😝 👨‍🔧 👟 Por que preciso de um SSD PCI Express 4.0? Explique o exemplo do Seagate FireCuda 520 📞 🙏🏽 🏇🏿

Hoje, queremos falar sobre um de nossos novos produtos - a unidade SSD Seagate FireCuda 520. Mas não se apresse em mudar a fita com os pensamentos "bem, outra revisão elogiosa do gadget da marca" - tentamos tornar o material útil e interessante. Sob o corte, focamos principalmente não no próprio dispositivo, mas na interface PCIe 4.0, que é usada nele. E nós lhe diremos o que esperar dele, quão bom ele é e a quem pode ser potencialmente útil.

Sejamos honestos: o padrão PCI Express 4.0 não é uma novidade. Os primeiros dispositivos com seu suporte apareceram no mercado consumidor no início do verão passado. Obrigado por dizer isso à AMD: foi ela quem criou as primeiras plataformas capazes de aceitar dispositivos com o PCI Express 4.0 e também fabricou esses dispositivos - são placas gráficas baseadas em GPUs com arquitetura RDNA.

O aumento na taxa de transferência sempre gera grandes expectativas, mas, como se viu, as placas de vídeo quase não se beneficiam da mudança para uma interface mais rápida. Pelo menos quando se trata de cargas de jogos. Como vários testes independentes mostraram, mesmo as placas mais rápidas que suportam o PCI Express 4.0, principalmente o Radeon RX 5700 XT, funcionam da mesma maneira ao usar uma interface nova e rápida ou quando conectadas ao barramento PCI Express 3.0 clássico.

Mas com SSDs é uma questão completamente diferente. O desempenho dos SSDs NVMe produtivos trabalhando através do PCI Express 3.0 (por exemplo, Seagate FireCuda 510), sob cargas lineares, depende claramente da largura de banda da interface. Portanto, a expansão da largura de banda é simplesmente obrigada a afetar positivamente os recursos dos subsistemas de disco de nova geração.

Uma boa ilustração do fato de haver pouca largura de banda é o fato de que, enquanto falamos dos primeiros dispositivos com suporte para PCI Express 4.0, o PCI Special Interest Group (PCI-SIG) já aprovou a especificação PCI Express 5.0, que dá mais um passo. no sentido de aumentar a velocidade das interfaces através das quais os processadores modernos se comunicam com dispositivos externos. Mas, de alguma forma, outra vez, hoje é o PCI Express 4.0 que está na agenda.

Qual a utilidade do PCI Express 4.0?

A especificação PCIe (Peripheral Component Interconnect Express) padroniza como as placas de expansão, como placas gráficas, controladores de som, adaptadores de rede e finalmente os SSDs NVMe, se comunicam com os componentes básicos que compõem a plataforma do PC. Quanto maior a especificação PCIe, maior a largura de banda que ela fornece. Além disso, quando se trata de slots PCIe, além da versão de especificação, eles também falam sobre o número de linhas, que é indicado como x1, x2, x4, x8 ou x16. Um número maior de linhas também oferece uma taxa de transferência mais alta devido à expansão do barramento e representa outra maneira extensa de melhorar as características de velocidade da interface. Mas se falamos sobre SSDs NVMe, essa abordagem é difícil de aplicar neles. Disponível no formato compacto M.2 SSDs para PCs podem usar duas ou no máximo quatro linhas, enquanto o suporte para até 16 linhas pode ser alocado apenas em placas de tamanho normal para slots PCIe. Por esse motivo, a introdução de novas versões do padrão PCIe é considerada um evento importante para o mercado de SSDs produtivos.

Todas as versões da especificação PCIe são compatíveis com versões anteriores. Unidades orientadas ao PCIe 4.0 também podem funcionar em plataformas nas quais apenas o PCIe 3.0 é suportado, e as placas-mãe com slots PCIe 4.0 podem instalar facilmente componentes que funcionam de acordo com o padrão PCIe 3.0. No entanto, em ambos os casos, o sistema funcionará com as velocidades do PCIe 3.0 - a versão mais nova do padrão, suportada pelos dois lados.

