Seznam kapitol
Názvy SSD jsou mnohdy krkolomnou přehlídkou zkratek. Dnešní článek vysvětlí, co znamenají, a jak se podílí na celkovém výkonu SSD.
NAND čipy aneb od SLC až po QLC
Vliv na spoustu vlastností SSD má typ paměťových čipů NAND. V zásadě se nám tady bijí parametry, jako je životnost, rychlost a cena. První NAND čipy byly typu SLC (Single-Level Cell), kdy v paměťové buňce mohla být akorát 0 nebo 1. Tedy dva možné stavy. To má výhodu ve velmi vysoké životnosti, spolehlivosti záznamu i rychlosti. Nevýhoda je, že je to drahé. Bylo to pekelně drahé v minulosti a pekelně drahé je to dodnes.
Proto se přechází k systémům, které jsou schopné do jedné buňky uložit více stavů (více bitů). To klade zvýšené nároky na přesné nastavení napětí, kdy je potřeba přesně rozlišovat mezi několika různými hranicemi. V případě QLC, které dokáže uložit 4 bity na buňku, to znamená nutnost od sebe odlišit 16 různých napěťových úrovní, tedy se správně trefit do 16 oblastí hodnot napětí oddělených 15 rozhodovacími prahy. S každým navýšením počtu bitů v buňce se počet rozlišovacích úrovní zdvojnásobuje a rozdíl mezi nimi zmenšuje. Současně roste riziko, že budou ovlivněny hodnoty uložené v sousedních buňkách, což zvyšuje potřebu samoopravných mechanismů.
- SLC (Single-Level Cell)
- 1 bit na buňku (2 stavy 0 a 1)
- Vysoká životnost na desetitisíce cyklů, extrémně vysoká rychlost
- Dnes se ve spotřebitelské sféře nepoužívá (pouze jako pseudoSLC cache, kdy se TLC/QLC buňka dočasně chová jako SLC), v průmyslové ještě ano
- MLC (Multi-Level Cell)
- 2 bity na buňku (4 stavy 00 až 11)
- Životnost ve vyšších tisících cyklů (zejména od 3D NAND verzí), vysoká rychlost
- Dříve high-endová SSD (Samsung 970 PRO), dnes ve spotřebitelské sféře neexistuje
- TLC (Triple-Level Cell)
- 3 bity na buňku (8 stavů 000 až 111)
- Dobrý kompromis mezi rychlostí, životností (vyšší stovky až nižší tisíce cyklů) a cenou
- Dnes obvykle mainstream až high-endové SSD
- QLC (Quad-Level Cell)
- 4 bity na buňku (16 stavů 0000 až 1111)
- Nízká cena, nižší udávaná životnost (stovky cyklů) a výraznější propad rychlosti po vyčerpání bufferu
- levnější spotřebitelská SSD až mainstream
- PLC (Penta-Level Cell)
- 5 bitů na buňku (32 stavů 00000 až 11111)
- Prozatím nesmyslná technologie, úspora na ceně zdaleka neodpovídá propadu výkonu
- Demonstrované prototypy, komerčně zatím nenasazeno
Jen pro zajímavost, Samsung 990 má uvedenou životnost na 400 TBW (TeraBytes Written), což při kapacitě 1 TB znamená 400 hostitelských přepisů, tedy zápis 400násobku kapacity SSD (což nicméně může znamenat více NAND zápisů, třeba i více než 500). Toto se ale týká záruky dané výrobcem, ne skutečné životnosti. Ta může být klidně mnohonásobně vyšší.
