Обзор WD Black SN850 — SSD, который победил Samsung 980 PRO

Несмотря на довольно вялое (по понятным причинам) начало, 2020 год всё-таки принёс с собой существенные перемены в сферу твердотельных накопителей. Во второй его половине на рынок пришли модели SSD, которые, будучи рассчитанными на использование новой версии шины PCI Express 4.0, поднимают планку производительности на заметно более высокий уровень. Сама по себе шина PCIe 4.0 пришла в массовые системы с процессорами Ryzen 3000 в середине прошлого года, и уже тогда на рынке стали появляться накопители с формальной её поддержкой, основанные на микросхеме Phison PS5016-E16. Однако из-за слабости контроллера производительность таких SSD по сути не отличалась от того, что предлагают накопители под PCIe 3.0, поэтому говорить о каких-то революционных изменениях в потребительских системах хранения данных было преждевременно.

Зато недавно в продаже появился Samsung 980 PRO, и это – уже совсем другой разговор. Разработчики Samsung подошли к созданию PCIe 4.0-решения более тщательно и в конечном итоге смогли спроектировать накопитель, который можно смело называть представителем нового поколения. Он действительно способен задействовать полную пропускную способность PCIe 4.0 x4 при линейных операциях, а при конвейеризируемой мелкоблочной нагрузке развивает скорость до миллиона операций в секунду.

Когда на рынок пришёл Samsung 980 PRO, у многих возникло ощущение, что южнокорейский производитель в очередной раз установил «золотой стандарт» быстродействия потребительских SSD. Ведь так было почти всегда: каждый из выпущенных в последние годы флеш-накопителей Samsung на довольно продолжительный срок становился лидером в своём сегменте, превосходящим по скоростным характеристикам все альтернативные варианты. И от 980 PRO мы по привычке ждали чего-то подобного.

Однако буквально через пару месяцев после его выхода на горизонте неожиданно возник PCIe 4.0-продукт компании Western Digital, который, как заверяли его разработчики, должен нанести сокрушительный удар по самолюбию Samsung. Этот амбициозный продукт получил название WD Black SN850, и, судя по всему, он представляет собой дальнейшее развитие довольно неплохого накопителя Black SN750, который, впрочем, лучшим SSD прошлого поколения всё-таки заметно уступал. Тем не менее, как только дотянуться до образца WD Black SN850 оказалось в наших силах, мы сразу же сделали это и теперь готовы рассказать о том, на что в действительности способна эта многообещающая новинка.

Годами тестируя разнообразные SSD, мы не раз сталкивались с ситуацией, когда заявления производителей сильно расходились с тем, что могут предложить их продукты на самом деле. Забегая вперёд, сразу же хочется сказать, что WD Black SN850 — совсем другой случай. Western Digital действительно смогла разработать твердотельный накопитель с интерфейсом PCIe 4.0 x4, который не только ушёл очень далеко вперёд от предложений на контроллере Phison PS5016-E16, но и заслуживает быть причисленным к тому же новому поколению потребительских SSD, что и Samsung 980 PRO. Однако чтобы разобраться с тем, кто всё-таки выигрывает в проходящем на ринге PCIe 4.0 поединке «WD против Samsung», мы провели подробное исследование, с результатами которого и предлагаем познакомиться.

⇡#Внешний вид и внутреннее устройство

Внешне WD Black SN850 выглядит довольно непритязательно и впечатление флагмана не производит. Это простая M.2-плата формата 2280 с односторонним расположением микросхем. Лицевая сторона накопителя при этом закрыта чёрной наклейкой с технической информацией. Из любопытного на ней указана дата и страна производства. Например, наш экземпляр WD Black SN850 был выпущен в Малайзии в октябре, но в то же время в природе встречаются аналогичные SSD китайского происхождения.

Довольно необычно, что высокоскоростной накопитель, коим является WD Black SN850, не снабжён никакими средствами теплоотвода, которые стали привычным атрибутом подобных SSD. Здесь даже нет теплорассеивающей наклейки со слоем медной фольги, вроде той, что применяет в своих NVMe-накопителях компания Samsung. Однако логика Western Digital такова, что Black SN850, скорее всего, попадёт в сравнительно дорогие настольные компьютеры, а в таких системах слоты M.2 нередко имеют дополнительное охлаждение, поэтому собственный радиатор накопителю ни к чему. Но на всякий случай в модельном ряду Black SN850 предусмотрены и специальные варианты с массивным 9-мм радиатором (а ещё и с конфигурируемой RGB-подсветкой), правда, оценены они на $20 дороже и пока ещё не появились в продаже. Забегая вперед, предупредим, что, вообще говоря, без охлаждения Black SN850 лучше не использовать – в сравнении с другими M.2-накопителями его тепловыделение явно выше.

