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新技术回馈经典产品:三星970EVO Plus深度对比测试

上传:zhaosf030310     来源:信息存储服务     日期:2021-11-18

[摘要]  
   随着英特尔第12代酷睿的问世,NVMe SSD全面进入PCIe 4.0时代,但PCIe 3.0 SSD并没有因此失去价值。在新主控和新闪存技术反哺之下,PCIe 3.0时代的经典旗舰产品性能得以再进一步
 
[正文]    

   随着英特尔第12代酷睿的问世,NVMe SSD全面进入PCIe 4.0时代,但PCIe 3.0 SSD并没有因此失去价值。在新主控和新闪存技术反哺之下,PCIe 3.0时代的经典旗舰产品性能得以再进一步。

新技术回馈经典产品:三星970EVO Plus深度对比测试

新技术回馈经典产品:

   在980PRO问世之后,三星又推出了DRAMLess无缓存方案的980系列,唯独不见介于二者之间的980EVO身影。其实“980EVO”早已降临市场,它就是新版970EVO Plus:采用了980PRO同系列EPLIS主控、以及同代V6 12x层堆叠TLC闪存。

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   5月产的为旧版本,6月产的是新版本。背面对比:带有SAMSUNG SSD字样的是新版本。

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   不过SSD命名受到产品营销等诸多方面的影响,最终市场没有迎来980EVO,而是新版970EVO Plus从内到外的改变。最直观的就是PHOENIX主控升级为ELPIS主控。新主控跳过10nm直接进入8nm工艺,一跃成为当前工艺制程最先进的消费级SSD主控,对降低发热、减少过热引发的限速将有很大帮助。

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   在24度室温、关闭所有节能特性后,新版970EVO Plus 1TB待机温度41度,而老版970EVO Plus 1TB的待机温度比新版高出5度左右。这是8nm新工艺带来的变化之一。

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   ELPIS主控也被应用在PCIe 4.0旗舰型号980PRO当中,支持更高的128个IO队列,是PHOENIX主控的四倍。新版970EVO Plus中使用的是带有PCIe 3.0 PHY的ELPIS,除了不支持PCIe 4.0接口外,更智能的SLC缓存算法、更精细的温控算法都得到保留,这些也是来自PCIe 4.0旗舰的技术红利。

   通过IOMeter对新老两款三星970EVO Plus 1TB进行128KB QD32顺序读取满载压力测试,利用HWiNFO64进行记录。通过这个测试可以看到新旧两版本970EVO Plus在温控算法上的差异。

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   分析数据结果可以看到,新版970EVO Plus的满载温度比旧版低7度,并且性能更强。在600秒左右的测试过程中,新版比旧版多读取了303060MB的数据,平均下来每秒比旧版快500MB/s以上。

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   新版970EVO Plus的主控本身发热量比旧版小,而且固件中的温度控制算法更加智能,不会引发剧烈的速度波动,整体性能明显优于老款。

闪存大容量化的阵痛:

   如果说新版三星970EVO Plus是全面升级,肯定会有很多网友反对。用512Gb die替换256Gb die导致SLC缓存外写入速度下滑是新版970EP的最大痛点,而这是闪存大容量化发展路上的一个不可避免的阵痛时期。下图是新旧两版本970EVO Plus 1TB的闪存颗粒对比,左为新版,右为旧版。

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   一方面,由于主控能够管理的CE数量有限,大容量SSD需要使用更大的闪存die。另一方面,更大的闪存die在成本上具有优势,未来选择512Gb die的SSD会越来越多。如果同样使用V6 12x层堆叠3D TLC NAND闪存的新版970EVO Plus无法和PCIe 4.0旗舰的980PRO充分地拉开价差,恐怕玩家会很难接受。

   从2020年Tech Insights的一份报告中可以看到,铠侠和SK Hynix的512Gb TLC的单位容量成本要比256Gb TLC低不少。当时的三星92层3D TLC是个例外,512Gb成本和256Gb差不多。不过大的发展趋势应该是明确的,高密度闪存在增加SSD容量的同时可以降低每GB容量的价格。

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   不过高密度闪存也有不足,同代闪存当中512Gb die的写入性能、读取延迟通常都不如256Gb die。以铠侠BiCS3为例,256Gb的读取延迟为67us,512Gb延迟增加到90us、256Gb的编程延迟2.3ms,512Gb增加到3.3ms,体现在测试成绩上就是SLC缓存外写入速度降低和4K读取速度下降。

