Обзор SSD ScaleFlux CSD5320: температура, скорость записи, чтения, потребление энергии. Стоит ли покупать? Надежность

ScaleFlux выделяется как одна из немногих компаний, занимающихся разработкой и производством контроллеров SoC собственными силами.

Это дает компании полный контроль как над аппаратным, так и над программным обеспечением, позволяя точно настраивать производительность, задержку и эффективность до уровней, недоступных для стандартных контроллеров.

Изначально специализируясь на вычислительных системах хранения данных, ScaleFlux применила этот опыт для разработки современных корпоративных SSD-накопителей с более интеллектуальными и эффективными собственными разработками контроллеров.

Серия ScaleFlux CSD5000 знаменует собой выход компании на рынок корпоративных SSD-накопителей PCIe 5.0, представляя несколько моделей с производительностью 1 DWPD, таких как CSD5520, CSD5510 и CSD5320, которая и тестируется сегодня.

Все накопители этой линейки имеют полностью собственную конструкцию, построенную на основе контроллера ScaleFlux и флэш памяти NAND последнего поколения, охватывающую широкий диапазон форм факторов и емкостей.

Еще одним интересным аспектом линейки SSD ScaleFlux CSD5000 является то, что ScaleFlux стала первой компанией, которая начала сотрудничество с проектом Open Compute Project (OCP), открыто делясь подробной информацией о продукте, которую производители SSD традиционно не раскрывают. Многие технические детали, представленные в этом обзоре, стали возможны благодаря участию компании в OCP.

Сжатие, используемое SSD ScaleFlux, полностью прозрачно для пользователя и обрабатывается исключительно самим накопителем. С точки зрения системы, SSD ведет себя как любое стандартное устройство NVMe, не требуя специальной конфигурации, драйверов или программного обеспечения.

Внутри контроллер анализирует данные блоками по 4 КБ и решает, можно ли сжать каждый блок. Если да, то сохраняется сжатая версия. Если нет, данные записываются в исходном виде без влияния на совместимость или поведение.

Весь этот процесс реализован непосредственно в аппаратном обеспечении, а не во встроенном ПО, что обеспечивает чрезвычайно низкую задержку. Операции чтения добавляют всего несколько микросекунд, в то время как операции записи полностью конвейерны и фактически невидимы для хоста.

Реальные преимущества зависят от типа записываемых данных: уже сжатый контент, такой как изображения или видео, практически не улучшается, в то время как текстовые данные или данные с нулевым заполнением могут сжиматься очень эффективно. Поскольку сжатие работает с фиксированной гранулярностью в 4 КБ, SSD поддерживает конкурентоспособные показатели IOPS независимо от возможности сжатия данных.

Любое сэкономленное пространство за счет сжатия фактически действует как дополнительное резервирование, что значительно снижает активность сборки.

Это приводит к существенному увеличению производительности при случайной записи, снижению задержки в конце цикла и значительному повышению износостойкости. Фактически, при реалистичном коэффициенте сжатия 2:1 срок службы накопителя может значительно увеличиться, достигая эффективного уровня износостойкости значительно выше 3 DWPD, показателя, обычно характерного только для высокопроизводительных корпоративных SSD накопителей.

CSD5320 доступен в нескольких форматах, включая U.2, U.3, E1.S (9,5 мм и 15 мм) и версию E3.S, протестированную в этом обзоре.

ScaleFlux предлагает эту линейку в вариантах емкости 3,84 ТБ, 7,68 ТБ и 15,36 ТБ, хотя модель E3.S ограничена вариантами 7,68 ТБ и 15,36 ТБ. Когда мы получили наш экземпляр на 7,68 ТБ для тестирования, его цена составляла около 880$; однако из-за недавнего всплеска спроса на продукты на основе NAND флэш памяти и DRAM цены существенно выросли.

Хотя ScaleFlux не публикует официальную рекомендованную розничную цену, производитель указал на крайнюю нестабильность ценообразования: розничная цена колеблется в районе 0,25 доллара за ГБ, что делает модель объемом 7,68 ТБ ~1920$ (важно понимать что цена может измениться).

