🏬 🧔🏾 ⛴️ ¿Por qué necesito una SSD PCI Express 4.0? Explicar el ejemplo de Seagate FireCuda 520 💛 💎 🙌🏼

Hoy queremos hablar sobre uno de nuestros nuevos productos: el Seagate FireCuda 520 SSD-drive. Pero no se apresure a voltear la cinta con los pensamientos "bueno, otra revisión elogiosa del gadget de la marca" - intentamos hacer que el material sea útil e interesante. Debajo del corte, nos enfocamos principalmente no en el dispositivo en sí, sino en la interfaz PCIe 4.0, que se usa en él. Y le diremos qué esperar de él, qué tan bueno es y para quién puede ser potencialmente útil.

Seamos honestos: el estándar PCI Express 4.0 no es una novedad. Los primeros dispositivos con su soporte aparecieron en el mercado de consumo ya el verano pasado. Gracias por decirle esto a AMD: fue ella quien creó las primeras plataformas que son capaces de aceptar dispositivos con PCI Express 4.0, y también hizo tales dispositivos por sí misma: estas son tarjetas gráficas basadas en GPU con arquitectura RDNA.

El aumento en el rendimiento siempre da lugar a grandes expectativas, pero, como resultado, las tarjetas de video casi no se benefician de cambiar a una interfaz más rápida. Al menos cuando se trata de cargas de juegos. Como han demostrado numerosas pruebas independientes, incluso las tarjetas más rápidas compatibles con PCI Express 4.0, principalmente la Radeon RX 5700 XT, funcionan de la misma manera cuando se usa una interfaz nueva y rápida, o cuando se conecta al bus PCI Express 3.0 clásico.

Pero con los SSD es un asunto completamente diferente. El rendimiento de los SSD NVMe productivos que funcionan a través de PCI Express 3.0 (por ejemplo, Seagate FireCuda 510), bajo cargas lineales, depende claramente del ancho de banda de la interfaz. Por lo tanto, la expansión del ancho de banda simplemente está obligada a afectar positivamente las capacidades de los subsistemas de disco de nueva generación.

Una buena ilustración del hecho de que hay poco ancho de banda es el hecho de que, mientras hablamos de los primeros dispositivos con soporte para PCI Express 4.0, el PCI Special Interest Group (PCI-SIG) ya aprobó la especificación PCI Express 5.0, que da un paso más en la dirección de aumentar las velocidades de las interfaces a través de las cuales los procesadores modernos se comunican con dispositivos externos. Pero de alguna otra manera, hoy es PCI Express 4.0 lo que está en la agenda.

¿De qué sirve PCI Express 4.0?

La especificación PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) estandariza la forma en que las tarjetas de expansión, como las tarjetas gráficas, los controladores de sonido, los adaptadores de red y, finalmente, los SSD NVMe, se comunican con los componentes básicos que conforman la plataforma de la PC. Cuanto mayor sea la especificación PCIe, mayor será el ancho de banda que proporciona. Además, cuando se trata de ranuras PCIe, además de la versión de especificación, también hablan sobre el número de líneas, que se denota como x1, x2, x4, x8 o x16. Un mayor número de líneas también proporciona un rendimiento múltiple más alto debido a la expansión del bus y representa otra forma extensa de mejorar las características de velocidad de la interfaz. Pero si hablamos de SSD NVMe, entonces este enfoque es difícil de aplicar en ellos. Disponible en el formato compacto factor M.2 SSD para PC pueden usar dos o un máximo de cuatro líneas, mientras que el soporte para hasta 16 líneas se puede asignar solo tarjetas de tamaño completo para ranuras PCIe. Por esta razón, la introducción de nuevas versiones del estándar PCIe se considera un evento clave para el mercado de los SSD productivos.

Todas las versiones de la especificación PCIe son compatibles con versiones anteriores. Las unidades orientadas a PCIe 4.0 también pueden funcionar en plataformas donde solo se admite PCIe 3.0, y las placas base con ranuras PCIe 4.0 pueden instalar fácilmente componentes que funcionan de acuerdo con el estándar PCIe 3.0. Sin embargo, en cualquier caso, el sistema funcionará con velocidades PCIe 3.0, la versión más joven del estándar, que es compatible en ambos lados.