   新版三星970EP是用12x层堆叠的512Gb die更换上一代9x层堆叠256Gb die,同时又有8nm Elpis主控升级加持。最终在SSD层面上,读取延迟这项直接关系到使用体验的性能指标不但没有劣化,反而得到了提升。

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   上图为三星970EVO Plus 1TB新旧对比,下图为三星970EVO Plus 2TB新旧对比,左为新版,右为旧版。

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   至于SLC缓存外的写入速度,以1TB容量为例, PCIe 3.0主流级SSD每秒写入数据量通常为0.0005倍全盘容量,PCIe 3.0旗舰级通常为0.001倍全盘容量,PCIe 4.0旗舰接近0.002倍全盘容量。

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   新版970EP依然处于它所在定位的正常水平之上,只是固件的SLC缓存释放前置(SLC缓存用完就开始释放,而不是等空白块全部用尽才开始),所以通过HDTune文件基准测试才会得出偏低的成绩。

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   同时我们也要看到,上面的SLC缓存理论测试跟实际使用情况是有些脱节的。SSD作为系统盘很少会遇到一次写入上百GB数据的情况,所以还是需要从实际应用出发去看待问题。

PCMark 10完整系统盘基准测试:

   PCMark 10完整系统盘基准针对当代最新固态硬盘的广泛测试,涵盖了系统开机启动、Adobe设计套件应用、Office办公套件应用、图片/ISO文件拷贝复制、多个游戏加载过程等测试内容。测试需要至少80GB的硬盘空间,单次测试产生的写入量达到204GB,复杂度超过了PCMark 8存储测试。

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   导出详细测试数据后我们重点分析Windows 10系统启动、游戏加载、以及日常办公部分的内容,这些都是PC系统盘最常见的工作负载。

   Windows开机启动过程是典型的IO密集型工作,SSD会在很大程度上影响开机速度。通过对比不难发现,新版970EVO Plus的性能明显优于旧版:

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   游戏加载过程同样有SSD的大量参与,PCMark 10完整系统盘基准中包含了战地5、使命召唤15和守望先锋三个游戏的加载过程,对比可发现很多信息:1.老版970EVO Plus 2TB的性能略低于老版970EVO Plus 1TB,在容量提升的同时性能略有降低;2.新版970EVO Plus 2TB的性能和新版970EVO Plus 1TB相比基本一致,还略有提高;3.新版970EVO Plus整体优于老版本。

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   Adobe设计软件的测试项目分成了加载和应用两部分,加载部分和游戏项目的情况类似,都是新版比旧版快,新版2TB容量没有旧版的性能问题,速度比1TB容量更快。

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   Adboe设计软件的应用部分出现一个小小的意外,在印刷和数字媒体排版软件InDesign使用过程中,老版970EVO Plus比新版更快,其他项目如Photoshop轻负载/重负载、Illustrator应用、Affter Effects应用,都是新版比旧版快。

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SLC缓存深入测试:

   上面的PCMark 10完整系统盘基准测试是在空盘条件下进行的。由于新版970EVO Plus拥有比旧版大2.7到2.85倍的SLC缓存容量,或许有朋友会质疑空盘测试的说服力。接下来我们就详细分析ELPIS主控下新版970EVO Plus的SLC缓存策略。

   新版970EVO Plus 1TB空盘时的SLC缓存容量为114GB,而旧款1TB是42GB。

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50%半盘容量测试:

   测试的第一步是使用IOMeter生成不可压缩数据,向970EVO Plus填充一半空间,休息过后新旧两个版本970EVO Plus 1TB的CrystalDiskMark测速都能恢复到和空盘时相同的水平(左新版,右旧版):

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半盘状态下新版970EVO Plus 1TB的可用SLC缓存容量依然是114GB。

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旧版当然也没有变化,仍然是42GB:

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70%空间使用率测试:

   继续利用IOMeter向盘内填充更多不可压缩数据,直至全盘空间使用率达到70%的高占用水平。空闲休息使SLC缓存自动释放,CrystalDiskMark测速同空盘时基本一致(左新版,右旧版):