Текущие рыночные предложения отражают эту волатильность, цены варьируются от более чем 1500 до 2500$ в зависимости от продавца и объема закупок. Мы также обнаружили несколько продавцов на сером рынке, предлагающих эти устройства по цене от 2000 до 2500$, что подчеркивает наценку, часто взимаемую неофициальными каналами дистрибуции.

Все SSD накопители CSD5320 рассчитаны на ресурс 1 DWPD, но особенно интересно то, что ScaleFlux предоставляет данные о производительности и ресурсе в двух конфигурациях: с сжатием и без него. При включении сжатия пропускная способность и эффективность SSD заметно возрастают.

Технические характеристики: ScaleFlux CSD5320

Упаковка и комплект поставки

SSD поставляется в очень простой картонной коробке, на лицевой стороне которой напечатан только логотип ScaleFlux.

Внутри накопитель удерживается поролоновой вставкой, предназначенной для защиты во время транспортировки. Однако разъем E3.S не полностью входит в поролоновый вырез, что позволяет предположить, что эта упаковка, вероятно, была разработана с учетом SSD-накопителей стандарта U.2, поскольку разъем немного выступает над поролоновой вставкой.

Полученный нами экземпляр использует новейший форм-фактор на рынке - E3.S из семейства EDSFF, хотя он также доступен в форматах U.2 и E1.S.

На передней панели находится только этикетка с серийным номером, моделью, емкостью и несколькими другими основными характеристиками, в то время как задняя панель имеет лаконичный дизайн без наклеек или дополнительной информации.

Интересно отметить, что большинство SSD-накопителей E3.S имеют такой же компактный, минималистичный дизайн корпуса. Несмотря на эффективность с точки зрения занимаемого пространства, в нем отсутствуют некоторые более сложные механические конструкции, характерные для накопителей U.2, которые часто имеют перфорацию или компоновку корпуса, специально разработанную для улучшения воздушного потока и эффективности охлаждения.

В качестве интерфейса для подключения к остальной части системы используется PCI-Express 5.0 x4, а также протокол NVMe 2.0. Кроме того, на противоположной стороне разъема E3.S расположен порт micro-USB, используемый для отладки по протоколу UART.

По сравнению с U.2, разъем E3.S был разработан с учетом более высокой целостности сигнала и масштабируемости, что делает его более подходящим для скоростей PCIe Gen 5 и будущих Gen 6.

Он поддерживает более высокую мощность питания, улучшенную компоновку контактов и более жесткие механические допуски, что помогает снизить потери сигнала и повысить надежность в условиях высокой плотности размещения устройств в корпоративной среде.

Кроме того, E3.S был оптимизирован для серверных конструкций с фронтальным доступом и высокой плотностью размещения, что обеспечивает лучшее управление воздушным потоком на системном уровне и более эффективное обслуживание по сравнению с традиционными реализациями U.2, где твердотельные накопители U.2 часто имели корпуса, специально разработанные для улучшения воздушного потока и повышения эффективности охлаждения.

Разбор SSD. Качество сборки и пайки

Открыв корпус SSD, мы видим, что он закреплен четырьмя винтами Torx T-6.

После их снятия открывается обратная сторона печатной платы, прочно прикрепленной к металлическому корпусу с помощью нескольких термопрокладок, которые помогают рассеивать тепло от ключевых компонентов.

Открутив все четыре винта от металлического корпуса, мы можем отделить печатную плату, она в форм-факторе E3.S. На лицевой стороне платы мы видим несколько ключевых компонентов, включая контроллер, микросхемы кэш-памяти DRAM и микросхемы флэш-памяти NAND, а также различные микросхемы, составляющие схему VRM твердотельного накопителя.

На обратной стороне находится лишь несколько дополнительных компонентов VRM, а также восемь контактных площадок для дополнительных микросхем NAND, вероятно, используемых в твердотельных накопителях большей емкости.

Контроллер

В конструкции этого SSD используется собственный контроллер, разработанный компанией ScaleFlux, который также применяется в других моделях, таких как CSD5510 и CSD5520. Точная модель этого контроллера - FX5016, созданный в сотрудничестве с TSMC с использованием 7-нм FinFET-технологического процесса. Он основан на 64-битной архитектуре Arm с восемью ядрами Cortex-A53, работающими на частоте 1 ГГц.