A principal inovação inerente ao PCIe 4.0 é a largura de banda duplicada de uma linha. Existem opções diferentes para estimativas numéricas das alterações, mas se falarmos sobre valores teóricos e de pico, a especificação PCIe 4.0 assume uma velocidade máxima de transferência de 1,97 GB / s em uma linha em cada direção, enquanto no PCIe 3.0 a velocidade máxima foi limitada por 0,98 GB / s Em algumas fontes, você pode encontrar indicadores duas vezes mais altos, mas isso ocorre porque eles indicam a taxa total de transferência de dados em ambas as direções.

Como dissemos acima, esse aumento na velocidade da interface na prática não é muito útil (ou melhor, quase completamente inútil) para placas gráficas. Ao mesmo tempo, os drives NVMe que trabalham em quatro faixas PCIe têm a oportunidade de bombear até 7,88 GB / s em um barramento a partir de quatro faixas (no caso ideal), o que abre amplo escopo para melhorar o desempenho.

Além de aumentar a taxa de transferência, o padrão PCIe 4.0 também oferece outras inovações. Por exemplo, ele contém novas oportunidades para reduzir o consumo de energia, além de funções mais abrangentes para virtualização de dispositivos. Mas a principal direção na qual os desenvolvedores se moveram ainda era o aumento de velocidade, e quase tudo foi feito principalmente por si. Por exemplo, várias melhorias na nova versão da interface visam melhorar a integridade dos sinais e a confiabilidade de sua transmissão. Em outras palavras, para a maioria dos consumidores, o PCIe 4.0 implica em uma taxa de transferência mais alta e nada mais.

Qual é a plataforma com suporte para o PCI Express 4.0?

Infelizmente, apesar de a própria especificação PCI Express 4.0 ter sido aprovada em 2017, ainda não existem muitas plataformas reais com suporte no mercado. Isso significa que, se você quiser usar uma nova geração de unidades de estado sólido de alto desempenho, terá que tomar cuidado não apenas para encontrar essa unidade, mas também para selecionar uma plataforma que possa revelar completamente seu potencial.

O fato é que apenas a AMD suportou a nova interface PCIe 4.0 até o momento, e mesmo isso é apenas fragmentário. É implementado em termos de seus processadores baseados na arquitetura Zen 2 e, mais especificamente, na série Ryzen 3000 para desktop e na série Threadripper 3000 de alto desempenho, mas, por exemplo, não na série móvel Ryzen 4000. Além disso, se o PCIe 4.0 for suportado em qualquer Socket sTR4 a placa-mãe do Threadripper de terceira geração, os processadores Ryzen 3000 poderão interagir com os periféricos PCIe 4.0 em velocidade máxima apenas em placas-mãe construídas com base no conjunto lógico X570, onde as linhas de sinal são projetadas para atender aos crescentes requisitos de blindagem e minimizar o ruído elétrico.

A boa notícia aqui é que os possíveis proprietários da Ryzen 3000 em breve poderão colocar à sua disposição outra classe de placas-mãe mais acessíveis, com suporte para placas de vídeo e unidades PCIe 4.0. Eles serão construídos no novo chipset B550, que será lançado nos próximos meses.

Quanto às plataformas Intel, elas ainda não suportam o PCIe 4.0. Além disso, os próximos processadores de desktop Comet Lake-S, que trarão consigo o novo soquete do processador LGA 1200 e os novos chipsets da série centésima centésima, o PCIe 4.0 também não receberá. Se falarmos sobre os sistemas de desktop em massa da Intel, o suporte a essa interface pode aparecer apenas com o lançamento dos processadores Rocket Lake, mas isso acontecerá no início do próximo ano. Mas essa interface pode entrar em sistemas móveis mais cedo: são anunciados planos para o PCIe 4.0 para os processadores Tiger Lake, cujo anúncio formal pode ocorrer neste verão. Além disso, não se pode descartar que os desktops de alto desempenho da classe HEDT também mudem para o PCIe 4.0 este ano: será possível,se a Intel decidir oferecer o Ice Lake-X nesse segmento - os análogos do Ice Lake-SP baseado em servidor.

