Обзор накопителя Intel Optane SSD 900P: сверхсила скорочтения

Прошедший год подарил энтузиастам компьютерной техники немало ярких новинок. Но что особенно приятно, среди них оказались и такие, которые серьёзно поменяли существующий уклад и подвели к революционным изменениям на рынке ПК. В первую очередь тут стоит вспомнить про процессоры Ryzen, которые вернули компанию AMD в высшую лигу производителей CPU. Но смогла отличиться и корпорация Intel, правда, не столько с процессорами (хотя и с ними тоже), сколько с системами хранения данных семейства Optane, построенными на принципиально новой технологии 3D XPoint.

Надо сказать, что у Intel неплохо получается выступать пионером на рынке твердотельных накопителей. Пусть такое случается и не столь часто, но компания порой выпускает такие продукты, которые выглядят «гостями из будущего» и наглядно демонстрируют преимущества тех или иных принципиально новых технологий. Так, например, в 2015 году Intel первой создала и ввела в обращение высокопроизводительный потребительский флеш-накопитель с NVMe-интерфейсом. Теперь же она выводит на рынок ещё более футуристичные решения на базе памяти 3D XPoint. И пусть такие SSD пока не претендуют на массовость, зато они вполне способны обозначить новые ориентиры в мире носителей информации.

На самом деле мы уже сталкивались с твердотельными накопителями на базе технологии 3D XPoint: на нашем сайте вы можете найти обзор первого потребительского продукта, созданного на базе этой технологии, — Intel Optane Memory. Однако то был небольшой по объёму носитель информации, предназначенный лишь для кеширования обращений к дисковой подсистеме, построенной на классических принципах. Составить полное представление о том, что может дать память 3D XPoint, по такому продукту было достаточно тяжело, хотя Optane Memory действительно неплохо справлялся с поставленной перед ним задачей по ускорению доступа к обычным HDD и SSD. Теперь же в модельном ряду у Intel появился более понятный и более харизматичный продукт – накопитель Optane SSD 900P, который тоже построен на памяти 3D XPoint, но позиционируется как полноценный функциональный аналог обычного SSD с небывало высоким уровнем производительности. Знакомству с ним и будет посвящён этот материал.

Начать же стоит с того, что Intel Optane SSD 900P — всё же не совсем привычный твердотельный накопитель. Поскольку это — дорогое решение со сравнительно небольшими ёмкостями, но высоким быстродействием, производитель ставит его на ступеньку выше SSD на базе флеш-памяти (причём даже тех, которые пользуются NVMe-интерфейсом). Поэтому, согласно видению Intel, Optane SSD 900P нужен лишь для самых высокопроизводительных компьютеров, и там он, подобно кеширующим накопителям Optane Memory, должен существовать не в одиночестве, а в компании с более ёмкими SSD или HDD. При этом на Optane SSD 900P, как полагает производитель, логично возложить роль загрузочного накопителя, а также доверить ему работу с наиболее сложными дисковыми сценариями. Насколько хорошо он способен справиться с этой ролью, мы и проверим.

⇡#Технические характеристики

О том, что представляет собой память 3D XPoint, на базе которой построен накопитель Intel Optane SSD 900P, мы подробно говорили в обзоре кеширующих накопителей Optane Memory. Если вкратце, то 3D XPoint — это принципиально новая разновидность энергонезависимой памяти, использующая эффект фазового перехода вещества (предположительно, сплава GeSbTe). Впрочем, авторы технологии, компании Intel и Micron, подробностей о строении 3D XPoint стараются не раскрывать и ограничиваются лишь общими словами. Поэтому достоверно известно лишь то, что новаторская энергонезависимая память производится по 20-нм технологии, а её устройства имеют двухслойное строение и обладают объёмом по 128 Гбит. Кроме того, утверждается, что в структуре 3D XPoint вообще не используются полупроводниковые транзисторы, а для адресации ячеек применяются некие селекторы.

Но для того чтобы понимать, чем так хорош и уникален Intel Optane SSD 900P, совсем не нужно досконально разбираться, как устроена 3D XPoint. С практической стороны значение имеет её общая архитектура, поскольку эта память – с прямым доступом. Каждая её ячейка может быть прочитана или записана независимо, то есть, грубо говоря, побитно. И это существенно отличается от страничного доступа, который используется при работе с NAND, где минимальный объем данных, к которому возможно обратиться за раз, – страница, размер которой в современных условиях составляет от 4 до 16 Кбайт. К тому же физические принципы устройства 3D XPoint таковы, что она не нуждается в процедуре предварительной подготовки (очистки), которую в случае NAND необходимо выполнять с блоками памяти перед записью туда какой-либо информации. Перепрограммирование ячеек 3D XPoint допустимо прямо поверх уже хранящихся в них данных.