Его 16 каналов обеспечивают прямую связь с NAND-флэш-памятью со скоростью до 1600 МТ/с, что является распространенным значением для контроллеров этого класса. Контроллер также поддерживает чередование, позволяя активировать до четырех чипов на канал, что повышает параллелизм и эффективность доступа к NAND.

Ядра Cortex-A53 широко используются в технологической индустрии, не только в контроллерах SSD, но и в старых смартфонах, устройствах IoT, медиаплеерах и различных встроенных системах.

Баланс низкого энергопотребления и высокой производительности делает их идеальными для компактных, энергоэффективных аппаратных решений, используемых во многих повседневных электронных устройствах.

Кэш DRAM

SSD-накопитель оснащен двумя чипами LPDDR5X от южнокорейского производителя SK Hynix, расположенными на лицевой стороне печатной платы.

Используется конкретная модель H58G66BK7B-X067, представляющая собой модуль объемом 64 Гб (8 ГБ) с пропускной способностью до 7500 МТ/с, а также дополнительный модуль H58G78BK8B-X144 объемом 128 Гб (16 ГБ), способный работать со скоростью до 8533 МТ/с, что в сумме составляет 24 ГБ кэш-памяти DRAM.

Хотя SSD работает со стандартным отображением LBA размером 4 КБ, его физический формат адреса расширен за счет дополнительных битов, представляющих смещения в 512 байт.

Это более длинное кодирование адреса увеличивает размер таблицы отображения FTL, поскольку каждая запись должна хранить дополнительную информацию для точного отслеживания более точных физических местоположений.

В результате общий объем метаданных увеличивается, что объясняет более высокие требования к объему DRAM по сравнению с традиционными конструкциями.

Флэш-память NAND

SSD-накопитель имеет в общей сложности восемь корпусов NAND, расположенных на лицевой стороне печатной платы. На обратной стороне находятся дополнительные восемь контактных площадок, предназначенных для установки дополнительных корпусов NAND, вероятно, для моделей большей емкости.

Используемая в этой конструкции NAND производится компанией Kioxia / Sandisk, а именно 218 слойными кристаллами BiCS8 eTLC 1 Тб (FYU6_1T).

Каждый кристалл NAND имеет емкость 128 ГБ, а общий объем памяти составляет 8 ТБ, что означает 1 ТБ на чип. Каждый корпус NAND с маркировкой SDUFKDMB 1T00 содержит восемь кристаллов внутри.

Каждый кристалл Sandisk имеет приблизительно 60 мм², что обеспечивает впечатляющую плотность хранения около 17,1 Гб/мм², хотя некоторые современные кристаллы QLC могут превышать 20 Гб/мм².

Эти кристаллы способны работать на скоростях до 3600 МТ/с, но в этом SSD контроллер ограничивает их работу более низкими частотами из-за конструктивных ограничений.

Этот чип состоит из восьми физических плоскостей (подплоскостей) с 8-килобайтными линиями, функционирующими как четыре логические плоскости для уменьшения задержки битовых линий, повышения внутренней параллельности и эффективности.

Интересно, что одной из причин немного более высокой износостойкости этого SSD по сравнению с типичными корпоративными накопителями с ресурсом 1 DWPD является использование eTLC NAND с повышенной прочностью. В то время как стандартная eTLC обычно выдерживает от 5000 до 7000 циклов программирования / стирания, ScaleFlux использует кристаллы Sandisk, рассчитанные примерно на 9000 циклов, что является заметно высоким показателем даже для eTLC Flash.

Структурно эти NAND используют два слоя по 109 активных слоев хранения, объединенных с 23 слоями фиктивных линий и другими вспомогательными структурами. В совокупности это обеспечивает эффективность массива более 90%.

Более высокая эффективность массива означает меньшие потери площади кремния, что повышает экономическую эффективность и потенциально обеспечивает лучшую производительность относительно размера кристалла.