Cache paměti (DRAM, pSLC buffer,…)
Hodně zamotané je to s vyrovnávacími pamětmi (cache). Ty totiž mohou být více typů k několika různým účelům. Je tedy potřeba rozlišovat, o které paměti je vlastně řeč. V zásadě tu totiž máme dvě využití, kde se setkáváme s cache pamětí v případě SSD. Ještě než však začneme, připomeňme, proč vůbec cache paměti obecně existují. Ty mají za úkol vyrovnávat rozdílné rychlosti dvou paměťových úložišť tak, aby jedno nemuselo čekat na druhé. V případě SSD jde tedy o následující:
- ukládání metadat (mapovací tabulka L2P)
- ukládání uživatelských dat
Jako první začneme ukládáním metadat. Některá SSD mají DRAM paměť pro mapovací tabulky, které převádí logické adresy na fyzické (tu najdeme např. u Samsung 9100 Pro). Obvykle mají velikost 1 GB DRAM na 1 TB kapacity. Tato vyrovnávací paměť ovlivňuje zejména výkon u náhodných operací. Paměť je ale drahá, a tak se dnes DRAM z SSD často přesouvá do RAM počítače. Taková SSD jsou obvykle označená jako DRAM-less, což se týká i Samsungu 990.
Pokud SSD tuto paměť DRAM nemá, obvykle využívá technologii HMB (Host Memory Buffer), kdy si část RAM paměti počítače vyhradí pro tyto potřeby, a tak se tato vyrovnávací paměť nenachází na samotném SSD, ale v RAM paměti počítače. Nemívá však tak vysokou kapacitu. Např. u testovaného SSD od Samsungu s kapacitou 1 TB měl tento buffer jen 64 MB proti 1 GB, kterou by měla DRAM verze (s pamětí přímo na SSD).
Málokdy je ale potřeba aktivně pracovat s desítkami GB najednou, a to navíc náhodně v malých souborech, proto ani není tak striktně nutné držet tabulku pro celé SSD (většinou se u velkých přenosů pracuje sekvenčně). Proto si v RAM drží jen 64 MB pro adresování používané části SSD, takže nepojme celý 1 TB, ale jen informace pro ta data, se kterými se právě pracuje. Zbytek si SSD drží u sebe v pomalejších pamětech.
Pro drtivou většinu případů to stačí a RAM zůstane pro potřebnější úlohy, přičemž toto je důležité u náhodných přístupů. Při přenosu 200 GB velkých dat se pracuje s navazujícími adresami, takže řadič potřebuje jen relativně malou aktivní část informací pro mapování a přístup k nim je dobře předvídatelný. Vliv HMB je v takových případech minimální a je víceméně jedno, zda se to do DRAM vejde nebo ne.
Nyní přejděme na vyrovnávací paměť pro ukládání uživatelských dat. Zde se dnes obvykle využívá technologie, kterou nazýváme pSLC buffer. Jde o pseudo-SLC buffer, kdy SSD zapisuje do buněk jen po jednom bitu. Pracuje tak jako SLC SSD, tedy s opravdu velmi vysokou rychlostí. Tato kapacita je obvykle dynamická a může být až tak velká, že se tímto způsobem mohou zapsat data na téměř všechny volné paměťové buňky SSD. V případě původně volného 1TB SSD se tak může v SLC režimu zapsat zhruba 250 GB dat a nezbyla by takřka žádná volná buňka (obvykle to ale nastane o něco dříve). V praxi to pak může fungovat následovně:
- Zápis do pSLC bufferu. Zapisuje se 1bitově, a takto se zapíše do buněk téměř celého SSD (kolik, to záleží na konkrétním SSD). Poněvadž má ale např. 1TB SSD v SLC režimu jen čtvrtinovou kapacitu (do jedné buňky se nezapisují 4 bity, ale jen jeden), vyčerpání bufferu obvykle nastává někde před dosažením čtvrtiny kapacity, tedy 250 GB. Tady SSD může dosahovat své plné rychlosti dané propustností rozhraní, rychlostí čipů a konkrétní situací. Nezřídka to ale není tak jednoduché, benchmarky s masivním paralelismem jsou totiž jedna věc a reálné přenosy věc jiná, navíc na pozadí se děje více věcí, které tuto hranici mohou ovlivnit. Tohle jsou pak ony zápisy v tisících MB/s.
