SSD-asemien tekniikka ja huomioon otettavat seikat

NVMe

NVMe, eli Non-Volatile Memory Express on uusi protokollastandardi, joka korvaa nykyisen AHCI:n hoitaman tiedonsiirron PCIe-väylän ja SSD-aseman välillä. NVMe on luotu varta vasten SSD-asemia varten, ja se mahdollistaa SATA-väylää huomattavasti suuremmat nopeudet. Uudet NVMe-asemat käyttävät siis PCIe-väylää tiedonsiirrossa, ja tarvitsevat käyttöönsä sopivan liitännän. Kannettavissa ja joissain työpöytäemolevyissä tähän hyödynnetään M.2 PCIe-liitäntää.

Intelin työpöytäpuolen mallit käyttävät joko perinteistä PCIe-lisäkorttipaikkaa, tai vaihtoehtoisesti 2,5" asemaa uudella SFF-8639-liittimellä, jonka nimeksi on vakiintunut U.2. Käytännössä kuitenkin nykyisistä emolevyistä ei tätä liitäntää löydy, joten tarjolla on adaptereita, joilla SFF-8639-liitin voidaan kytkeä M.2-liitäntään. Esimerkkinä tästä on MSI:n M.2 To Turbo Mini-SAS -kortti.



Vaikka NVMe-asemat ovatkin tällä hetkellä ylivoimaisesti nopeampia peräkkäisluku- ja kirjoitusnopeuksissa sekä IOPS-lukemissa, eivät ne välttämättä tuo merkittävää eroa peruskäytössä SATA III SSD-asemaan verrattuna. Esimerkiksi konetta käynnistettäessä PCI-e-väylän kautta toimivan aseman käyttövalmiuteen saattamisessa kestää hieman pidempään kuin SATA-liitännäisen aseman. Käyttöjärjestelmän ja pelien osalta suurin osa siirroista tapahtuu satunnaistyyliin lyhyillä luku- ja kirjoitusoperaatioilla, missä uudet NVMe-asemat eivät tuo yhtä merkittävää parannusta.

Luku- ja kirjoitusnopeudet:

SSD-asemien nopeuksia mietittäessä on hyvä pitää mielessä muutama pääseikka. Levyjä markkinoidaan yleensä korkeilla peräkkäisluku- ja kirjoitusnopeuksilla (Sequential read/write), mutta tämä pätee vain, jos asemalla kirjoitetaan tai luetaan suurta tiedostoa. Suurin osa esimerkiksi käyttäjärjestelmän lukutapahtumista tapahtuu kuitenkin ns. satunnaislukuina (Random read), joiden lukunopeus on aivan eri luokkaa.

Lukunopeus riippuu käytetystä lohkokoosta, joista yleisin on 4K, eli neljä kilotavua. Suuri osa peruskäyttäjän koneella tapahtuvista operaatioista on 4K-128K kokoisia siirtoja, ja tämä pätee yleensä myös peleihin, joissa operaatiot ovat yleensä 4K, 16K tai 32 K.

Käytössä on myös random IOPS-lukema, joka viittaa aseman kykyyn suorittaa siirto-operaatioita (Input/Output Operations per Second). IOPS-lukema on nopeimmilla SATA III-asemilla yli 100 000 operaatiota sekunnissa, ja kalleimmilla PCI-e-korteilla yli miljoona. IOPS-lukema muodostuu hakuajasta sekä muistipiirin latenssista. Vaikka korkea IOPS-lukema takaa, ettei aseman rajoitteena ole operaatioiden määrä, ei se ole kuitenkaan yksinään hyvä mittari SSD:n suorituskyvyn mittaukseen.

Lukunopeuksiin vaikuttaa myös lukujonon syvyys (Queue depth). Peruskäytössä lukujono ei yleensä kasva muutamaa lukua syvemmäksi, mutta SSD-asemilla voi olla hyvinkin erilaisia suorituskykyprofiileja riippuen siitä, miten syvä lukujono on. SSD-asemien arvosteluissa on monesti testejä joissa on hyvinkin korkeita lukujonoja, jotka eivät käytännössä ole merkityksellisiä palvelinkäytön ulkopuolella.