Интересный момент, заслуживающий упоминания, заключается в том, что, несмотря на тесное сотрудничество Sandisk и Kioxia и использование одной и той же конструкции кристалла, как показано на изображении выше, между кристаллами NAND Kioxia и Sandisk действительно существует измеримая разница в производительности.

В результате обширного анализа множества SSD-накопителей мы заметили, что кристаллы Sandisk, как правило, демонстрирует несколько лучшие общие показатели.

Хотя физически это один и тот же кристалл, различия в настройке прошивки SSD, параметрах напряжения чтения и записи, а также во внутренней конфигурации и соединении кристаллов могут приводить к заметным колебаниям производительности.

VRM 

Как и любой другой электронный компонент, используемый нами в повседневной жизни, SSD-накопители нуждаются в питании для работы.

Видеокарты, процессоры и материнские платы имеют стабилизаторы напряжения для подачи питания на соответствующие схемы — и подача питания для SSD-накопителей работает аналогичным образом. В следующем разделе нашего анализа мы более подробно рассмотрим эти детали.

Первый компонент, обозначенный как MPQ8633, представляет собой преобразователь постоянного тока производства Monolithic Power Systems, модель MPQ8633AGLE–Z, поддерживающий интерфейс I²C. Согласно его техническим характеристикам, он может работать с входным напряжением от 4 В до 16 В и выдерживать входной ток до 12 А.

Еще один компонент, встречающийся в нескольких секциях SSD - это MP2491CGQB от Monolithic Power Systems, который также является понижающим DC-DC преобразователем.

В отличие от предыдущей модели, эта может работать с входным напряжением до 32 В и выдерживать ток до 6 А. Внутри она интегрирует два MOSFET-транзистора с сопротивлением 33 мОм и 22 мОм, переключающихся на фиксированной частоте 490 кГц.

Эта микросхема широко используется в различных электронных устройствах, включая телевизоры, USB-адаптеры питания с поддержкой Power Delivery и другие потребительские платформы.

В зависимости от рабочего напряжения и токовой нагрузки MP2491CGQB может достигать КПД, близкого к 95%, хотя такие условия несколько идеализированы. В практических сценариях КПД обычно остается около 90%.

Еще одна примечательная особенность - это его тепловое сопротивление 8 °C/Вт, что относительно высоко. Однако благодаря использованию термопасты для рассеивания тепла перегрев эффективно предотвращается.

Микросхема MP5519, также от компании Monolithic Power Systems (MPS), представляет собой микросхему управления резервным питанием, предназначенную для управления системами защиты от потери питания (PLP) в таких устройствах, как корпоративные SSD-накопители, RAID-контроллеры и материнские платы серверов.

Она работает в диапазоне входного напряжения от 2,65 В до 16 В и поддерживает токи до 6 А. Ее основная задача - управлять переключением резервного питания между основным источником питания и суперконденсаторной или конденсаторной батареей во время отключения электроэнергии, обеспечивая целостность данных и стабильность системы.

Кроме того, она поддерживает «горячую» замену, позволяя безопасно устанавливать или извлекать накопители и силовые модули без повреждения электрических соединений, а также имеет функцию проверки состояния конденсаторов, которая контролирует состояние резервных конденсаторов для обеспечения надежной активации PLP при необходимости.

Следующий компонент, обозначенный как 47HJ, производится компанией Texas Instruments. Это простой секвенсор питания с регулируемым временем, модель LM3881MM.

Эта микросхема отвечает за координацию последовательности включения и выключения нескольких линий напряжения, используемых контроллером, DRAM и компонентами NAND-флэш-памяти.

Контролируя точный порядок и время включения или выключения каждой линии, она предотвращает нестабильность напряжения, защелкивание или потенциальное повреждение во время запуска и выключения.

Это гарантирует, что все критически важные подсистемы получают питание в правильной последовательности, повышая надежность и защищая чувствительные микросхемы от электрических нагрузок, что крайне важно для поддержания стабильности в высокопроизводительных корпоративных средах.
Этот заключительный компонент, обозначенный как BKNP ( MP28167-A ), также от компании Monolithic Power Systems (MPS), представляет собой четырехключевой интегральный понижающе-повышающий преобразователь с выводом FB.