La principal innovación inherente a PCIe 4.0 es el doble ancho de banda de una línea. Existen diferentes opciones para las estimaciones numéricas de los cambios, pero si hablamos de valores teóricos y pico, la especificación PCIe 4.0 supone una velocidad de transferencia máxima de 1.97 GB / s en una línea en cada dirección, mientras que en PCIe 3.0 la velocidad máxima estaba limitada por 0,98 GB / s En algunas fuentes, puede encontrar el doble de indicadores altos, pero esto se debe al hecho de que indican la tasa de transferencia de datos total en ambas direcciones.

Como dijimos anteriormente, tal aumento en la velocidad de la interfaz en la práctica no es muy útil (o más bien, casi completamente inútil) para las tarjetas gráficas. Al mismo tiempo, las unidades NVMe que funcionan a través de cuatro carriles PCIe tienen la oportunidad de bombear hasta 7,88 GB / s en un bus desde cuatro carriles (en el caso ideal), lo que les abre un amplio margen para mejorar el rendimiento.

Además de aumentar el rendimiento, el estándar PCIe 4.0 también ofrece otras innovaciones. Por ejemplo, contiene nuevas oportunidades para reducir el consumo de energía, así como funciones más amplias para la virtualización de dispositivos. Pero la dirección principal en la que se movieron los desarrolladores fue aún el aumento de las velocidades, y casi todo se hizo principalmente por su bien. Por ejemplo, una serie de mejoras en la nueva versión de la interfaz están destinadas a mejorar la integridad de las señales y la fiabilidad de su transmisión. En otras palabras, para la mayoría de los consumidores, PCIe 4.0 implica un mayor rendimiento y nada más.

¿Cuál es la plataforma con soporte para PCI Express 4.0?

Desafortunadamente, a pesar de que la especificación PCI Express 4.0 en sí fue aprobada en 2017, todavía no hay muchas plataformas reales con su soporte en el mercado. Esto significa que si desea utilizar una nueva generación de unidades de estado sólido de alto rendimiento, tendrá que tener cuidado no solo de encontrar dicha unidad, sino también de seleccionar una plataforma que pueda revelar completamente su potencial.

El hecho es que solo AMD ha soportado la nueva interfaz PCIe 4.0 hasta ahora, e incluso eso es solo fragmentario. Se implementa en términos de sus procesadores basados en la arquitectura Zen 2, y más específicamente, en la serie Ryzen 3000 de escritorio y en la serie Threadripper 3000 de alto rendimiento, pero, por ejemplo, no en la serie móvil Ryzen 4000. Además, si PCIe 4.0 es compatible con cualquier Socket sTR4 En la placa base para Threadripper de tercera generación, los procesadores Ryzen 3000 podrán interactuar con los periféricos PCIe 4.0 a toda velocidad solo en las placas base construidas sobre la base del conjunto lógico X570, donde las líneas de señal están diseñadas teniendo en cuenta los mayores requisitos de protección y minimización del ruido eléctrico.

La buena noticia aquí es que los propietarios potenciales de Ryzen 3000 pronto podrán tener a su disposición otra clase de placas base más asequibles con soporte para tarjetas de video y unidades PCIe 4.0. Se construirán en el nuevo chipset B550, que saldrá en los próximos meses.

En cuanto a las plataformas Intel, todavía no son compatibles con PCIe 4.0. Además, los próximos procesadores de escritorio Comet Lake-S, que traerán consigo el nuevo zócalo del procesador LGA 1200, y los nuevos conjuntos de chips de la serie cuatrocientos, PCIe 4.0 tampoco recibirán. Si hablamos de los sistemas de escritorio masivos de Intel, el soporte para esta interfaz puede aparecer solo con el lanzamiento de los procesadores Rocket Lake, pero esto sucederá a principios del próximo año. Pero esta interfaz puede entrar en sistemas móviles antes: se anuncian planes para PCIe 4.0 para los procesadores Tiger Lake, cuyo anuncio formal puede tener lugar este verano. Además, no se puede descartar que los equipos de escritorio de alto rendimiento de la clase HEDT cambien a PCIe 4.0 también este año: será posible,si Intel decide ofrecer Ice Lake-X en este segmento, los análogos de Ice Lake-SP basado en servidor.