Именно возможность прямого обращения к ячейкам 3D XPoint позволяет создавать на её основе производительные и надёжные накопители, которые по многим параметрам способны принципиально превзойти обычные SSD, где используется флеш-память. Другими словами, главное в Intel Optane SSD 900P – это уникальная память, и все его плюсы так или иначе следуют из гораздо более удобной в обращении архитектуры 3D XPoint. Если конкретнее, то получается следующее.

Во-первых, доступ к массиву 3D XPoint можно осуществлять в многоканальном режиме даже при мелкоблочных операциях. В классических SSD на базе флеш-памяти работа с небольшими блоками данных из-за страничного доступа проводится в одноканальном режиме, поскольку дробить блоки на составляющие объёмом меньше страницы нет никакого смысла. В случае же Optane SSD 900P порции размером даже менее 4 Кбайт могут быть разбиты на ещё более мелкие составные части и обслужены с высокой степенью параллелизма. Это обуславливает фантастические показатели производительности Optane SSD 900P при случайных операциях.

Во-вторых, накопители, построенные на 3D XPoint, не нуждаются в «сборке мусора», то есть в специальных алгоритмах, направленных на предварительную подготовку вышедших из использования ячеек памяти для последующих записей. Любая ячейка 3D XPoint может быть перезаписана в любой момент, поэтому для Intel Optane SSD 900P не требуется даже команда TRIM. А значит, производительность построенного на 3D XPoint накопителя постоянна и не будет падать даже тогда, когда контроллер по какой-то причине не сможет или не успеет заранее подготовить память для предстоящих операций. Таким образом, скорость Optane SSD 900P не проседает даже при непрерывных и длительных нагрузках.

Из «во-вторых» вытекает и «в-третьих »: накопителю на базе 3D XPoint не требуется сложная таблица трансляции логических адресов в физические (обычно она выполнена в виде двоичного дерева). Адресацию в массиве 3D XPoint можно строить заметно проще, а это, в свою очередь, позволяет отказаться от дополнительного DRAM-буфера, который в классических SSD задумывался прежде всего именно для ускорения работы с таблицей трансляции адресов. В конечном же итоге упрощение алгоритмов адресации положительно влияет на латентности, которые у Optane SSD 900P ещё ниже, чем у привычных твердотельных накопителей на базе NAND-памяти.

То, что у Optane SSD 900P нет DRAM-буфера, позволяет получить и ещё одно преимущество: такой накопитель устойчив к незапланированным отключениям питания. Отсутствие в нём какой-либо энергозависимой памяти, в которой хранится критически важная информация (а таблица трансляции адресов – это именно такая информация), даёт высокую вероятность сохранности данных даже тогда, когда перебой в электроснабжении пришёлся на момент активной работы. Это – в-четвертых.

И в-пятых, построенный на 3D XPoint накопитель в силу логики своей работы гораздо меньше изнашивает ячейки памяти. В случае классической флеш-памяти каждая запись требует выполнения двух этапов – стирания и собственно программирования, причём стирание происходит путём подачи на ячейку повышенного напряжения. Такие воздействия постепенно разрушают полупроводниковую структуру устройств NAND, обуславливая их конечный и сравнительно невысокий ресурс. Для работы с 3D XPoint никаких дополнительных процедур такого рода не требуется. Поэтому ячейки этой памяти «стареют» заметно медленнее, что в конечном итоге выливается в более высокую надёжность Optane SSD 900P по сравнению с привычными SSD.

Подытоживая преимущества 3D XPoint, компания Intel говорила о том, что её новая энергонезависимая память по своим свойствам находится между DRAM и NAND, и это в целом недалеко от истины. Что же касается ожидаемых характеристик продуктов на её основе, то для них назывался тысячекратный выигрыш по сравнению с NAND в латентности и как минимум десятикратный – в выносливости. Но это – теоретические выкладки. На практике всё оказалось не столь радужно, но тем не менее с точки зрения официальных спецификаций Intel Optane SSD 900P выглядит заметно лучше даже по сравнению с флагманскими NVMe SSD.

В приведённой таблице поражают две вещи: заявленная надёжность и скорости произвольного чтения и записи. Почему эти характеристики находятся на очень высоком уровне, мы развёрнуто прокомментировали по тексту выше: «спасибо» следует направлять в адрес технологии 3D XPoint. Однако на этом фоне несколько странно выглядят скорости последовательных операций, которые не только не дотягивают до пропускной способности интерфейса PCI Express 3.0 x4, но и оказываются заметно ниже показателей, обеспечиваемых флагманскими NVMe SSD на базе обычной NAND-памяти.

