问所有8个die。

使用8个die封装的package实际上适用于所有的容量。 然而,这会是一个有趣的选择,三星的封装技术既先进又成熟,使用多个芯片封装的package和小型PCB而不使用更大PCB,这样会使成本增加。

TurboWrite

TurboWrite是三星向840 EVO提供的一项功能,可以用来提升写性能。 在SLC模式下只使用一小部分的NAND并不是什么新鲜事,但是,这是第一次真正发挥作用,由于840 EVO使用较慢的TLC NAND,因此SLC缓冲区可以显著提高写性能和用户体验。毫不奇怪,TurboWrite也存在于850 EVO中。

缓冲区大小和核心架构保持不变。 所有写操作都首先进入到SLC缓冲区,然后在空闲时间再将其移动到TLC阵列。 唯一的例外情况是,长时间的持续写入会超过缓冲区大小,在这种情况下,数据将直接写入到TLC部分。

三星的评论指出,850 EVO具有提高随机写入性能的“enhanced TurboWrite technology”,但是,对于TurboWrite在850 EVO中实现与840 EVO中实现的不同之处,我并不知道任何其他的细节。 TurboWrite始终被设计为缓存所有的写入操作,而不管写入的性质如何(随机还是顺序),所以我不确定在这方面是否有任何变化。 显然,这些算法已经针对新的NAND和控制器架构进行了优化,并且整个算法有可能在整个过程中都有所改进,但当我从三星那得到回复时,我会提供更新。

我进行了一个快速的顺序写测试来看看TurboWrite在850 EVO中的表现如何。 在较小的容量下,它显然带来了巨大的性能提升,但是在500GB和1TB的情况下,有足够的NAND来提供SATA 6Gbps接口所需的并行性。这在840 EVO上有很大的提升,因为在写入TLC阵列时,其写入性能最高可达400MB / s,因此3D NAND技术的性能优势已经很明显。

TLC 和 3D

过去我已经详细介绍了3D NAND和TLC NAND,在本文中,我将简单介绍一下3D技术对TLC NAND的意义以及TLC NAND对3D技术的意义。

说实话,3D技术是TLC的理想选择。有限的耐久性和性能一直是TLC NAND的基本问题,这是由在一个cell中存储三个位所需的附加电压状态引起的。 TLC的八个电压状态与MLC的四个电压状态相比,TLC NAND更容易损坏,因为它需要较小的电荷变化来改变当前cell的值。 由于NAND的工作原理,cell随着时间的推移而磨损,这会导致电子泄漏,从而改变cell中的电荷,从而导致电压状态的改变。由于电子数量的减少,die缩小而使得NAND更加容易磨损。

3D V-NAND的关键在于工艺。 回到40nm光刻时代,电子数量呈指数增长,这使得TLC比现代平面NAND更可行。 显然,V-NAND不改变TLC NAND的基础,因为它仍然需要8个电压状态来区分所有可能的3-bit 输出,但是由于电子数量的增加,在不同状态之间有更多的breathing room,因此cell的容错能力变得更强。

三星声称电压状态的重叠降低了10倍,这是一个巨大的变化。可以看到平面TLC电压状态是如何被塞满的,因此,其耐久性很低,因为电压在每个状态中的分布几乎是重叠的,因此即使电压的微小变化也会改变cell的电压状态。

较大的cell结构还能够实现更高的性能,因为它对cell进行编程所需的时间较少。 对于平面TLC NAND,它花费了多个非常高的电压脉冲以及多次验证过程来达到正确的电荷状态,但是通过更宽的电压分配,使编程过程具有较少的步骤,因此花费更少的时间。

并且考虑到较低的读/写延迟和较少的纠错需求,功耗也随之大大降低。

除了更好的延迟和功耗特性之外,三星还宣称其19nm的平面TLC NAND的密度增加了一倍,但是不知道128GB的32层TLC V-NAND的芯片尺寸。有传言说,128GB 的芯片实际上与86GB MLC的芯片相同,因为86GB乘以1.5等于129GB,在硅片级别MLC和TLC没有任何不同,但现在只是猜测。