- Aktivní folding. Kapacita bufferu došla, zbývá už jen menší část volné kapacity. SSD musí uvolňovat paměť zapsanou v režimu SLC, tato data uložit v režimu TLC/QLC a do této uvolněné paměti pak dávat v TLC/QLC režimu nově příchozí data. Tady už u QLC pamětí můžeme pozorovat rychlosti i kolem 100 MB/s.
- Nativní zápis do TLC/QLC. SSD dokončilo překlápění dat zapsaných SLC metodou na TLC/QLC. Zbývá tedy už jen uvolněná kapacita pro nativní zápis, takže SSD už zapisuje 3 bity na buňku (TLC) nebo 4 bity na buňku (QLC). To je výrazně pomalejší než pSLC, ale naopak o něco rychlejší než folding, protože se už ukládají jen nově příchozí data a ne i ta překlápěná. Rychlosti jsou obvykle v řádech stovek MB/s.
A ani tady to nemáme tak jednoduché. Zatímco některá SSD fungují na tomto principu a zdá se, že takto by mohlo fungovat dnes testovaný Samsung 990, některé to dělají opačně a fázi 2 a 3 prohazují (po vyčerpání pSLC začnou do zbytku volného místa zapisovat nejprve nativně, takže rychlost klesne na nějakou střední hodnotu, po úplném vyčerpání kapacity SSD pak přejdou na folding a rychlost padne úplně na zem). Jak uvidíme později na Samsungu 990, při různém zaplnění dokáže SSD střídat tyto režimy. Pojďme to tedy otestovat několika různými způsoby.
Na úplně čisté SSD jsem pomocí H2testw nechal zapisovat data. Po 210 GB zapsaných dat primárně pomocí SLC (to pokryje množství buněk, které by v nativním QLC režimu pojaly zhruba 840 GB dat) s rychlostí cca 1970 MB/s se SSD patrně přepnulo na folding. Tady je rovněž vidět, že klasický zápis bývá v praxi mnohem pomalejší než zápisy v benchmarcích.
Začalo se tak pravděpodobně zapisovat nově příchozí data pomocí QLC stylu (4 bity na buňku), přičemž se patrně zároveň přehazovala SLC data na QLC, aby SSD uvolnilo místo, a to je pomalé (v tomto případě jen 143 MB/s). Když se takto celý SLC buffer překlopil na QLC, zatímco se současně ukládala i nová data (po zapsání celkových 650 GB dat), mohlo se SSD už soustředit jen na QLC zápis nově příchozích dat. A tak rychlost v nativním QLC zápisu stoupla na zhruba 210 MB/s. Tady připomínáme, že přesné fungování SSD řadiče a firmwaru neznáme, ale chování by tomu napovídalo.
Tady jsem měl SSD zaplněné z 50 %. Jak je vidět, pSLC buffer vydržel už jen na zápisu zhruba 70 GB dat rychlostí cca 1800 MB/s, pak se rychlost na dalších 40 GB propadla na 210 MB/s a později už byla v průměru jen 125 MB/s. Později jsem zkoušel i zápis v rámci Windows a výsledná prvotní rychlost byla sice nižších cca 1200 MB/s, ale buffer vydržel na zapsání téměř 110 GB dat.
No a když jsem to zkusil při 75% zaplnění SSD, tak zde prvních 20 GB jelo zhruba na 1750 MB/s, pak to spadlo na zhruba 140 MB/s s foldingem a po dalších cca 120 GB se rychlost dostala na 210 MB/s, tedy na nativní zápis.
Jako poslední jsem přes H2testw vyzkoušel i 85% zaplnění. V tomto případě byla rychlost zhruba necelých 1700 MB/s, přičemž buffer vydržel jen na 13 GB dat. Dalších 25 GB byla rychlost okolo 135 MB/s, pak vyskočila na 210 MB/s, se kterými jsme se setkali už několikrát.