Como resultado, a pesar del hecho de que PCIe 4.0 se utilizará ampliamente a mediano plazo, en este momento no hay tantas opciones para que los partidarios rápidos de SSD NVMe elijan una plataforma. El más obvio de estos es el sistema Socket AM4 basado en el procesador Ryzen 3000 y la placa base basada en X570.

¿Qué pasa con las unidades PCI Express 4.0?

Si observa la variedad de SSD NVMe con soporte PCIe 4.0, que se presenta en los estantes de las tiendas, puede tener la sensación de que el mercado está lleno de varias opciones para soluciones de alta velocidad de la nueva generación. Sin embargo, en realidad esta impresión es engañosa. A pesar del hecho de que la especificación PCIe 4.0 existe desde hace varios años, los desarrolladores de hardware aún no han logrado aportar una cantidad suficiente de alternativas a la etapa de producción en masa.

El único controlador que los fabricantes de SSD ahora pueden usar para sus productos es el Phison PS5016-E16. Además, en realidad, este controlador no puede llamarse un desarrollo completo de una nueva generación. Es más bien una solución de transición basada en otro chip anterior PS5012-E12, en el que simplemente se reemplazó el bloque de funciones responsable del bus externo.

Para el usuario final, esto significa dos cosas. En primer lugar, todas las unidades NVMe con PCIe 4.0 en el mercado no son muy diferentes entre sí, al menos en lo que respecta al rendimiento. Y si ve que para un determinado producto se anuncian repentinamente velocidades de pasaporte más altas, esto probablemente se deba a la astucia de los vendedores y no a ventajas reales, porque al final, se usa el mismo controlador en ambos productos. En segundo lugar, las unidades PCIe 4.0 actuales aún no pueden presumir de utilizar el ancho de banda completo del nuevo bus: las velocidades máximas prometidas por el chip Phison PS5016-E16 son de 5 GB / s para lectura lineal y 4.4 GB / s para registros.

Una consecuencia importante se deduce de lo anterior: en el futuro, los SSD NVMe pueden dar otro salto de rendimiento incluso sin cambiar a la próxima versión de la especificación PCI Express. Solo es necesario esperar la aparición de controladores más nuevos con un núcleo rediseñado adaptado a las capacidades de PCIe 4.0. Y tales soluciones ya se están desarrollando. Al menos se espera la aparición de un producto de este tipo por parte de Samsung, además, equipos de ingeniería independientes trabajan en controladores más avanzados: Phison (PS5018-E18), Silicon Motion (SM2267), Marvell (88SS1321) e incluso Innogrit (IG5236), que no es demasiado famoso.

El único problema es que todo este esplendor puede aparecer muy pronto. El desarrollo de controladores es un proceso largo y, a menudo, se producen retrasos graves en las etapas finales, al preparar el firmware o durante la validación. Además, la pandemia de coronavirus ha tenido un enorme impacto en toda la industria, lo que ha retrasado el lanzamiento de nuevos productos.

En otras palabras, puede esperar algo mejor durante mucho tiempo, y si se necesita un subsistema de disco de mayor rendimiento ahora, tiene sentido detenerse en lo que ya está allí: las unidades en el controlador Phison PS5016-E16. Aunque no eligen el ancho de banda completo de los cuatro carriles PCIe 4.0, pueden presumir de un rendimiento bastante bueno en operaciones de bloques pequeños, que, según los desarrolladores, alcanzan los 750 mil IOPS. Esto está garantizado tanto por el diseño del controlador, que se basa en el procesador ARM Cortex R5 de doble núcleo de 32 bits, como por un conjunto de trucos patentados: almacenamiento en caché SLC dinámico y tecnología CoXProcessor 2.0: aceleración de hardware de cadenas de operación típicas.

¿Por qué es Seagate FireCuda 520?