我所知道的是,三星将要开始大量生产TLC V-NAND,这表明这两者并不完全一致。 此外,根据我所知,TLC NAND需要对外围电路进行一些更改,以便从一个单元读取三位数据,因此,NAND存储器阵列可能相似,但芯片尺寸至少略有不同。无论如何,我们会发现Chipworks(或其他一些硅分析公司)会仔细研究NAND die。

耐用性更接近 MLC NAND

每一代新的NAND的最大问题是耐用性。我们已经看到了SSD 850 Pro有6000个P/E周期,SSD 845DC Pro更是有惊人的40000个P / E周期,这证明了V-NAND在当今的平面NAND上提供了更好的耐用性。然而,除了企业级应用,耐用性从未真正地成为平面MLC NAND的一个障碍,所以基于TLC V-NAND的850 EVO为3D NAND的技术能力提供了更有趣的见解。

为了测试耐用性,用我们通常用的耐用性测试套件来测试120GB 850 EVO。 基本上,我只是使用Iometer在队列深度为1的情况下将128KB的顺序数据写入驱动器,同时监视Wear Leveling Count (WLC)和Total LBAs Written的SMART值。 WLC SMART的“当前值”以百分比表示剩余的耐用性(从99开始),而“原始数据”值表示消耗的P / E周期数。

看来,V-NAND的TLC约为2000 个P/E周期。原始的WLC值似乎是跟用户容量有关的(即120GB = 1个P/E周期),因为它的持续时间为2133个P/E周期(128 / 0.06),但并不将原始的NAND容量和总的数据写入算在内。然而,估算的写耐用性(仅为15,260 / 0.06)表明,NAND本身的耐用性为2,000个P/E周期,这个结果还是讲得通的,因为P/E周期数通常为几千次。同样也符合850 Pro的增加(从840 Pro的3000个增加到6000个)。

尽管客户端工作负载中的写耐久性从未真正成为平面TLC NAND的障碍,但TLC V-NAND的耐用性却增加了一倍,这使其在完全过时之前几乎不可能被损耗完。只有一些非常极端的工作负载才能在保修期内耗尽较小的容量,但是,850 EVO并不适合这种工作负载。 总而言之,绝对没有任何理由担心850 EVO的耐用性,特别是考虑到三星给予850 EVO的耐力评级为,75TB为120 / 250GB,150TB为500GB / 1TB。

性能一致性

性能一致性可以让我们进一步了解这些SSD的架构以及它们是如何处理内部碎片的。我们的IO延迟与SSD不一致的原因在于,所有控制器都不可避免地必须进行一些碎片整理或垃圾回收,以便继续高速运行。 SSD进行碎片整理或垃圾回收的时间和方式都将直接影响用户体验,因为性能不一致会导致应用程序变慢。

为了测试IO一致性,我们使用顺序写入操作写满一个已经完全擦除的SSD,以确保所有用户可访问的LBA(逻辑块地址)都具有与之相关联的数据。 接下来,在队列深度为32的情况下,我们使用不可压缩数据在所有LBA上启动4KB随机写入的工作负载。测试运行了半个多小时,我们每秒记录一次IOPS。

下面的三张图都有各自的含义。第一个是整个持续时间下的测试结果。 第二个和第三个在不同尺度上放大了稳定状态运行的开始时刻(t = 1400s),第二个使用对数标度来进行比较,而第三个使用线性刻度来更好地显示驱动器之间的差异。由于篇幅限制下面只展示部分型号的测试结果。

850 EVO呈现出IO一致性的健康增长。一开始840 EVO的IO延迟并不完全不一致,但是850 EVO将稳定时的IOPS从3,000-5,000 IOPS提高了5,000-8,000 IOPS,实际上几乎与850 Pro相当。 850 EVO毫无疑问是我们测试的主流驱动器中性能一致性最高的之一。

Trim 命令验证

为了测试TRIM,我用128KB的连续数据写满了120GB 850 EVO,并进行了30分钟的随机4KB写入(QD32),使驱动器进入稳定状态。之后,我通过在Windows中发出一个快速格式化命令,并运行HD Tach得出了下图。