Z toho je viditelné, že pokud chcete zachovat vysoký výkon vašeho SSD, bohužel budete muset nechat značnou část kapacity prázdnou, jinak pSLC buffer takřka přestane existovat, bude výrazně omezen a vydrží jen na menší množství dat.
Kolik to je, to závisí na každém SSD jinak. Jaký to má vliv konkrétně u Samsungu 990, to si ukážeme níže, obecně se doporučuje mít volných alespoň 10-20 %, osobně bych to na základě testů posunul spíše na 20-30 %, pokud si chcete maximální rychlost zachovat i na větší přenosy v řádech menších desítek GB.
Hodně ale záleží také na tom, jak dlouho je to od doby, kdy jste naposledy kopírovali, tedy zda se už stačila všechna data z pSLC překlopit na QLC, což SSD dělá foldingem potichu na pozadí, aniž byste o tom cokoli věděli nebo to mohli zjistit.
V podstatě jediný náznak toho, že je nejspíš hotovo, může dát teplota SSD. Pokud zápis skončil, ale teploty jsou pořád vysoké jako v případě zápisu, pravděpodobně se stále přepisují data z pSLC do QLC. Když tak po 10 minutách testované SSD stále ukazovalo teplotu řadiče okolo 88-90 °C a teplotu čipů kolem 62 °C, bylo pravděpodobné, že se ještě zapisuje a probíhá folding. Teprve až teploty spadly blíže k 70 °C pro řadič a pod 55 °C pro čipy, napovídalo to tomu, že je asi klid.
V další části se podíváme ještě na jednu věc spojenou s předchozím, jen to rozvedeme ještě trochu dále. Už víme, že se větším zaplněním SSD zmenšuje kapacita pSLC bufferu. Nyní se na to podíváme v benchmarku CrystalDiskMark, který byl nejprve využit s tím, že se testoval 1 GB dat. Využití tohoto benchmarku se sice může zdát být neadekvátní, ale je tu jeden trik. Přípravná fáze benchmarku. Ta totiž na SSD zapíše soubor, na kterém onen test provádí, a právě na této přípravné fázi se dá dobře pozorovat, jaký má SSD výkon. Aktuální přenosovou rychlost jsem totiž měřil přes HWiNFO.
Pokud se pracovalo jen s 1 GB dat, v zásadě se to na výkonu nijak výrazně neprojevilo a i dosažené výkony u výrazně zaplněného SSD (z 85 %) spadly jen o nějaká 2-5 % u sekvenčních zápisů, náhodné zápisy pak lítaly všemi možnými směry (někdy bylo nejrychlejší i téměř zaplněné SSD). PseudoSLC cache tedy 1 GB dat dokázala ještě pobrat. Ale teď to teprve bude zajímavé.
Když jsem použil 64 GB testovací prostor (ten se na začátku testu vytvoří), výsledky byly výrazně odlišné. Začneme nejprve u zápisu, protože ten vysvětlí i čtení. U prázdného SSD není problém, vše se vejde do pSLC cache a máme tu tak cca 5600 MB/s. Je to o něco méně než s 1GB nastavením, ale v zásadě pořád na podobné úrovni.
Když už se ale dostaneme na 57% zaplnění a volných je jen 400 GB, pSLC buffer může mít teoreticky max. kapacitu kolem 100 GB. Fakticky je ale tato hodnota níže, a tak po slibném začátku zápisu do pSLC cache se následně zápis překlopil do QLC režimu. Tentokrát buffer vydržel na 59 GB, což je méně než 70 GB u 50% zaplnění. Méně vydržel ze dvou důvodů. Jednak bylo k dispozici méně volného místa, jednak se zapisovalo rychleji.
Rychlost v benchmarku byla dokonce jen necelých 314 MB/s. Část testovacího zápisu totiž proběhla ještě rychle v pSLC režimu, další část už kvůli vyčerpání bufferu podle všeho probíhala v QLC režimu.