Como resultado, apesar do PCIe 4.0 ser amplamente utilizado a médio prazo, no momento não existem tantas opções para os vendedores rápidos de SSD NVMe escolherem uma plataforma. O mais óbvio deles é o sistema Socket AM4, baseado no processador Ryzen 3000 e na placa-mãe X570.

E as unidades PCI Express 4.0?

Se você observar a variedade de SSDs NVMe com suporte ao PCIe 4.0, que é apresentado nas prateleiras das lojas, poderá sentir que o mercado está cheio de várias opções para soluções de alta velocidade da nova geração. No entanto, na realidade, essa impressão é enganosa. Apesar de a especificação do PCIe 4.0 existir há vários anos, os desenvolvedores de hardware ainda não conseguiram trazer um número suficiente de alternativas ao estágio de produção em massa.

O único controlador que os fabricantes de SSD agora podem usar para seus produtos é o Phison PS5016-E16. Além disso, na realidade, esse controlador não pode ser chamado de desenvolvimento completo de uma nova geração. É antes uma solução de transição baseada em outro chip PS5012-E12 anterior, no qual o bloco funcional responsável pelo barramento externo foi simplesmente substituído.

Para o usuário final, isso significa duas coisas. Antes de tudo, todas as unidades NVMe habilitadas para PCIe 4.0 no mercado não são muito diferentes umas das outras, pelo menos no que diz respeito ao desempenho. E se você perceber que, para um determinado produto, velocidades mais altas de passaporte são anunciadas repentinamente, isso provavelmente ocorre devido à astúcia dos profissionais de marketing e não a vantagens reais, porque, no final, o mesmo controlador é usado nos dois produtos. Em segundo lugar, as unidades PCIe 4.0 atuais ainda não podem se gabar de utilizar toda a largura de banda do novo barramento - as velocidades máximas prometidas pelo chip Phison PS5016-E16 são de 5 GB / s para leitura linear e 4,4 GB / s para registros.

Uma conseqüência importante se segue: no futuro, os SSDs NVMe podem dar outro salto no desempenho, mesmo sem mudar para a próxima versão da especificação PCI Express. Só é necessário aguardar o aparecimento de controladores mais novos com um núcleo reprojetado, adaptado aos recursos do PCIe 4.0. E essas soluções já estão sendo desenvolvidas. A aparência de um produto desse tipo é pelo menos esperada da Samsung; além disso, equipes de engenharia independentes trabalham em controladores mais avançados: Phison (PS5018-E18), Silicon Motion (SM2267), Marvell (88SS1321) e até o não muito famoso Innogrit (IG5236).

O único problema é que todo esse esplendor pode aparecer muito em breve. O desenvolvimento de controladores é um processo demorado, e sérios atrasos ocorrem frequentemente nos estágios finais - ao preparar o firmware ou durante a validação. Além disso, a pandemia de coronavírus teve um enorme impacto em toda a indústria, o que atrasou o lançamento de novos produtos.

Em outras palavras, você pode esperar algo melhor por um longo tempo e, se um subsistema de disco com desempenho mais alto for necessário agora, faz sentido pensar no que já está lá - as unidades no controlador Phison PS5016-E16. Embora não escolham a largura de banda completa das quatro pistas PCIe 4.0, elas podem apresentar um desempenho bastante bom em operações de blocos pequenos, que, segundo os desenvolvedores, atingem 750 mil IOPS. Isso é garantido tanto pelo design do controlador, baseado no processador ARM Cortex R5 de 32 bits de núcleo duplo, como por um conjunto de truques proprietários: cache SLC dinâmico e tecnologia CoXProcessor 2.0 - aceleração por hardware de cadeias de operação típicas.

Por que o Seagate FireCuda 520?