TRIM命令跟预期的一样。

AnandTech Storage Bench 2013

Storage Bench 2013专注于最坏情况下的多任务处理和IO一致性。类似于早期的Storage Bench,该测试仍然是基于应用程序的,我们记录所有到测试系统的IO请求,在我们正在测试的驱动器上重放,并对驱动器的响应进行统计分析。 总共有4980万个IO操作,1583.0GB的读取和875.6GB的写入。以便更好的阅读,我们并没有给出测试的完整描述,所以请务必阅读Storage Bench 2013的介绍以了解详细信息。

我们用Destroyer报告两个主要指标:平均数据速率(MB/s)和平均服务时间(以微秒为单位)。前者展示了在运行测试工作负载时驱动器的吞吐量,这可以很好地反映整体性能。平均数据速率没有考虑到非常突发的IO的响应时间。通过显示平均服务时间,我们对队列中的IO延迟进行了大量的权衡。您会注意到,这是我们已经在企业级的benchmark中报告了一段时间的指标。随着客户端测试的成熟,两者是时候变得趋于一致了。

更快的NAND和更好的IO一致性使得Storage Bench 2013的性能有所提高。 1TB版本在测试中表现得不错,与850 Pro差得不远了,但500GB和250GB机型最终会成为中等性能的产品。特别是250GB型号被Ultra II打压,其性能并不是很好,尽管850 EVO应该具有V-NAND的性能优势。

AnandTech Storage Bench 2011

早在2011年(似乎已经很久以前了!),我们推出了我们的AnandTech Storage Bench,这是一套基准测试,可以追溯到实际操作系统或应用程序的使用情况,并可以重复地回放。 MOASB,官方称为AnandTech Storage Bench 2011 重型工作负载,主要关注IO峰值性能和垃圾回收。 在此测试过程中包含了大量的下载和应用程序的安装。我们的想法是,在应用程序安装,文件复制,下载和多任务处理过程中,可以真正地注意到驱动器之间的性能差异。

幸运的是,在 2011 Storage Bench 上850 EVO表现得更好。在这些测试中,850 EVO实际上或多或少能够与850 Pro(不包括120GB型号)相匹配,并且几乎击败了其所有的主要竞争对手(即MX100和Ultra II)。

随机读写速度

SSD的性能主要表现在四个方面:随机读,随机写,顺序读和顺序写。随机访问的大小通常较小,而顺序访问往往较大,因此在所有的评论中都使用了四个Iometer测试。

我们的第一个测试是在一个8GB的驱动器空间中以完全随机的方式写入4KB数据,以模拟在操作系统驱动器上看到的随机访问类型。我们执行三个并发IO并运行3分钟。报告的结果是整个时间内的平均值,单位为MB / s。

搭载有新的MGX控制器的型号的SSD具有更好随机读性能,1TB版本的也不错。由于不知道MGX控制器的具体信息,所以很难知道导致性能提升的原因,但我仍然怀疑是由于更高的时钟速率。

随机写性能在所有容量的SSD上也都有所增加,并且与大容量的850 Pro大致相同。

顺序读写速度

为了测量顺序性能,我们在队列深度为1的情况下,在整个驱动器上运行1分钟128KB的顺序测试。报告的结果是整个测试过程的平均值,单位为MB/s。

顺序读写的性能并没有出现任何的惊喜。在较小的容量的情况下,写入速度得到小幅提升,但除此之外,其性能是典型的SATA 6Gbps级别。

AS-SSD不可压缩的顺序读写性能

AS-SSD连续的benchmark测试使用的是不可压缩的数据。基于SandForce控制器的顺序写入速度大大降低,但大多数其他控制器不受影响。

性能VS传输大小

ATTO是一种高效的能够快速地对各种传输尺寸的性能进行基准测试的工具。尽管我应该注意到, ATTO测试的大小最大为2GB,这足以使其写入到SLC缓冲区,但是在所有传输尺寸上,850 EVO的性能都非常出色。由于篇幅限制,下面的图片仅给出了120GB的测试结果。