Объяснение здесь простое. Поскольку все операции с массивом 3D XPoint проводить заметно проще, чем с массивом NAND, в накопителе Optane SSD 900P применяется не слишком интеллектуальный контроллер. Для подключения устройств 3D XPoint он предлагает всего лишь семь каналов, плюс в нём не предусмотрено никакого уровня буферизации и вообще отсутствует DRAM-интерфейс. Конечно, этот контроллер получше, чем двухканальный чип Intel AHT40W14, который устанавливается в модули Optane Memory и поддерживает всего две, а не четыре линии PCI Express 3.0. Но для того чтобы выдать 3,5 Гбайт/с при последовательном чтении, как умеет Samsung 960 PRO, потенциала контроллера Optane SSD 900P уже не хватает.

Однако не стоит думать, что для потребительской версии своего накопителя компания Intel сделала какой-то специальный процессор с урезанными возможностями. Это не так: контроллер Intel SLL3D применяется не только в Optane SSD 900P, но и в серверных решениях на базе 3D XPoint, ориентированных на центры данных, например в накопителе Optane SSD DC P4800X. Потребительский Optane SSD 900P вообще является его очень близким родственником: разница между этими моделями есть лишь в объёмах и декларируемых показателях ресурса, а также в малозначительных мелочах вроде того, что у варианта для десктопов вырезана поддержка SMBus и отсутствуют диагностические светодиоды.

И это значит, что Intel не стала делать упор на скорости последовательных операций намеренно, а сосредоточилась на низких латентностях и быстродействии при произвольных операциях чтения и записи. Поэтому Optane SSD 900P – отнюдь не универсальный высокопроизводительный SSD, и у него есть своя чётко очерченная сфера применимости. В частности, этот накопитель не лучшим образом подойдёт для обработки видео и прочих последовательных данных. Зато с ролью системного накопителя, с которого предполагается выполнять загрузку операционной системы и ресурсоёмких приложений, Optane SSD 900P должен справляться очень неплохо. Кроме того, такой SSD может быть весьма полезен и в том случае, когда решаемые на компьютере задачи ворочают серьёзными объёмами памяти и без интенсивной работы с объёмным файлом подкачки попросту не обойтись.

Ограничивает спектр возможных применений Optane SSD 900P и состав модельного ряда, в котором на сегодняшний день есть лишь два варианта объёма – 280 и 480 Гбайт. Иными словами, в системе с таким накопителем обязательно должен быть предусмотрен ещё один какой-то носитель информации. Но это условие скорее временное, и в перспективе оно отпадёт. На сегодняшний день более вместительные версии Optane SSD 900P вряд ли бы имели шанс получить сколько-нибудь заметную популярность из-за высокой стоимости, ведь удельная цена накопителей на базе 3D XPoint за гигабайт составляет $1,25–1,38, что более чем вдвое больше удельной цены флагманских NVMe SSD на базе NAND-памяти. Но если посмотреть на серверных родственников Optane SSD 900P, то их объёмы уже готовятся взять полуторатерабайтный рубеж. Подобные версии, вероятно, станут доступны в среднесрочной перспективе и для пользователей настольных систем.

Ну и конечно, говоря о характеристиках Optane SSD 900P, нельзя не подчеркнуть его высочайшую выносливость. Ресурс этого накопителя определён из расчёта, что в течение пятилетнего гарантийного срока его можно десятикратно полностью перезаписывать хоть каждый день. Такие характеристики делают Optane SSD 900P если не вечным, то по крайней мере уж более надёжным хранилищем «горячих» данных по сравнению с любыми имеющимися на рынке SSD или HDD. Благодаря этому интеловская новинка наверняка может приглянуться тем пользователям, которые нарочито трепетно относятся к сохранности информации.

⇡#Внешний вид и внутреннее устройство

Intel Optane SSD 900P выпускается в двух исполнениях: либо в виде HHHL-карты расширения (половинной высоты), устанавливаемой в стандартный слот PCIe 3.0 x4, либо в 2,5-дюймовом форм-факторе U.2. В настоящий момент более удобным вариантом является первый: стандарт U.2 пока не слишком распространён, соответствующие разъёмы присутствуют лишь на одиночных материнских платах, а поиск необходимого для подключения U.2-накопителя SFF-8643/SFF-8639-кабеля – задачка не из простых. Именно поэтому для тестов мы выбрали накопитель в виде PCIe-платы.

По традиции исследование выполнялось на примере SSD с объёмом 480 Гбайт. Но в случае Intel Optane SSD 900P ёмкость на самом деле не оказывает на производительность никакого влияния. Ввиду того, что контроллер в таких накопителях обходится без буферизации, в нём нет и поддержки чередования устройств 3D XPoint в каналах – все операции проводятся синхронно. Это значит, что сколько бы кристаллов 3D XPoint ни было подключено в каждом канале контроллера, скорость работы от этого не зависит. И версии Optane SSD 900P ёмкостью 280 и 480 Гбайт выдают в тестах и в реальных приложениях практически одинаковые результаты.