В основе SSD лежит новый контроллер SanDisk, который сама компания называет WD_BLACK G2. Судя по всему, это переработанная версия контроллера c ARM-архитектурой, использовавшегося в WD Black SN750, однако улучшения тут заключаются не только в добавлении интерфейса PCI Express 4.0 x4. Новый контроллера обеспечивает серьёзный рост вычислительной мощности, плюс его производство выполняется теперь не по 28-нм техпроцессу, а по более прогрессивным 16-нм нормам.

В рассказе о WD_BLACK G2 производитель акцентирует внимание на том, что этот чип целенаправленно оптимизировался для десктопных нагрузок, где преобладают короткие очереди запросов, и этот подход принципиально отличается от подхода Samsung, которая старается добиться максимальной унификации, подгоняя для потребительских накопителей серверные контроллеры с помощью микропрограммы.

Массив флеш-памяти в WD Black SN850 составлен из устройств BiCS4 ёмкостью по 256 Гбит. Это значит, что речь идёт о TLC 3D NAND, причём не самой современной 96-слойной структуры. Та же Samsung в своём новейшем накопителе уже перешла на 128-слойную память, в то время как Western Digital и Kioxia пока отстают от лидера ранка в деле увеличения плотности устройств. Однако справедливости ради стоит сказать, что к скоростным характеристикам BiCS4-памяти претензий быть не может. То, что такая память отличается низкими задержками, мы наглядно видели, когда тестировали Plextor M9P Plus, который показал лидирующее для PCIe 3.0-накопителей быстродействие при случайном чтении.

Если снять с WD Black SN850 наклейку, то можно увидеть, что весь массив флеш-памяти (мы знакомились с терабайтной версией накопителя) разместился всего в двух микросхемах. Каждая такая микросхема содержит внутри 16 штабелированных кристаллов флеш-памяти общей ёмкостью 512 Гбайт. Таким образом, в восьмиканальном массиве NAND контроллер пользуется четырёхкратным чередованием, что позволяет наилучшим образом раскрывать его производительность. Однако это верно лишь для Black SN850 ёмкостью 1 или 2 Тбайт, а версия на полтерабайта будет работать медленнее из-за меньшей кратности чередования.

Ещё одна входящая в состав WD Black SN850 микросхема – DRAM-буфер, необходимый для быстрых операций с таблицей трансляции адресов. Здесь Western Digital тоже не стала экономить и разместила на терабайтном SSD гигабайтный чип DDR4-2666 производства Micron.

Таким образом, с точки зрения конструкции Black SN850 выглядит так, как и должен выглядеть флагман 2021 года. Интерфейс PCIe 4.0 x4, выпущенный по современному техпроцессу мощный контроллер, восьмиканальный массив из быстрой флеш-памяти и ёмкий DRAM-буфер – все задатки, чтобы стать рекордсменом, у него есть.

⇡#Технические характеристики и особенности работы

И действительно, если ориентироваться на паспортные спецификации, то WD Black SN850 справедливо отнести к числу накопителей наиболее прогрессивного поколения, первым представителем которого стал Samsung 980 PRO.

Если сравнить WD Black SN850 с флагманским накопителем Samsung чисто по спецификациям, то самым большим отличием окажется состав модельного ряда. В семействе Black SN850 младшая модель имеет ёмкость 500 Гбайт, а не 250 Гбайт, как у конкурента, зато старший вариант способен вместить 2 Тбайт данных, в то время как в серии Samsung 980 PRO двухтерабайтник только готовится к выпуску.

При этом заявляемые скоростные характеристики WD Black SN850 и Samsung 980 PRO имеют минимальные различия. Для Black SN850 обещана чуть более высокая скорость линейной записи, но по скорости случайной записи он немного уступает. Впрочем, это вряд ли имеет какое-то серьёзное значение для реальных сценариев работы. Для них первоочередную роль играют не пиковые показатели, а те, которые получаются при невысокой глубине очереди запросов. Однако их производители предпочитают напоказ не выставлять.

Ещё один важный момент – технологии кеширования. Western Digital говорит о том, что фирменная технология nCache в Black SN850 полностью переработана. И это хорошая новость, поскольку раньше накопители компании опирались на статические алгоритмы, а под SLC-кеш выделялась очень небольшая часть пула флеш-памяти. Теперь это в прошлом: модернизированная технология nCache 4.0 стала полностью динамической. На практике это означает, что примерно четверть от имеющегося на Black SN850 свободного места можно заполнить с высокой скоростью, обеспечиваемой однобитовым SLC-режимом.

Иллюстрация того, как работает nCache 4.0 на чистом накопителе, приведена ниже. На графике показана скорость непрерывной однопоточной линейной записи.

Максимальная производительность записи, обозначенная в спецификации, достигается на первых 270 Гбайт ёмкости. Затем скорость снижается до 1,1 Гбайт/с, и это – довольно-таки неплохой результат, если помнить о том, что в этом случае одновременно с записью во флеш-память в «родном» трёхбитовом режиме происходит также и уплотнение данных в ячейках, записанных ранее в однобитовом режиме.