Kirjoitusnopeudet SSD-asemilla riippuvat myös käytetystä kapasiteetista, sillä SSD-asema muodostuu useammasta muistipiiristä, ja yksinkertaistettuna - mitä enemmän piirejä on, sitä useammalle asema voi kirjoittaa yhtä aikaa. Tästä syystä suuremman kapasiteetin asemat samassa mallistossa tarjoavat parempia kirjoitusnopeuksia. Näin ollen suurempi SSD-asema vaikuttaisi järkevämmältä valinnalta kirjoitusnopeuden suhteen. Tämä ei kuitenkaan välttämättä aina pidä paikkaansa, ja yhden suuremman levyn sijaan käyttöön voi teoriassa ottaa RAID 0 -lomituksen ja näin tuplata myös lukunopeudet. Lisäksi suurempi kapasiteetti voidaan saavuttaa lisäpiirien lisäksi tiheämmillä ja kookkaammilla piireillä.

Muista tarkastaa käytetty SATA-liitäntä

SATA III –asemien rajat ovat jo tulleet vastaan SSD-asemien kohdalla, mutta tästä huolimatta nopeuksissa on joitain eroja. Yksi merkittävä tekijä voi olla käytetyssä emolevyssä ja sen tarjoamissa SATA III –liitännöissä. Liitännät on yhdistetty niitä ajavaan mikrokontrolleriin, joka saattaa olla esimerkiksi Intelin, AMD:n, ASMedian tai Marvellin suunnittelema. Näillä mikrokontrollereilla voi olla selviä nopeuseroja, ja yleisesti Intelin kontrolleria on pidetty nopeimpana ja kolmannen osapuolen kontrollereita hitaimpana. Valitettavasti päivitettyä informaatiota nopeuseroista kontrollereiden välillä on tällä hetkellä köyhänlaisesti. Asiasta lisää löytyy esimerkiksi Tom’s Hardwaren artikkelista. Emolevyillä on yleensä SATA-liitäntöjä useamman mikrokontrollerin ohjaamana, joten kannattaa tarkistaa emolevyn ohjekirjasta, mitkä liittimet kuuluvat mille kontrollerille.


Asuksen emolevyssä Intelin kontrolleriin kytketyt liitännät on merkitty valkoisella

SSD-aseman saa toki asennettua myös vanhempaan SATA II –liitäntään, joka epäilemättä löytyy vielä monen perheen peruskoneesta. Maksimilukunopeudet ovat luonnollisesti ehkä vain puolet SATA III –liitäntään verrattuna, mutta tästä huolimatta SSD-asema on merkittävä päivitys mekaaniseen kiintolevyyn verrattuna.

Muistipiirit – SLC, MLC, TLC, NAND, V-NAND

SSD-asemien kohdalla puhutaan uutisissa monesti mystisillä akronyymeillä kuten SLC, MLC tai TLC. Kyseessä on muistipiirin tapa mahduttaa bittejä itseensä. NAND flash -muistipiiri koostuu ”soluista”, jotka voivat sisältää tietyn määrän dataa riippuen siitä miten se on asetettu toimimaan. SLC (Single level cell) tallentaa yhteen soluun vain yhden bitin. Tämä on luonnollisesti kallein vaihtoehto, mutta samalla myös vikasietoisin. Näin ollen SLC-muistilla varustettuja levyjä löytyy yleensä vain vanhemmista ja kalliista yritysratkaisuista, tai pienenä määränä nopeampaa välimuistia.

Suurin osa SSD-asemista on MLC-muistillisia, eli niissä on neljä muistitilaa kahden bitin tallennukseen. Tarjolle on tullut myös TLC-versioita kolmella bitillä per solu. Uudemmat muistipiirit korvaavat tallennustiheyden perässä juoksun seurauksena tapahtuvaa vikaantumisongelmaa lisäämällä levyyn piilotettua tilaa, jota se ottaa käyttöön sitä mukaa kun käytössä olleet solut vikaantuvat. Peruskäyttäjän ei kuitenkaan tarvitse huolehtia tästä, sillä SSD-asemien kestävyys on tällä hetkellä sitä luokkaa, ettei niitä todennäköisesti saa kirjoittamalla kulutettua puhki.