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   70%空间使用率状态下新版970EVO Plus 1TB的可用SLC缓存容量变为67GB左右,仍然大于旧版的42GB。

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新技术回馈经典产品:三星970EVO Plus深度对比测试

80%空间使用率测试:

   继续增加难度,使用IOMeter将盘内空间使用率推高到80%的水平,此时盘内剩余空间为186GB左右。在这种近满盘状态下新版970EVO Plus 1TB的SLC缓存释放策略更加积极,CrystalDiskMark的一些测试项目成绩开始受到缓存释放的影响,但整体上依然优于旧版表现。

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   80%空间使用率状态下新版970EVO Plus 1TB的可用SLC缓存容量变为6GB左右,容量同旧版持平。

新技术回馈经典产品:三星970EVO Plus深度对比测试

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   80%及更高空间使用率下无论是新版还是旧版,都已经变为固定SLC缓存模式。此时新版970EVO Plus 1TB在写入速度上的劣势应该是彻底展现出来了。那么实际应用性能会有怎样的变化呢?我们还是使用PCMark 10完整系统盘基准测试来验证:总成绩上来看新版依然比旧版高。

新技术回馈经典产品:三星970EVO Plus深度对比测试

下面导出详细测试数据进行分析。

   新版970EVO Plus 1TB在盘内空间使用率超过80%后,系统启动性能会出现下滑,但依然比旧版快:

新技术回馈经典产品:三星970EVO Plus深度对比测试

   对于新版三星970EVO Plus 1TB来说,截止到70%空间占用率时,游戏加载性能以及Adobe设计软件启动性能依然同空盘时一致。在达到80%空间占用率后,新版970EVO Plus的性能下滑,但同旧版相比基本仍在同等水平上。

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   Adobe设计软件使用过程中,新版970EVO Plus 1TB在空间使用率达到80%之后,同旧版相比互有胜负。

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   简单总结一下,盘内空间使用率在80%以下时,新版970EVO Plus全面领先于旧版;盘内空间使用率大于80%时,新版和旧版的性能表现几乎不分上下。

   以上都是1TB容量下的对比,2TB型号的情况相对简单一些。新版970EVO Plus 2TB的缓存容量更大,而且缓存外写入速度也和旧版一样,甚至更高一些。

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SLC缓存技术的发展:

   三星840EVO首创用TLC模拟SLC来提升SSD爆发性能的TurboWrite技术,SLC缓存现在已经成为几乎所有消费级固态硬盘的标配特性。从其发展历史来看,基本可以分为固定SLC缓存、全盘SLC缓存、动态SLC缓存等若干阶段。固定SLC缓存的算法最为简单,仅使用OP预留空间的闪存空白块模拟SLC,闪存磨损均衡也较为容易,但缓存容量较小,爆发力不足。

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   在固定SLC缓存之后又流行起了全盘SLC缓存,这是一种激进的缓存策略:将SSD内全部闪存空白位置用于模拟SLC供写入使用,优点是缓存容量最大化,缺陷是缓存用完后的性能惩罚严重:SSD需要边释放边写入新数据,性能一致性不好。

   动态SLC缓存介于二者之间,它可以超过OP预留空间范围去借用用户空间,但固件主动限制了SLC缓存的总容量,以避免后期出现严重性能惩罚。比如铠侠RD20以及大部分群联公版固件的1TB容量NVMe固态硬盘最大SLC缓存容量限制为24GB、旧版三星970EVO Plus 1TB的最大SLC缓存容量限制为42GB。

   从980PRO开始,三星推出了缓存容量更大的TurboWrite 2.0技术,1TB型号可以提供超过100GB的SLC缓存,在提升爆发写入性能的同时还通过算法优化减少了速度波动,使得使用体验更加顺滑。随着ELPIS主控的应用,TurboWrite 2.0也进入到新版970EVO Plus当中。

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总结:

   新版970EVO Plus在主控和闪存两端都应用了源自980PRO的新技术。尽管新版出于产品定位需要而采用了512Gb die,SLC缓存外写入速度略有遗憾,但从整体上来看,新版970EVO Plus 1TB在实际应用中的表现比旧版产品更好。如果对存储空间的需求较高,选择2TB容量的新版970EVO Plus可以彻底打消你的全部疑虑。

   (新闻稿 2021-11-18)


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