Помимо динамического SLC-кеширования при записи в nCache 4.0 оказалось реализовано и кеширование при чтении. Никакой предвыборки тут, естественно, нет, просто оказавшиеся в SLC-кеше данные остаются в нём на некоторое время, чтобы по возможности ускорить операции чтения в том случае, если они последуют сразу же вслед за операциями записи. Этот алгоритм применяют сейчас почти все производители, потому что он позволяет получить ощутимо лучшие показатели в бенчмарках, хотя его практическую ценность можно подвергнуть серьёзному сомнению.

Впрочем, в случае WD Black SN850 разница между реальной и «улучшенной» скоростью чтения не слишком бросается в глаза. Она показана на следующем графике, где сравнивается быстродействие мелкоблочного чтения из только что записанного файла и файла, после записи которого на SSD было загружено ещё какое-то количество данных, вытесняющих его из SLC-кеша.

Справедливости ради нужно заметить, что такое «ускорение» действенно только для операций мелкоблочного чтения. Линейное чтение из восьмиканального массива BiCS4 возможно со скоростью PCIe 4.0 x4-интерфейса и без всяких ухищрений. Более того, даже для файла, который уже не хранится внутри SLC-кеша, показанная WD Black SN850 скорость мелкоблочного чтения на уровне 58 Мбайт/с – это очень достойный результат. Samsung 980 PRO, например, при таких обращениях работает медленнее.

Но несмотря на эффективную реализацию SLC-кеширования, незаметной сборкой мусора после подачи команды TRIM новый накопитель Western Digital похвастать не может. Очевидно, его контроллер для этого не оптимизировался. Поэтому после удаления файлов большого объёма Black SN850 склонен «уходить в себя». Например, если стереть с него файл размером 64 Гбайт, накопитель сразу после этого «подвиснет» на 4-5 секунд. Вот как это выглядит: на графике ниже показана производительность мелкоблочного чтения сразу после удаления 64-Гбайт файла.

Через 12 секунд после удаления файла скорость операций чтения падает до нуля, а время отклика возрастает на несколько порядков. Это продолжается те несколько секунд, пока работает фоновая сборка мусора, а потом ситуация нормализуется. И хотя выглядит такое поведение не слишком приятно, вряд ли оно заставит кого-то отвернуться от Black SN850. Подобное происходит со многими потребительскими накопителями кроме разве что Samsung 980 PRO, где применяется высокопроизводительный серверный контроллер, способный обрабатывать входящий поток команд одновременно с внутренней активностью.

А вот чем WD Black SN850 действительно расстраивает, так это заявленным ресурсом, который трудно назвать лучшим в своём классе. Здесь Western Digital пошла по стопам Samsung: в течение пяти лет гарантийного срока накопитель разрешено полностью перезаписать лишь 600 раз. Иными словами, в гарантию заложен лимит суточной записи данных в треть полной ёмкости SSD, хотя от устройства, которое претендует на звание флагманского, хотелось бы большего. В оправдание Western Digital можно привести статистику, которая говорит о том, что перешагнуть через установленную планку в 600 перезаписей не способно 99,7 % реальных пользователей, и поэтому вряд ли показатели ресурса могут существенно сузить целевую аудиторию WD Black SN850. Но упомянутая претензия носит скорее эмоциональный характер: от накопителя такого класса хочется превосходства над предложениями попроще во всём, в том числе и в этом.

⇡#Программное обеспечение

Western Digital уделяет большое внимание разработке сервисного ПО для своих накопителей, и фирменная утилита SSD Dashboard в её сегодняшнем виде развилась до уровня лучших образцов таких программ. В ней есть все необходимые функции, а кроме того, реализованы уникальные возможности мониторинга производительности в реальном времени, которые в утилитах других разработчиков не встречаются.

Основные возможности SSD Dashboard:

• выдача информации об установленном в системе SSD, включая данные об оставшемся ресурсе и текущем температурном режиме;
• мониторинг производительности накопителя в реальном времени;
• подача на накопитель пакета команд TRIM как в ручном режиме, так и по расписанию;
• обновление микропрограммы через интернет или из файла;
• выполнение операции Secure Erase и удаление каких-либо данных из флеш-памяти путём её принудительного зануления;
• выполнение SMART-тестов и просмотр SMART-атрибутов;
• управление настройками операционной системы, влияющими на производительность SSD.

Кроме того, через программу SSD Dashboard пользователь может включить специальный игровой режим (Gaming Mode), предусмотренный для накопителей серии WD Black. Впрочем, ничего особенного в этом режиме нет: он лишь отключает в SSD все энергосберегающие функции, что позволяет снизить задержки ценой некоторого повышения средней температуры.

В целом к программной поддержке WD Black SN850 трудно предъявить какие-то претензии. Утилита SSD Dashboard действительно удобна и функциональна, а кроме того, разработчики регулярно обновляют микропрограмму накопителя. Единственный оставшийся без ответа вопрос в адрес программной поддержки WD Black SN850 касается отсутствия в этом накопителе шифрования данных, которое способны предложить другие ведущие разработчики SSD: Crucial, Intel и Samsung.