Производительность SSD с PCI-Express 4.0 на платформе X570 + Ryzen 3000

За последние две недели платформы с процессорами третьего поколения AMD Ryzen стали самой обсуждаемой среди компьютерных энтузиастов всего мира темой.

Введение

У нас, например, помимо обзоров, посвященных собственно процессорам Ryzen 7 3700X и Ryzen 9 3900X, есть обзоры, в которых рассматриваются отдельные аспекты взаимодействия компонентов системы: в частности, мы рассмотрели относительно бюджетный вариант установки новых процессоров на материнские платы AMD 400-й серии, которые можно использовать вместо платы X570, стоящей не менее $170. В обзоре платформ X470 + Ryzen 3000 показано, что с точки зрения производительности CPU и памяти существенной разницы между платами X570 и X470 нет. Мы даже устанавливали процессор Ryzen 9 3900X на дешевую плату с чипсетом B350, и результаты нас приятно удивили. Мы также выясняли, как отражается на производительности новой видеокарты Radeon RX 5700 XT с интерфейсом PCI-Express 4.0 x16 использование предыдущих версий PCIe, – оказалось, что никак. И, наконец, мы рассмотрели, как память DDR4 взаимодействует с архитектурой Zen 2, – результаты тестов показали, что совершенно необязательно тратить кучу денег на быструю память с прицелом на платформу Ryzen 3000.

С учетом всего вышеперечисленного у нас остается только один весомый аргумент в пользу X570 – апгрейд NVMe SSD. Процессоры AMD Zen 2 Ryzen 3000 – это первые в мире процессоры пользовательского класса с поддержкой версии интерфейса PCI-Express 4.0, которая предлагает вдвое большую пропускную способность по сравнению с PCIe 3.0. Каждая линия обеспечивает передачу данных со скоростью 16 Гбит/с (или 2 ГБ/с) – таким образом, четырехлинейный интерфейс M.2 NVMe SSD дает максимальную скорость 8 ГБ/с. На Computex-2019 было представлено много моделей M.2 NVMe SSD популярных марок, поддерживающих PCI-Express 4.0 и предлагающих скорости последовательной передачи данных в районе 5000 МБ/с и выше. Такие показатели производительности заведомо выше тех, которые может предложить версия интерфейса PCIe 3.0 x4: там теоретический лимит скорости на четырех линиях составляет 4 ГБ/с, а фактические значения ближе к 3.5 ГБ/с. Увеличение скорости SSD всегда приветствуется, поскольку накопители по-прежнему остаются одними из самых медленных компонентов современных ПК.

Исходя из этого, мы решили протестировать на платформе Ryzen 3000 один из таких недавно анонсированных SSD с поддержкой PCI-Express 4.0, а именно – модель NVMe SSD Gen4 серии GIGABYTE AORUS – диск формата M.2-2280, объединяющий в себе контроллер Phison PS5015-E16, флэш-память 3D TLC NAND от Toshiba и DRAM-кэш. Согласно документации, этот накопитель предлагает скорости чтения и записи до 5000 и 4400 МБ/с соответственно. Что интересно – похоже, все выпущенные к настоящему моменту пользовательские диски с PCIe 4.0 имеют в своем составе этот контроллер.

В данном обзоре мы рассмотрим результаты тестирования вышеупомянутого диска GIGABYTE AORUS на материнской плате ASRock X570 Taichi с текущим флагманским процессором AMD Ryzen 9 3900X; основной исследуемый вопрос здесь – как изменяется производительность SSD в реальных приложениях в зависимости от версии интерфейса PCIe: 4.0, 3.0 и 2.0. Мы специально сфокусировались на тестах из реальной практики, поскольку не хотели просто гонять программу, которая может выдать более презентабельный результат, чем тот, который вы получите в работе со своими приложениями.

Для сравнения мы протестировали на платформе AMD также диск ADATA SX8200 Pro с интерфейсом PCI-Express 3.0, который работал настолько быстро, насколько мог. Эти результаты показывают производительность, предлагаемую SSD с предыдущей версией интерфейса и другим контроллером (Silicon Motion SM2262ENG).

Впечатляющие результаты синтетических тестов приведены ниже. Они подтверждают, что PCI-Express 4.0 действительно предлагает более высокую скорость по сравнению с предыдущими версиями PCI-Express.

SSD-накопитель

Диск Gigabyte Aorus NVMe Gen4 содержит четыре чипа флэш-памяти и два чипа DRAM; все чипы памяти обмениваются данными с контроллером SSD Phison.