Se dijo anteriormente que todas las unidades NVMe de consumo existentes con soporte PCIe 4.0 están construidas sobre la misma base: el controlador Phison PS5016-E16. Sin embargo, esto no significa que sea una buena idea tomar el primer SSD para el bus PCIe 4.0 en la tienda. Aquí, le recomendamos que preste atención al Seagate FireCuda 520, pero no porque esté leyendo este artículo en el blog corporativo de Seagate.

El diablo está en los detalles y, si comienza a comprender, el Seagate FireCuda 520 puede ser más atractivo que muchas alternativas en el mismo chip Phison PS5016-E16. Hay varias razones para esto, pero todas se reducen a una sola cosa: la memoria flash instalada en FireCuda 520.

Formalmente, todas las unidades con el controlador Phison PS5016-E16 utilizan la misma memoria flash: BiCS4 de 96 capas (TLC 3D NAND) fabricado por Kioxia (anteriormente Toshiba Memory). Sin embargo, de hecho, esta memoria puede variar. Dependiendo de las prioridades que un fabricante en particular haya elegido para sí mismo, la memoria puede relacionarse con gradaciones de calidad completamente diferentes. Por ejemplo, en los productos de compañías de tercer nivel, a menudo hay una memoria flash con un propósito de "medios", que, en términos generales, está destinada a unidades flash y tarjetas de memoria, pero no a SSD.

Con las unidades Seagate, esto está completamente fuera de discusión. La compañía no compra memoria flash en el mercado abierto, pero tiene un contrato directo a largo plazo con Kioxia, que se concluyó en el momento en que Toshiba eliminó la producción de memoria. Gracias a esto, obtenemos chips NAND, como dicen, de primera mano y tenemos acceso al silicio de mejor calidad.

Esto se refleja inevitablemente en los parámetros de fiabilidad. Los representantes de la serie Seagate FireCuda 520 están equipados con una garantía de cinco años, y el recurso instalado le permite sobrescribir la capacidad total de la unidad 1800 veces, es decir, en promedio una vez al día. Estos son indicadores de resistencia muy alta, según los cuales la oferta de Seagate, por ejemplo, es tres veces mayor que el popular Samsung 970 EVO Plus.

Y luego es hora de mostrar cómo se ve el Seagate FireCuda 520 desde el exterior. Esta es una placa M.2 del factor de forma tradicional 2280 con microcircuitos ubicados a ambos lados.

No hay instalaciones de refrigeración especiales que a otros fabricantes les gusta apilar en sus unidades, debido al hecho de que casi el cien por ciento de las placas base con soporte PCIe 4.0 tienen sus propios sistemas de refrigeración para ranuras M.2.

De lo contrario, la unidad es similar a otros productos basados en el controlador Phison PS5016-E16, pero con una diferencia notable: el chip del controlador está etiquetado como Seagate. Esto se debe al hecho de que los controladores para el FireCuda 520 también se compraron no en el mercado abierto, sino que se hicieron por pedido especial. Sin embargo, para el usuario final esto no significa mucho, pero lo que realmente importa es el uso de firmware modificado, que contiene ciertas optimizaciones que distinguen la unidad Seagate de otras SSD con el mismo relleno de hardware.

Está claro que el firmware difícilmente puede cambiar significativamente las características de velocidad del controlador, sin embargo, permite algo. Por ejemplo, FireCuda 520 cuenta con la implementación del almacenamiento en caché SLC dinámico, mientras que las unidades en los controladores Phison, que se lanzaron anteriormente, usaban un caché SLC estático de un volumen bastante limitado. Un nuevo enfoque le permite grabar en FireCuda 520 con grandes cantidades de información a alta velocidad.

Funciona de manera muy simple: cualquier dato que llegue al disco se escribe en la memoria flash TLC en un modo SLC de un solo bit muy rápido. Las celdas utilizadas de esta manera se transfieren al estado TLC ya sea más tarde, cuando el usuario ya no accede a la unidad, o según sea necesario, si el grupo de celdas vacías se agota durante el proceso de grabación. En otras palabras, un tercio del espacio libre en FireCuda 520 se puede llenar continuamente a la velocidad máxima, luego la productividad disminuirá. Pero vale la pena esperar un poco, ya que un tercio del espacio libre restante se puede volver a utilizar en modo de alta velocidad.