Foi dito acima que todas as unidades NVMe de consumidor existentes com suporte ao PCIe 4.0 são construídas com a mesma base - o controlador Phison PS5016-E16. No entanto, isso não significa que levar o primeiro SSD para o barramento PCIe 4.0 à loja seja uma boa idéia. Aqui, recomendamos prestar atenção ao Seagate FireCuda 520, mas não porque você está lendo este artigo no blog corporativo da Seagate.

O diabo está nos detalhes e, se você começar a entender, o Seagate FireCuda 520 pode ser mais atraente do que muitas alternativas no mesmo chip Phison PS5016-E16. Há várias razões para isso, mas todas se resumem a uma coisa: a memória flash instalada no FireCuda 520.

Formalmente, todas as unidades com o controlador Phison PS5016-E16 usam a mesma memória flash: BiCS4 de 96 camadas (TLC 3D NAND) fabricado pela Kioxia (anteriormente Toshiba Memory). No entanto, de fato, essa memória pode variar. Dependendo das prioridades que um fabricante específico escolheu para si, a memória pode estar relacionada a gradações de qualidade completamente diferentes. Por exemplo, nos produtos de empresas de terceiro nível, geralmente há uma memória flash com a finalidade de "mídia", que, de um modo geral, é destinada a unidades flash e cartões de memória, mas não a SSDs.

Com os discos da Seagate, isso está completamente fora de questão. A empresa não compra memória flash no mercado aberto, mas possui um contrato direto de longo prazo com a Kioxia, que foi concluído no momento em que a Toshiba se livrou da produção de memória. Graças a isso, obtemos chips NAND, como se costuma dizer, em primeira mão e temos acesso ao silício da melhor qualidade.

Isso é inevitavelmente refletido nos parâmetros de confiabilidade. Os representantes da série Seagate FireCuda 520 estão equipados com uma garantia de cinco anos e o recurso instalado permite substituir a capacidade total da unidade 1800 vezes, ou seja, em média uma vez por dia. Esses são indicadores de resistência muito alta, segundo os quais a oferta da Seagate, por exemplo, é três vezes maior que o popular Samsung 970 EVO Plus.

E então é hora de mostrar como o Seagate FireCuda 520 se parece de fora. Esta é uma placa M.2 do formato tradicional 2280 com microcircuitos localizados em ambos os lados.

Não há instalações de refrigeração especiais que outros fabricantes gostam de empilhar em suas unidades, devido ao fato de que quase cem por cento das placas-mãe com suporte ao PCIe 4.0 possuem seu próprio sistema de refrigeração para os slots M.2.

Caso contrário, a unidade é semelhante a outros produtos baseados no controlador Phison PS5016-E16, mas com uma diferença notável - o chip do controlador é rotulado como Seagate. Isso se deve ao fato de que os controladores do FireCuda 520 também foram comprados não no mercado aberto, mas feitos sob pedido especial. No entanto, para o usuário final, isso não significa muito, mas o que realmente importa é o uso de firmware modificado, que contém certas otimizações que distinguem a unidade Seagate de outros SSDs com o mesmo material de hardware.

É claro que o firmware dificilmente pode alterar significativamente as características de velocidade do controlador, no entanto, permite algo. Por exemplo, o FireCuda 520 possui a implementação do armazenamento em cache dinâmico do SLC, enquanto as unidades nos controladores Phison, lançadas anteriormente, usavam um cache estático do SLC com um volume bastante limitado. Uma nova abordagem permite gravar no FireCuda 520 com quantidades muito maiores de informações em alta velocidade.

Funciona de maneira muito simples: todos os dados que chegam ao drive são gravados na memória flash do TLC em um modo SLC de bit único muito rápido. As células usadas dessa maneira são transferidas para o estado TLC mais tarde, quando o usuário não acessa mais a unidade ou, se necessário, se o conjunto de células vazias se esgotar durante o processo de gravação. Em outras palavras, um terço do espaço livre no FireCuda 520 pode ser preenchido continuamente na velocidade máxima e a produtividade diminuirá. Mas vale a pena esperar um pouco, pois um terço do espaço livre restante pode ser usado novamente no modo de alta velocidade.