Диск Gigabyte оснащен большим радиатором, который может показаться неожиданно тяжелым из-за высокого содержания меди. В отличие от других радиаторов, он охватывает диск со всех сторон, обеспечивая отвод тепла с верхней и нижней поверхности диска.

Phison PS5016-E16-32 – это новый восьмиканальный контроллер SSD, который был впервые представлен в этом году на Computex в Тайване. В его состав входит двухъядерный ARM-контроллер, работающий совместно с двумя "ядрами CO-X-процессора", которые, по-видимому, являются частью проприетарного ускоряющего блока Phison.

В чипах флэш-памяти Toshiba TABHG65AWV BiCS4 используется 96-слойная память 3D TLC NAND.

Два выделенных чипа DRAM SKhynix H5AN8GNCJRVKC DDR4-2133 предоставляют 2 ГБ быстрой памяти под адресные таблицы контроллера.

Тестовая конфигурация

Суммарные показатели производительности

По результатам проведенных тестов разница между PCI-Express 4.0 и PCI-Express 3.0 в реальных приложениях составила всего 1%. Однако, если мы посмотрим на устаревающую версию интерфейса PCI-Express 2.0, то увидим заметно большую разницу – целых 4%.

Одна из наиболее популярных моделей SSD с PCIe 3.0 – диск ADATA SX8200 Pro с контроллером SMI. Несмотря на более слабую версию интерфейса (Gen3), он все-таки смог превзойти SSD Gigabyte Gen4.

Отдельного внимания заслуживает результат этого же диска, выделенный серым цветом (с пометкой "Intel"). Этот результат получен в составе системной конфигурации с процессором Core i7-7700K, которую мы обычно используем для тестирования SSD. И хотя сравнение здесь не совсем корректное (с точки зрения соответствия друг другу отдельных компонентов каждой тестовой конфигурации), данный пример наглядно показывает, насколько сильно на производительность накопителя может повлиять апгрейд системы – в той ее части, которая вообще не относится к подсистеме хранения данных, – гораздо сильнее, чем апгрейд самого накопителя до SSD с интерфейсом PCIe 4.0.

Рабочие температуры

Хотя это не вполне соответствует теме данного обзора, некоторые читатели интересуются температурными показателями. Я измерил температуру диска в процессе последовательной записи с максимальной скоростью, при котором выделяется наибольшее количество тепла и записывается больший объем данных (в ГБ) по сравнению со случайной записью. В этом тесте диск работал без какого-либо воздушного охлаждения – я отключил вентиляторы чипсета и видеокарты.

Без радиатора диск нагрелся до 100 °C за 30 секунд, и это еще хороший результат – за такое короткое время диск успел записать 120 ГБ данных. После этого начался троттлинг и скорость записи упала до уровня 300-500 МБ/с, то есть нагрев диска до 100 °C означает выход за пределы рабочего диапазона температур.

С радиатором диск Gigabyte в том же режиме максимальной нагрузки нагрелся только до 80 °C, никакого троттлинга не было – очень впечатляющий результат.

Результаты отдельных бенчмарков

Заключение

Нам действительно было интересно выяснить, какой практический выигрыш в производительности дает накопитель NVMe SSD с поддержкой супербыстрой версии PCI-Express 4.0, поэтому мы провели тестирование по расширенной программе с использованием реальных приложений, а не только синтетических бенчмарков, не учитывающих специфику работы современных приложений. И хотя результаты синтетических тестов с PCI-Express 4.0 впечатляют – скорость передачи данных действительно достигает 5 ГБ/с, что на 43% быстрее по сравнению со скоростью этого же SSD в режиме опции PCI-Express 3.0, в реальных приложениях фактическая прибавка к скорости невелика. По результатам наших тестов средняя прибавка составила всего 1% – на практике вы ее даже не заметите.