To je také pravděpodobným vysvětlením pomalejšího čtení. Zatímco u 0% zaplnění se vše zapíše do pSLC a drtivá většina dat se tak přečte z pSLC, zde byla nemalá část buněk zapsaná v QLC režimu, a tak se i pomaleji čte. On je totiž rozdíl číst buňky, kde je jen jeden bit a je nutno rozlišit mezi dvěma různými hodně vzdálenými hodnotami napětí, nebo číst buňky, které v sobě mají uloženy čtyři bity, tedy je nutno rozlišovat mezi 16 natěsno nastavenými prahy úrovní napětí.
Při 85% naplnění je to vidět ještě o to více. Tady už máme volných jen 136 GB a pSLC buffer tedy téměř neexistuje, vydržel jen na 10 GB dat. Jak je vidět, prvních 10 GB se držel někde okolo 3700-4700 MB/s, to ještě byl k dispozici malý buffer. Pak se už ale zbytek zapisoval v QLC režimu a tato příprava 64GiB místa pro provedení samotného benchmarku mu zabrala téměř 9 minut. Po vyčerpání bufferu spadla rychlost na 105 MB/s a výsledek samotného benchmarku pak byl 155 MB/s, kdy se už na SSD zapisovalo z drtivé většiny v QLC režimu po vyčerpání bufferu.
U čtení opět narážíme na to, že se většina testu načetla z buněk zapsaných pomocí QLC, a tak se rychlost čtení propadla na mírně přes 3760 MB/s.
Níže vidíte tabulku různých testů velikostí bufferů, které jsem provedl pomocí aplikace H2testw. Jak je vidět, volná kapacita SSD zásadně ovlivňuje velikost bufferu, nicméně mírný vliv má i rychlost tohoto zápisu. Čím pomaleji zapisujete, tím delší dobu má SSD na folding a uvolňování místa pro znovupoužití buněk jako pSLC cache.
Jak je to patrné u 85% zaplnění u CrystalDiskMarku, který zapisoval rychlostmi přes 4 GB/s, buffer došel už za 2,5 sekundy a 10 GB. U H2testw se zapisovací rychlostí 1700 MB/s SSD vydrželo 7,5 sekundy na zhruba 12,5 GB (tedy za těch 5 sekund navíc zvládl uvolnit cca 2,5 GB navíc). A ve Windows, kdy byl zápis nejpomalejší s rychlostí 1200 MB/s, vydrželo SSD na 12,5 sekundy, než mu došel 15GB buffer. Tady opět vidíme uvolnění dalšího 2,5 GB za 5 sekund, které dostal navíc pomalejším zápisem. Z toho nám vychází uvolňování zhruba rychlostí 500 MB/s a počáteční kapacita bufferu 8,75 GB (10 GB - 2,5 s × 0,5 GB/s) pro 85% zaplnění.
| Zaplnění | Volné místo | CrystalDiskMark (3700-4700 MB/s) | H2testw (1700-2000 MB/s) | Windows (1200 MB/s) |
| 0 % | 931 GB | - | 210 GB | - |
| 50 % | 465 GB | - | 70 GB | 110 GB |
| 57 % | 400 GB | 59 GB | - | - |
| 75 % | 233 GB | - | 20 GB | - |
| 85 % | 136 GB | 10 GB | 12,5 GB | 15 GB |
Co to znamená pro vás jako uživatele? Musíte počítat s tím, že čím více bude SSD zaplněno, tím rychleji vám bude docházet pSLC buffer. A ve výsledku tak bude klesat průměrná rychlost zápisu. Na druhou stranu první GB a někdy i desítky GB budou velmi rychlé i při hodně obsazeném SSD. Takže při běžné práci to nejspíš ani výrazněji nepostřehnete, pokud tedy nepřenášíte desítky gigabajtů. Jinak řečeno, zaplněním SSD se neztrácí jeho maximální rychlost, ale především schopnost tuto rychlost dlouho udržet.