Aqui, por exemplo, parece um gráfico de gravação linear em um gráfico limpo no FireCuda 520 com capacidade de 2 TB.

Os primeiros 667 GB são gravados a uma velocidade de 4,1 GB / s, depois a velocidade cai drasticamente para 0,53 GB / s, mas você deve entender que durante o uso normal da unidade você não encontrará esse comportamento - para isso, é necessário um longo e contínuo registrar grandes quantidades de informações.

Além do firmware, o FireCuda 520 também é interessante com o software incluído. O utilitário proprietário SeaTools SSD é muito mais conveniente para monitorar o status dos SSDs do que os programas de terceiros. Além disso, permite atualizar o firmware, testar o desempenho e executar algumas operações adicionais, como diagnóstico avançado ou Apagamento seguro.

Também vale mencionar que os proprietários do FireCuda 520 podem baixar o programa DiscWizard no site da Seagate para uma migração suave de unidades de disco anteriores com a transferência de todos os dados e do sistema operacional.

Então é realmente rápido?

Resta fazer backup de tudo o que foi dito sobre as vantagens da interface PCI Express 4.0 e da unidade, com seu suporte com alguns resultados práticos. E com isso, não há dificuldade particular, porque o FireCuda 520 realmente tem um desempenho notavelmente mais alto, o que não está disponível para unidades da geração anterior. Apesar de existirem reclamações bem fundamentadas contra o controlador Phison PS5016-E16, relacionadas ao fato de ele ainda não utilizar toda a largura de banda do PCIe 4.0, os indicadores de velocidade do Seagate FireCuda 520 são obviamente mais altos do que os dos drives PCIe 3.0.

Na tabela a seguir, as características do Seagate FireCuda 520 são comparadas com as características do FireCuda 510 - modelo de SSD NVMe principal da Seagate, projetado para a interface PCIe 3.0 x4. Por exemplo, a comparação é limitada às opções de SSD de maior capacidade e alta velocidade, com capacidade de 2 TB, mas se você comparar as modificações de outras capacidades, a imagem será aproximadamente a mesma.

No entanto, as características do passaporte são uma coisa, mas a vida real é outra. Portanto, pegamos essas duas unidades - FireCuda 520 2 TB e FireCuda 510 2 TB - e comparamos em testes.

FireCuda 520 2 TB

FireCuda 510 2 TB

Os resultados do CrystalDiskMark requerem algum comentário. O novo SSD PCIe 4.0 mostrou-se notavelmente mais rápido que seu predecessor em velocidades lineares: a vantagem atinge quase uma vez e meia o tamanho e pode ser rastreada em filas profundas e mínimas de solicitações. O FireCuda 520 supera a versão anterior do NVMe SSD Seagate, mesmo em operações de pequenos blocos, embora não haja uma inovação tão impressionante aqui: tudo se resume ao fato de a lógica do controlador permanecer antiga. Assim, o FireCuda 520 irá brilhar principalmente com cargas sucessivas. Quanto às operações com blocos arbitrários de tamanho pequeno, a interface PCI Express 4.0, é claro, não pode fazer nada semelhante ao Optane em uma unidade flash.

Mas o fato de as operações lineares de alta velocidade serem um trunfo muito poderoso do FireCuda 520, é impossível negar. Isso pode ser visto com mais detalhes nos resultados do ATTO Disk Benchmark: assim que os blocos que trocam dados adquirem um volume de 128 KB ou mais, acompanhar o FireCuda 520 se torna impossível, mesmo em teoria (até o Optane não é capaz disso), uma vez que as velocidades de troca de dados vão além definido pela largura de banda da interface PCIe 3.0 x4.