TLC-muistien lisäksi Samsung ja Intel ovat uurastaneet uusien 3D-muistien parissa. Nämä lupaavat entistä parempaa suorituskykyä ja tiheyttä. Samsung käyttää esimerkiksi 850 Pro –asemassaan MLC V-NAND –muistia, joka lupaa pienimmällekin 128 Gt asemalle 470 Mt/s kirjoitusnopeuden. V-NAND lupaa myös kasvattaa muistin kestävyyttä, ja Samsung lupaa 850 Pro –sarjan asemille 150 teratavun kirjoituskestävyyttä, millä on toisaalta merkitystä lähinnä yritysasikkaiden kannalta. Todellisuudessa levyt voivat käytännössä kestää petatavujen kirjoitusmääriä. Pienenä vertauskohtana allekirjoittaneen omassa koneessa pitkään palvellut OCZ Vertex 3 128 Gt on ehtinyt kirjoittaa 21049 Gt yhteensä 20504 käyttötunnin (n. 2,4 vuotta jatkuvaa käyttöä) aikana.



Intel lupaa oman 3D MLC NAND -muistinsa olevan Samsungin vastaavaa parempi. Samsung käyttää 86 gigabitin 3D-muistipiirejä, kun taas Intelin tuleva 3D-muisti tulee tarjolle 256 gigabitin koossa, ja tukee myös 384 gigabitin TLC-versiota. Suurempi muistipiiri ei välttämättä takaa parempia suorituskykytuloksia, sillä tuttuun tapaan SSD-asemat koostuvat useasta muistipiiristä, ja erityisesti kirjoitusnopeuksissa useampi pienempi muistipiiri voi päätyä nopeammaksi rinnakkaiskirjoituksen takia. Suurempi piiri voi mahdollistaa halvemman hinnan, mutta Intel ei yleensä ole ollut halukas lähtemään hintakilpailuun muiden kanssa. Uusi kookkaampi 3D-muistipiiri kuitenkin mahdollistaa entistä suuremmat, Intelin mukaan jopa 10 teratavun SSD-asemat tulevaisuudessa. Perinteisellä 2D-tekniikalla raja on tullut jo vastaan prosessitekniikan osalta.

Kontrollerit

SSD-levyistä löytyy myös niiden omat kontrollerit, jotka hoitavat muistipiirien hallinnan. Tarkoitukseen luotuja kontrollereita on useita erilaisia ja nämä ovat jatkuvan kehityksen alla. Tunnetuimpia nimiä on esimerkiksi LSI SandForcen kontrollerit, mutta monella suuremmalla valmistajalla on nykyään käytössä omat kontrollerinsa, esimerkiksi Samsungilla MGX tai MEX. Kontrollereiden tavat käsitellä dataa voivat poiketa toisistaan hyvinkin paljon, ja voivat antaa hyvinkin erilaisia tuloksia synteettisissä testeissä riippuen esimerkiksi siitä, käytetäänkö pakkautuvaa tai pakkautumatonta dataa.

Kontrollerien ja muistipiirien yhteistoimintaa voidaan parantaa myös muilla kikoilla kuten Samsungin Turbowrite tai RAPID mode. TurboWritella viitataan pienen SLC-välimuistin käyttöön Samsungin TLC-muistipiireillä. Lisäksi RAPID-tilassa SSD pystyy tallentamaan osan usein luettavasta datasta väliaikaisesti dRAM-muistiin. Tämä luonnollisesti vaikuttaa myös synteettisissä testeissä, ja saattaa antaa väärän kuvan aseman todellisesta suorituskyvystä, sillä kaikki data ei ole tallennettu dRAMiin.