Он регулирует питание, повышая или понижая напряжение в зависимости от входных условий, обеспечивая стабильный выходной сигнал для критически важных цепей.

В корпоративных SSD-накопителях он обычно используется для поддержания стабильного напряжения питания контроллера или DRAM даже при колебаниях входного напряжения - это крайне важно для сохранения целостности данных и стабильности работы при изменяющихся системных нагрузках.

Он может работать с входным напряжением от 2,8 В до 22 В, обеспечивая выходной ток до 3 А, и поддерживает частоту переключения 500 кГц или 750 кГц. Это обеспечивает эффективное преобразование энергии и быструю переходную характеристику, что необходимо для поддержания стабильной подачи питания в высокопроизводительных корпоративных SSD-накопителях.

Защита от отключения электроэнергии

Защита от потери питания в твердотельных накопителях (SSD) центров обработки данных имеет решающее значение для обеспечения целостности данных во время сбоев электропитания.

Использование конденсаторов для временного хранения энергии позволяет безопасно завершать текущие операции, предотвращая повреждение данных в критически важных средах. Это обеспечивает высокую доступность и надежность данных.

В этом SSD-накопителе используются шесть алюминиевых конденсаторов производства Yongming, модель NPXB1501V221MJTM. Каждый конденсатор работает при напряжении 35 В, имеет емкость 220 мкФ и рассчитан на работу при температуре до 105°C.

Примерное время ожидания при отключении электричества

Для оценки времени удержания заряда мы применили набор уравнений, которые помогают приблизительно определить, как долго накопитель может оставаться работоспособным во время неожиданного отключения питания, исходя из его энергопотребления.

В наших расчетах используются измеренные значения потребления в режиме ожидания, среднего и пикового энергопотребления. Анализ также учитывает количество и размер встроенных конденсаторов, а также удельное энергопотребление при различных условиях нагрузки.

Обратите внимание: это не точное измерение, а упрощенный расчет, иллюстрирующий, как долго SSD может оставаться под напряжением при внезапном отключении питания. В реальных условиях энергопотребление обычно ниже, чем в показанном здесь сценарии, что привело бы к увеличению времени удержания заряда.

Конфигурация состояний питания NVMe

SSD-накопители, как правило, экономят энергию, переключаясь между различными режимами энергопотребления в зависимости от интенсивности их работы.

При интенсивной работе они потребляют больше энергии, а в режиме ожидания переходят в режимы пониженного энергопотребления или сна для экономии энергии.

Эти режимы помогают SSD-накопителю сбалансировать производительность и энергопотребление, но поскольку сообщаемые показатели энергопотребления не всегда точны, мы проводим собственные тесты для проверки поведения в реальных условиях.

Производители определяют значения в таблице NVMe Power States и, основываясь на внутренних оценках или лабораторных испытаниях, хранят их во встроенном программном обеспечении, а не в стандартизированных измерениях.

Эти значения, как и максимальное энергопотребление и задержка, не проверяются сторонними организациями и могут не отражать фактическое поведение. Часто они получены на основе наихудших сценариев, моделирования или ограничений конфигурации контроллера.

SSD-накопитель имеет два основных режима энергопотребления, оба из которых активны и потребляют определенный уровень энергии.

В ходе анализа мы определим, действительно ли его фактическое потребление ниже, чем указано в данных SMART. Однако это не означает, что накопитель будет поддерживать этот уровень энергопотребления при всех нагрузках, так же как и видеокарта, например, RTX 5090 с TDP 600 Вт, не потребляет постоянно максимальную номинальную мощность.

Согласно данным, предоставленным накопителем, задержки перехода между активными режимами энергопотребления ScaleFlux относительно низки.

Хотя в таблице SMART они указаны как ноль, на практике они, вероятно, невелики.

Это говорит о том, что SSD настроен на переключение между этими активными режимами практически мгновенно, без заметной задержки. Однако при переходе в более глубокие субэнергоснижающие режимы в периоды простоя могут возникать более высокие задержки перехода.

Как указано в таблицы, эти значения основаны на телеметрии SMART и могут не полностью отражать реальное поведение во всех сценариях использования.