Aquí, por ejemplo, parece un gráfico de grabación lineal en uno limpio en FireCuda 520 con una capacidad de 2 TB.

Para los primeros 667 GB, la grabación se realiza a una velocidad de 4.1 GB / s, luego la velocidad cae drásticamente a 0.53 GB / s, pero debe comprender que durante el uso normal de la unidad no encontrará este comportamiento, para esto necesita un tiempo largo y continuo registrar grandes cantidades de información.

Además del firmware, FireCuda 520 también es interesante con el software incluido. La utilidad patentada SeaTools SSD es mucho más conveniente para monitorear el estado de las SSD que los programas de terceros. Además, le permite actualizar el firmware, probar el rendimiento y realizar algunas operaciones adicionales, como diagnósticos avanzados o borrado seguro.

También vale la pena mencionar que los propietarios de FireCuda 520 pueden descargar el programa DiscWizard del sitio web de Seagate para realizar una migración sin problemas desde unidades de disco anteriores con la transferencia de todos los datos y el sistema operativo.

Entonces, ¿es realmente rápido?

Queda por hacer una copia de seguridad de todo lo dicho sobre las ventajas de la interfaz PCI Express 4.0 y la unidad con su soporte con algunos resultados prácticos. Y con esto no hay ninguna dificultad particular, porque el FireCuda 520 realmente tiene un rendimiento notablemente superior, que no está disponible para unidades de generaciones anteriores. A pesar del hecho de que existen reclamos bien fundados contra el controlador Phison PS5016-E16 relacionados con el hecho de que todavía no utiliza el ancho de banda completo PCIe 4.0, los indicadores de velocidad Seagate FireCuda 520 son obviamente más altos que los de las unidades PCIe 3.0.

En la siguiente tabla, las características del Seagate FireCuda 520 se comparan con las características del FireCuda 510, el modelo SSD NVMe insignia anterior de Seagate, que está diseñado para la interfaz PCIe 3.0 x4. Por ejemplo, la comparación se limita a las opciones de SSD más amplias y de mayor velocidad con una capacidad de 2 TB, pero si compara las modificaciones de otras capacidades entre sí, la imagen será aproximadamente la misma.

Sin embargo, las características del pasaporte son una cosa, pero la vida real es otra. Por lo tanto, acabamos de tomar estas dos unidades, FireCuda 520 2 TB y FireCuda 510 2 TB, y las comparamos en las pruebas.

FireCuda 520 2 TB

FireCuda 510 2 TB

Los resultados de CrystalDiskMark requieren algún comentario. El nuevo SSD PCIe 4.0 resultó ser notablemente más rápido que su predecesor en velocidades lineales: la ventaja alcanza casi una vez y media el tamaño y se puede rastrear en colas de solicitudes profundas y mínimas. FireCuda 520 supera la versión anterior de NVMe SSD Seagate incluso en operaciones de bloques pequeños, aunque no hay un avance tan impresionante aquí: todo se reduce al hecho de que la lógica del controlador sigue siendo antigua. Por lo tanto, el FireCuda 520 brillará principalmente con cargas sucesivas. En cuanto a las operaciones con bloques arbitrarios de pequeño tamaño, la interfaz PCI Express 4.0, por supuesto, no puede hacer nada similar a Optane desde una unidad flash.

Pero el hecho de que las operaciones lineales de alta velocidad son una carta de triunfo muy poderosa FireCuda 520, es imposible de negar. Esto se puede ver con más detalle en los resultados de ATTO Disk Benchmark: tan pronto como los bloques intercambiados por datos adquieren un volumen de 128 Kbytes o más, es imposible mantenerse al día con el FireCuda 520 incluso en teoría (incluso Optane no es capaz de esto), porque las velocidades de intercambio de datos van más allá establecido por el ancho de banda de la interfaz PCIe 3.0 x4.

FireCuda 520 2 TB

FireCuda 510 2 TB

En pruebas sintéticas, todo resulta más que convincente, pero ¿qué pasa en la vida real? PCMark 10 puede responder a esta pregunta: tiene scripts que reproducen la carga típica en las unidades durante el trabajo diario del usuario.