FireCuda 520 2 TB

FireCuda 510 2 TB

Em testes sintéticos, tudo resulta mais do que convincente, mas o que na vida real? O PCMark 10 pode responder a essa pergunta - possui scripts que reproduzem a carga típica nas unidades durante o trabalho diário do usuário.

E, neste caso, o FireCuda 520 é mais rápido que seu antecessor em até 30%. Além disso, essa vantagem é expressa não apenas no aumento da velocidade das operações do disco, mas também em uma diminuição perceptível no tempo de reação do subsistema do disco. Esse padrão pode ser visto ao usar o SSD como a unidade única e universal (consulte a Referência do sistema completo). E no caso em que o SSD desempenha o papel exclusivo da unidade do sistema na qual o SO e o software estão instalados (consulte Referência Rápida da Unidade do Sistema). E mesmo quando o SSD é colocado sob uma "lavagem de arquivos" (consulte o Data Drive Benchmark), embora isso, francamente, seja muito raro.

As vantagens de velocidade do FireCuda 520 são fáceis de rastrear com a cópia regular de arquivos. O diagrama abaixo mostra os resultados do teste do DiskBench ao copiar um diretório ativo com arquivos diferentes, com um volume total de aproximadamente 20 GB dentro da unidade. Obviamente, esse aumento, como nos testes sintéticos, não é observado aqui, mas a transição para o PCIe 4.0 concede 25-30% a mais ao desempenho, sem dúvida.

Para variar, também é possível verificar com que rapidez a unidade PCIe 4.0 permite baixar aplicativos de jogos. Por exemplo, abaixo está o tempo de carregamento do nível no Final Fantasy XIV StormBlood (a escolha deste jogo se deve às convenientes ferramentas de monitoramento integradas a ele). Aqui, o ganho que o FireCuda 520 oferece no contexto do FireCuda 510 é um segundo mais ou menos, o que não é tão significativo, mas ainda é perceptível.

Mas, sob as cargas inerentes às estações de trabalho, o PCI Express 4.0, como eles dizem, deve ter. O fato é que os computadores voltados à criação de conteúdo profissional estão equipados com processadores multinúcleo muito poderosos e memória rápida. E, nesse caso, gargalos no sistema podem surgir facilmente no subsistema de disco. Por exemplo, muitos profissionais de vídeo costumavam preferir matrizes RAID a partir de SSDs, mas agora podem satisfazer suas necessidades escolhendo o FireCuda 520, que pode receber dados somente a velocidades superiores a 4 GB / s.

Todas essas considerações podem ser facilmente suportadas pelos resultados do teste SPECworkstation 3, que mostra claramente o significado de uma unidade com uma interface moderna: o FireCuda 520 lida com cenários difíceis de carga de disco profissional em média 22% mais rápido em comparação com o FireCuda 510.

Mas atenção especial deve ser dada ao desempenho da Operação Geral (a velocidade usual de trabalhar com arquivos durante o arquivamento e cópia, bem como durante o desenvolvimento de software) e Desenvolvimento de produtos (mostra a velocidade do trabalho em sistemas CAD / CAM e na solução de problemas da dinâmica de fluidos computacional). Aqui, o potencial inerente ao FireCuda 520 é revelado de forma especialmente convincente.

Sumário

Os exemplos acima são suficientes para duvidar que as unidades PCIe 4.0 realmente permitam obter maior desempenho e melhor capacidade de resposta ao resolver tarefas com muitos recursos. Portanto, ao criar um sistema de alto desempenho nos processadores multinúcleo AMD Ryzen 3000 ou Threadripper 3000, o uso dos mais modernos SSDs NVMe não deve ser negligenciado. O Seagate FireCuda 520 pode ser a escolha certa: não há absolutamente nada mais rápido nas lojas no momento.

Naturalmente, uma unidade PCIe 4.0 custará um pouco mais do que o FireCuda 510, mas as razões para isso são bem conhecidas. E o mais importante, o preço do FireCuda 520 é bastante comercializável, porque esse SSD custa quase o mesmo que os drives PCIe 4.0 alternativos de fabricantes de terceiros.

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