功耗

三星在功耗方面一直都做得很好,850 EVO也不例外。在休眠模式下,850 EVO是我们看到的最高效的驱动器之一,这也解释了三星为什么随着新的MGX控制器的出现,500GB和更小的容量的型号比1TB型号的功耗减少了大约30%。

负载时的功耗也是很好,尽管我们应该再次注意到,这些写入可能命中SLC缓冲区,这比写入TLC阵列更省电。在我停止写入驱动器之后,我看到驱动器从SLC读取数据并将其写入TLC时的功耗增加到了3W,但这并没有耗费10-20秒左右的时间(尽管取决于你写给驱动器写入了多少数据)。 我为2015年的SSD套件做了一些测试,随着时间的推移更加紧密地关注电源状态,因此这也可以更好地解释SLC到MLC/TLC的写入。

结束语

850 EVO是另一个展示三星工程人才的案例,说实话,850 EVO确实有很多优点。通过结合TLC与V-NAND技术,三星正在消除人们对TLC NAND的耐用性的所有担忧,回顾三星的评估,其耐用性高于大多数制造商生产的MLC驱动器。我从来没有考虑到TLC NAND的耐用性会是客户端工作负载的一个障碍,但是我看到很多人对1000个P/E周期产生了怀疑,所以TLC V-NAND的P/E周期会翻倍,我相信很多人会将TLC作为二等产品了。
不仅耐用性更高,而且与前代相比,850 EVO的表现也更好。在2011 Storage Benche中,850 EVO的性能与850 Pro相匹配,因此它是在典型的客户端工作负载下最快的SATA 6Gbps SSD之一。 在非常繁重的工作负载下,2013 Storage Bench的测试显示850 EVO也没有问题,但很明显,它的性能要优于针对这种用途进行了优化的驱动器。

但是有一个巨大转折在于价格。 850 EVO在性能和功能方面是非常有竞争力的,但是这两项都不值得三星提高价格。正如我之前所说,我认识到SSD市场主要分为两部分,价值导向型和高端狂热的爱好者。
对于价值导向型用户,关键的考虑因素是价格,因为这些用户通常是不需要将系统维持在一个较高的限制内,因此他们并不会为了提高一些可以忽略的性能而支付更高的价格。我们的 Light Workload 套件很好的突出了这一点,因为大多数驱动器之间的差异在10-20%的数量级,对于一些用户来说,性能提升10%带来的价值可能为5美元,10美元,甚至20美元,但绝对不值50美元。三星正在以Crucial的MX100和SanDisk的Ultra II作为参考,对850 EVO进行定价。

对于高端的用户,三星已经有了850 Pro。 850 EVO真正与850 Pro和Extreme Pro进行竞争时,在IO密集型工作负载下表现得不够快,特别是在较小容量下。如果Extreme Pro的价格和它一样(当然取决于容量),我还是宁愿选择Extreme Pro。

换句话说,850 EVO属于臭名昭着的中等产品。它在市场上没有明显的商机,因为对于价值导向型的买家而言太贵了,但又不足以被认为是有竞争力的高端SSD。如果三星的价格下降了30到50美元,那么850 EVO将更具有竞争力,因为其五年的保修期和三星顶级的软件套件为其增加了一些价值,但对目前的定价来说,市场上只会有更好的选择。

就我看到的一部分来说,三星可能会做一个平面上的NAND收缩,以便在主流市场上更具竞争力,因为现在850 EVO正在失去这个市场。而随着层数的增加,3D NAND最终会变得更加经济,不过我们还没有达到那一步。我非常喜欢V-NAND所带来的性能和耐用性的提升,但是如果850 EVO甚至不能与MLC驱动器在价格上竞争,那就有点令人担心。

仍然希望,MSRP只是保守的,价格可能会有所下降。如果没有,那么850 EVO显然是性能最好的驱动器,但是不会达到和前几代一样的成功。三星在OEM台式机和笔记本电脑市场也有强劲的表现,但如果价格相当高一些,OEM厂商可能并不会倾向于选择840 EVO。