Y en este caso, el FireCuda 520 es más rápido que su predecesor hasta en un 30%. Además, esta ventaja se expresa no solo en el aumento de la velocidad de las operaciones de disco, sino también en una disminución notable en el tiempo de reacción del subsistema de disco. Este patrón se puede ver cuando se utiliza SSD como la unidad única y universal (consulte la Prueba comparativa de la unidad del sistema completo). Y en el caso de que el SSD desempeñe el papel exclusivo de la unidad del sistema en la que están instalados el sistema operativo y el software (consulte la Prueba comparativa de unidad del sistema rápido). E incluso cuando el SSD se coloca bajo un "lavado de archivos" (consulte el Benchmark de la unidad de datos), aunque, francamente, esto es muy raro.

Las ventajas de velocidad del FireCuda 520 son fáciles de rastrear con la copia de archivos regular. El siguiente diagrama muestra los resultados de la prueba DiskBench al copiar un directorio de trabajo con diferentes archivos con un volumen total de aproximadamente 20 GB dentro de la unidad. Por supuesto, aquí no se observa un aumento tal como en las pruebas sintéticas, pero la transición a PCIe 4.0 proporciona su 25-30% adicional al rendimiento sin dudas.

Para variar, también puede ver qué tan rápido la unidad PCIe 4.0 le permite descargar aplicaciones de juegos. Por ejemplo, a continuación se muestra el tiempo de carga del nivel en Final Fantasy XIV StormBlood (la elección de este juego se debe a las prácticas herramientas de monitoreo integradas). Aquí, la ganancia que proporciona el FireCuda 520 en el contexto del FireCuda 510 es un segundo más o menos, que no es tan significativo, pero aún notable.

Pero bajo las cargas inherentes a las estaciones de trabajo, PCI Express 4.0, como dicen, debe tener. El hecho es que las computadoras destinadas a la creación de contenido profesional están equipadas con procesadores multinúcleo muy potentes y memoria rápida. Y en este caso, los cuellos de botella en el sistema pueden surgir fácilmente en el subsistema de disco. Por ejemplo, muchos profesionales de video solían preferir las matrices RAID de los SSD, pero ahora pueden satisfacer sus necesidades eligiendo FireCuda 520, que puede recibir datos a velocidades de más de 4 GB / s solo.

Todas estas consideraciones pueden ser fácilmente respaldadas por los resultados de la prueba SPECworkstation 3, que muestra muy claramente la importancia de una unidad con una interfaz moderna: FireCuda 520 hace frente a escenarios de carga de disco profesional pesado en promedio 22% más rápido en comparación con FireCuda 510.

Pero se debe prestar especial atención al rendimiento de la Operación general (la velocidad habitual de trabajar con archivos durante el archivado y la copia, así como durante el desarrollo de software) y Desarrollo de productos (muestra la velocidad de trabajo en sistemas CAD / CAM y al resolver problemas de dinámica de fluidos computacional). Aquí, el potencial inherente a FireCuda 520 se revela especialmente convincente.

Resumen

Los ejemplos anteriores son suficientes para dudar de que las unidades PCIe 4.0 realmente le permitan obtener un mayor rendimiento y una mejor capacidad de respuesta al resolver tareas intensivas en recursos. Por lo tanto, al construir un sistema de alto rendimiento en procesadores AMD Ryzen 3000 o Threadripper 3000 multi-core, no se debe descuidar el uso de los SSD NVMe más modernos. Seagate FireCuda 520 puede ser la opción correcta: no hay absolutamente nada más rápido en las tiendas en este momento.

Naturalmente, una unidad PCIe 4.0 costará un poco más que la FireCuda 510, pero los motivos se entienden bien. Y lo más importante, el precio del FireCuda 520 es bastante comercializable, ya que este SSD cuesta casi lo mismo que las unidades PCIe 4.0 alternativas de fabricantes de tercer nivel.

: Ryzen 9 3900X, ASRock X570 Creator 16 DDR4-3200 SDRAM (16-16-16-32). Windows 10 Professional 1909 NVMe- Standard NVM Express Controller 10.0.18362.1.