Настройка теста

Методология тестирования

• Процесс безопасного удаления данных выполняется перед каждым тестированием.
• Перед началом записи данных на SSD-накопитель производится последовательная запись как минимум вдвое большей емкости.
• Накопитель предварительно обрабатывается с помощью рабочей нагрузки с высокой глубиной очереди, адаптированной к каждому сценарию тестирования.
• После подготовки выполняется запись данных в течение 5 минут для мониторинга стабильной работы.
• Используемое программное обеспечение: FIO 3.38.

Мы сравниваем тестируемый накопитель с несколькими другими SSD-накопителями, представленными в настоящее время на рынке. Помимо популярных накопителей, мы также уделяем внимание распространенным комбинациям контроллеров и типов флэш-памяти.

Поддержание высоких скоростей и предварительная подготовка

Перед измерением скорости SSD необходимо должным образом подготовить с помощью процесса, известного как предварительная обработка. Этот шаг гарантирует, что измерения производительности будут отражать стабильное, устойчивое поведение. SSD обычно работают в трех режимах производительности: «как из коробки» (FOB), переходная фаза и установившееся состояние.

Последовательная запись 128 КиБ

В начале теста SSD-накопитель ScaleFlux показывает скорость более 1 миллиона операций ввода-вывода в секунду (IOPS), постепенно повышая ее в течение почти 1000 секунд, прежде чем стабилизироваться на уровне около 375 000 IOPS. Хотя его производительность при записи в стабильном режиме была высокой, она немного уступала другим протестированным нами накопителям 5-го поколения, таким как модели Memblaze и Silicon Motion.

При применении 55% сжатия (2:1), как указано в ScaleFlux, производительность увеличилась более чем вдвое, достигнув более 1 миллиона операций записи в секунду.

Такой уровень пропускной способности чрезвычайно сложно достичь даже на корпоративных SSD-накопителях с 3 DWPD, не говоря уже о накопителе с 1 DWPD, подобном этому.

Случайный ввод 4 КиБ - 70% чтения и 30% записи.

При запуске смешанного теста чтения и записи 4 КиБ мы заметили, что в установившемся режиме ScaleFlux достигал в среднем более 900 000 операций ввода-вывода в секунду, уступая лишь 3-DWPD X200E, который превысил 1,2 миллиона операций ввода-вывода в секунду. Тем не менее, это исключительный результат для SSD с 1-DWPD.

Последовательная запись 128 КБ

SSD-накопитель ScaleFlux показал очень хорошие результаты в наших тестах записи, достигнув максимальной пропускной способности уже на этапе QD2, что делает его отличным выбором для работы с низкой глубиной очереди.

Хотя сжатие значительно улучшило его последовательную производительность, стоит отметить, что заявленная скорость SSD превышает 13 ГБ/с.

Однако из-за ограничений нашей тестовой платформы нам не удалось измерить скорость выше примерно 12 ГБ/с.

Последовательное чтение 128K

При меньшей глубине очереди ScaleFlux показал одни из лучших результатов записи в сравнении.

Однако при глубине очереди выше 4 он начал отставать от других SSD - по крайней мере, до включения 55% сжатия, после чего, начиная с глубины очереди 8, он достиг наивысшей производительности среди всех протестированных накопителей.

Случайные 4 КиБ - чтение

В отношении производительности чтения этого сказать нельзя. В заводской конфигурации ScaleFlux показал отличные результаты, заняв первое место в сравнении и даже превзойдя модель Phison 3-DWPD, уступая лишь при очень большой глубине очереди выше QD512.

Однако при включении сжатия производительность чтения несколько снизилась по сравнению с результатами без сжатия.

Случайный ввод 4 КиБ - 70% чтения и 30% записи

Случайная запись 8 КиБ

Он оставался впереди до QD2, но к концу теста стал самым слабым SSD-накопителем 5-го поколения, превзойдя только Dapustor 4-го поколения, который мы включили в сравнение.

Случайные 8 КиБ - чтение

При операциях чтения ScaleFlux показал неплохие результаты, однако в этом тесте он не был самым быстрым.