Взятая нами для исследования версия Intel Optane SSD 900P 480 Гбайт в формате HHHL имеет стандартные для такого исполнения габариты и может устанавливаться как в полноразмерные, так и низкопрофильные корпуса. Высота платы – около 7 см, длина – порядка 17 см. Как и полагается в подобных случаях, в комплекте с накопителем поставляются две крепёжные планки различной высоты.

Обе стороны Optane SSD 900P оснащены пассивным теплоотводом: с лицевой стороны это массивный алюминиевый радиатор, с оборотной – теплорассеивающая пластина. Радиаторы – мера вынужденная. Накопитель на базе 3D XPoint достаточно горяч и под нагрузкой может выделять до 19 Вт тепла. Именно поэтому никаких аналогов Optane SSD 900P в M.2-форм-факторе нет и быть не может: имеющиеся и планируемые компактные решения на базе 3D XPoint опираются на другой, экономичный двухканальный контроллер.

Стоит напомнить, что изначально Intel планировала оснастить радиатор Optane SSD 900P светодиодной подсветкой. Но в конечном итоге этого не случилось, и система охлаждения на накопителе для энтузиастов оказалась такой же строгой, как и у серверных собратьев. Она полностью чёрная, на её лицевой стороне нанесен логотип Intel и название модели, на оборотной – имеется наклейка с номерами и артикулами. Кроме того, на этой этикетке размещена информация об объёме конкретного накопителя и версии микропрограммы, зашитой в накопитель на заводе.

«Раздеть» Optane SSD 900P не так просто. Помимо того, что плата накопителя зажата между частями системы охлаждения винтами со шлицами TORX, все микросхемы на ней снабжены клейкими термопрокладками, аккуратно отделить которые не представляется никакой возможности.

Под радиатором обнаруживается достаточно большое число однотипных микросхем 3D XPoint-памяти и чип контроллера Intel SLL3D. Всего на плате предусмотрено 28 посадочных мест под память, и все они у Optane SSD 900P 480 Гбайт заняты. Однако среди этих 28 чипов часть микросхем отличается: в то время как внутри 21 микросхемы находится по одному 128-гигабитному устройству 3D XPoint, семь микросхем из расположенных на лицевой стороне платы содержат сразу по два кристалла памяти. Таким образом, в массиве памяти Optane SSD 900P 480 Гбайт в общей сложности 35 устройств 3D XPoint, которые распределены по семи каналам – по пять устройств в каждом.

Получается, что полный массив памяти в 480-гигабайтной версии накопителя имеет объём 560 Гбайт, 21 процент ёмкости которого выведен из обращения и представляет собой некий резерв. Причём, поскольку никакая сборка мусора для Optane SSD 900P не требуется, весь этот запас может быть использован для хранения контрольных сумм и подмены выходящих из строя ячеек памяти. Вполне возможно, что высокая выносливость Optane SSD 900P во многом обусловлена именно этим, а вовсе не свойствами технологии 3D XPoint. Кстати говоря, с 280-гигабайтной версией ситуация такая же. Там массив памяти собран из 21 устройства и его реальная общая ёмкость достигает 336 Гбайт.

Помимо памяти и контроллера, на плате Optane SSD 900P нет ничего интересного. DRAM-буфер в конструкции накопителя не предусмотрен, нет в нём и никаких схем аварийного питания, несмотря на то, что он родственен серверной модели Optane SSD DC P4800X. Почему так, мы объясняли выше: всё это – абсолютно ненужные в случае 3D XPoint вещи.

⇡#Программное обеспечение

Компания Intel традиционно снабжает свои накопители достаточно функциональной утилитой SSD Toolbox, которая в последних версиях совместима и с Intel Optane SSD 900P. В целом она похожа на другие подобные программы, однако нужно понимать, что из-за особенностей 3D XPoint-памяти многие привычные функции обслуживания SSD в данном случае не нужны. В частности, для Optane SSD 900P нет необходимости в специальной настройке или передаче на накопитель команды TRIM, поэтому часть возможностей Intel SSD Toolbox в системе с этим накопителем будет недоступна.

Тем не менее утилита позволяет получить подробную информацию о состоянии накопителя и о значениях его параметров S.M.A.R.T.

Кроме этого, в SSD Toolbox есть возможность диагностического сканирования, во время которого можно проверить состояние и работоспособность массива памяти. Сканирование выполняется как в быстром, так и в полном режиме – разница состоит в том, затронет ли проверка весь массив памяти или лишь какую-то его часть.

Также с помощью SSD Toolbox можно проверить актуальность используемой накопителем микропрограммы и инициировать операцию Secure Erase (только в Windows 7).

Фирменная особенность интеловской сервисной утилиты – средство System Tuner. С его помощью можно посмотреть, какие критичные настройки, касающиеся дисковой подсистемы, имеются в операционной системе, а также получить рекомендации по их изменению.