По-видимому, эта проблема связана не со скоростью последовательной передачи данных, которая достаточно высока, а со скоростью выполнения операций случайного ввода/вывода, которая в реальных приложениях имеет большее значение. А результаты синтетических тестов показывают, что скорость случайного чтения/записи четырехкилобайтных файлов у всех трех опций PCIe практически одинакова, по крайней мере, у SSD с контроллером Phison. В нашей подборке тестов только один из них показал существенное преимущество PCIe 4.0 – это тест "ISO File Copy", в котором копируется файл размером 4 ГБ. Если вы целыми днями занимаетесь копированием больших файлов, то SSD с PCIe 4.0 – как раз для вас. Правда, хотелось бы знать, откуда и куда вы копируете данные. Чтобы получить те самые высокие скорости, нужно, чтобы их поддерживал и источник данных, и принимающая сторона, поэтому можно сразу исключить из рассмотрения сетевые ресурсы, диски SATA, устройства с USB, Thunderbolt и вообще все остальные интерфейсы. А если вы копируете данные с одного NVMe SSD на другой, то вам лучше потратиться на диски MLC, потому что память TLC не сможет поддерживать такие скорости. Структура TLC обусловливает очень медленную запись, и производители SSD обходят это препятствие путем выделения участка флэш-памяти, работающего в режиме псевдо-SLC; это позволяет получить выигрыш в скорости, но за счет уменьшения емкости, поскольку здесь требуется задействовать втрое больше ячеек памяти по сравнению с TLC. Еще одним «узким местом» может стать нагрев SSD, который при использовании интерфейса Gen4 однозначно усилится, потому что контроллеру придется обрабатывать больше данных за более короткие промежутки времени, что в конечном счете приведет к перегреву и троттлингу. Поэтому SSD Gigabyte оснащен массивным радиатором, который работает очень эффективно и при этом стильно выглядит.

Как показали результаты тестов, контроллер Phison E16 реализует возможности нового интерфейса не по максимуму – даже в последовательном чтении. Идеальным результатом было бы удвоение фактической пропускной способности версии PCIe 3.0, то есть скорость последовательного чтения около 7 ГБ/с. Конечно, 5 ГБ/с – тоже впечатляющий результат, но это не вдвое больше, тогда как некоторые люди, говоря о PCIe 4.0, подразумевают в первую очередь "вдвое большие скорости". Однако я уверен, что мы в конце концов увидим и намного более быстрые SSD-контроллеры, которые доведут скорости передачи данных до еще более высоких значений, причем и в части случайного ввода/вывода, – вот тогда производительность в реальных приложениях пойдет вверх.

Будущее интерфейса PCIe 4.0 выглядит радужным, и мы полагаем, что крупнейшие производители, например, Samsung, выпустят диски, которые будут использовать его пропускную способность более эффективно. Мы также оптимистично оцениваем перспективы бюджетных дисков с контроллерами PCIe 4.0 x2, в которых стоимость контроллера ниже, а по производительности они должны быть сопоставимы с сегодняшними SSD с PCIe 3.0 x4. К сожалению, две оставшиеся линии PCIe использоваться не будут, поскольку они не могут волшебным образом взять и переключиться на другие слоты или устройства. Хотя теоретически производители материнских плат могут подключить к слоту M.2 только две линии PCIe, а две оставшиеся использовать как угодно, верится в это с трудом, поскольку подавляющее большинство потребителей ориентировано на "x4" и платы с "всего-навсего x2" будут никому не интересны. Более реалистичный вариант – переключатели PCIe, наподобие тех, которые сегодня используются в конфигурациях слотов видеокарт x16/x8x8, но это не самое дешевое решение, которое увеличит стоимость материнской платы.

Результат с пометкой "Intel", показывающий, насколько отличается производительность SSD с PCIe Gen3 на платформе Intel от производительности того же SSD на платформе Zen 2, служит наглядным примером того, что довольно внятную прибавку к производительности накопителя можно получить, заменив медленный процессор на быстрый, то есть вообще не касаясь подсистемы хранения данных. Это также пример выгодного вложения средств: на деньги, сэкономленные на апгрейде SSD, можно купить более быстрый процессор, дополнительные модули памяти или более быструю видеокарту.

В настоящее время SSD с поддержкой PCIe 4.0 стоят дорого; протестированный здесь двухтерабайтный диск Gigabyte в интернет-магазинах стоит $460, а версия емкостью 1 ТБ – $260. Для сравнения: упоминаемый в данной статье диск ADATA SX8200 Pro – также емкостью 1 ТБ, но с интерфейсом PCIe 3.0 – стоит всего $145, то есть почти в два раза дешевле SSD Gen4, при этом практически не уступая ему в производительности (главным образом благодаря лучшему контроллеру, который обеспечивает более быстрое случайное чтение/запись). Лично я, возможно, потратил бы на SSD Gen4 дополнительные 10-20 долларов (то есть заплатил бы на 10% больше по сравнению с SSD Gen3), но всё, что выше – это уже какой-то развод на благотворительность. И добавьте сюда еще стоимость соответствующей материнской платы для Gen4 – на данный момент версию PCIe 4.0 поддерживает только плата AMD X570.