Velkou roli tu hraje i typ pamětí. U TLC se nativní zápis často pohybuje ve vyšších stovkách MB/s a u výkonnějších modelů může překročit 1 GB/s. U některých QLC SSD ale může po vyčerpání cache spadnout až někam ke 100-200 MB/s, jak ukazuje i náš Samsung 990. Pochopitelně můžete mít i pomalejší, ale i rychlejší SSD, než co zde uvádím, ale pravděpodobně se budete pohybovat někde tady. Nejenže tak s QLC budete kopírovat déle, ale SSD se bude také kvůli foldingu déle zotavovat. V plné síle tak může být třeba až za několik desítek minut.
Pokud jde o čtení, tam nejvyšších hodnot dosáhnete u čerstvě nahraných dat, která jsou ještě v pSLC. V našem případě jsme se dostali z cca 6500 (rychlost ihned po zápisu, kdy byla patrně ještě většina dat v pSLC) na 3750 MB/s (rychlost, kdy byla data kvůli vyčerpání bufferu už ukládána zejména v QLC režimu).
Rychlost závisí na velikosti souboru aneb není soubor jako soubor
Spousta nedorozumění pramení i z toho, že výrobci uvádí maximální možnou rychlost, zatímco ta praktická bývá mnohdy na zlomku inzerovaných hodnot. Obvykle za to může hned několik věcí. Máme tu režii operačního systému při praktických přenosech, to je nejvíce citelné zejména u malých souborů. Zatímco u velkých souborů mohou být přenosové rychlosti vysoké, u těch malých to SSD rozhodně moc nevoní.
My se nyní nepodíváme na malé soubory, ale malé bloky, nicméně to spolu do značné míry souvisí. Použijeme benchmark ATTO Disk Bench, který to ukazuje na různě velkých blocích. A to mějme na paměti, že jde o syntetický benchmark, který ukazuje vyšší hodnoty, než jakých se dočkáme v praxi.
Jak sami vidíte, u 512bajtových bloků benchmark ukazuje rychlosti okolo 50 MB/s, což postupně roste, a u 256kiB jsme už na více než 5 GB/s. Malé bloky jsou prostě pohroma (špatný poměr přenesených dat vůči režii přenosu, neboť režie na jeden požadavek je zhruba konstantní bez ohledu na jeho velikost).
V praxi něco podobného vidíme i u přenosů malých souborů. I tam je to dáno obrovskou režií na přenesené množství dat, a to i ze strany režie souborového systému. U každého malého souboru totiž musí soubor najít, načíst, alokovat místo v cíli, zapsat, aktualizovat jeho metadata, zavřít a spoustu operací, a to jen kvůli pár bajtům, zatímco u velkého souboru se tyto operace provedou jednou na obrovský balík dat.
Jak se to projevuje v praxi a ne benchmarku, uvidíme zde. Výše vidíte graf přenosů jednoho obřího 120GB souboru. Ten se přenesl za 93 sekund, což znamená průměrnou přenosovou rychlost okolo 1320 MB/s.
V tomto případě byla přenášena 80GB složka se hrou. Většinou tu byly 1GB soubory, ale složka obsahovala také několik set malých souborů. Poněvadž byla většina souborů velkých, průměrná rychlost byla při času lehce nad 64 sekund na úrovni 1275 MB/s.
Třetí test obsahoval složku o velikosti 6,7 GB s 7783 soubory (různými dokumenty). Průměrná velikost se tak pohybovala pod 1 MB a na rychlosti to už bylo znát. Přenos zabral 39,5 sekundy, což znamenalo průměrnou rychlost okolo 174 MB/s.
Nakonec tu máme ještě složku s 2,43 GB, která obsahovala 26,8 tisíc souborů různě porozhazovaných do složek. Na jeden soubor tak připadalo méně než 100 kB. Zatímco jako jeden 2,43GB soubor by se to přenášelo možná tak dvě sekundy, tady to trvalo 106 sekund. Průměrná rychlost těchto přenosů činila jen 23,5 MB/s.
