初始狀態(tài)

兩個(gè)月后

對(duì)于各種不同使用場(chǎng)景的可靠性，  PyNVMe3可以利用其ioworker靈活地制造各種IO序列，  用來(lái)檢查測(cè)試 盤(pán)在不同場(chǎng)景下以及不同場(chǎng)景切換時(shí)的可靠性。

2. 性能測(cè)試

上?我們大概探討了SSD測(cè)試需要關(guān)注的?個(gè)方? 。本章我們繼續(xù)深?探討性能測(cè)試，  特別是?些貼近 用戶(hù)實(shí)際使用體驗(yàn)的性能測(cè)試用例。

2.1 低負(fù)載性能

很多性能測(cè)試需要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)很深的隊(duì)列，  并直接把負(fù)載拉滿(mǎn) 。但實(shí)際使用中，  低負(fù)載才是主流場(chǎng)景 。譬 如我們?yōu)g覽網(wǎng)? 、寫(xiě)文檔 、甚至看在線視頻，  對(duì)SSD的負(fù)載都是?常小的 。我們測(cè)試低負(fù)載的性能主要 看讀寫(xiě)命令的完成時(shí)間，  也就是延遲 。如果某些命令的延遲大于300ms，  使用者就可能會(huì)感受到卡頓 。 我們?cè)谶@類(lèi)測(cè)試中會(huì)固定每秒下發(fā)命令的數(shù)目，  并收集每個(gè)命令的延遲。

2.2. 0秒性能

在互聯(lián)網(wǎng)還不發(fā)達(dá)的時(shí)候，  我們經(jīng)常會(huì)拷貝很大的電影或者數(shù)據(jù)庫(kù)文件，  所以我們?常在意持續(xù)讀寫(xiě)的速度 。但是在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，  這種使用方式已經(jīng)不再是主流 。而且隨著SSD性能的提升，  很多大文件的拷貝時(shí)間也只需要幾秒鐘 。在這種情景下，  我們非常重視SSD的0秒性能，  要求讀寫(xiě)的速度能很快拉滿(mǎn) 。  下面是2塊不同的測(cè)試盤(pán)順序讀的性能曲線，  盡管他們總體性能很接近，  但第?塊盤(pán)的0秒性能明顯是有問(wèn)題的。

2.3. 延遲分布

我們平時(shí)用電腦最?lèi)阑鸬氖虑榫褪强D ?？赡艽蜷_(kāi)?個(gè)word文件會(huì)卡很久，  可能打開(kāi)?個(gè)網(wǎng)站會(huì)卡很久，可能編譯代碼會(huì)卡 。如果上面三件事情在同時(shí)進(jìn)行，  那卡頓的可能性就更大 。有些卡頓問(wèn)題來(lái)自于 存儲(chǔ) 。SSD號(hào)稱(chēng)的快通常指讀寫(xiě)帶寬，  但在卡頓問(wèn)題上我們更在意讀寫(xiě)的延遲，  特別是最大延遲 。最大 延遲這個(gè)指標(biāo)非常重要：  譬如我們打開(kāi)?個(gè)word文件需要同時(shí)從SSD讀取10個(gè)數(shù)據(jù)，  用戶(hù)感受到的不是 這10個(gè)數(shù)據(jù)的平均延遲，  而是最慢的那?個(gè) 。但SSD在最大延遲這個(gè)指標(biāo)上面，  并不是天然優(yōu)秀。

good

bad

如上圖1是?個(gè)延遲分布非常好的例?，  絕大部分IO的延遲集中在很短的時(shí)間范圍內(nèi)， 但圖2的延遲分 布就相對(duì)差?些。

2.4. SLC緩存釋放速度

很多評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)是在空盤(pán)的時(shí)候測(cè)試寫(xiě)?速度，  也就是所謂的SLC緩存寫(xiě)?速度 。這個(gè)速度是盤(pán)能提供的 最大寫(xiě)?速度，  跑分?定好看 。但是在實(shí)際使用中，  SSD肯定不會(huì)是空盤(pán)，  甚至?xí)墙咏鼭M(mǎn)盤(pán)的狀態(tài)。

這就意味著SLC緩存的效果會(huì)大打折扣 。如果斷斷續(xù)續(xù)有很多寫(xiě)操作，  后面的數(shù)據(jù)就會(huì)被直接寫(xiě)到    TLC/QLC上面，  導(dǎo)致性能下降 。所以SSD盤(pán)?般在空閑的時(shí)候會(huì)盡量把SLC緩存里面的數(shù)據(jù)再次寫(xiě)? TLC/QLC，  釋放SLC緩存空間供后續(xù)的寫(xiě)操作使用。

在實(shí)際場(chǎng)景中，  我們看重SLC緩存的釋放速度，  考察盤(pán)在空閑的時(shí)候能不能盡可能快地把緩存數(shù)據(jù)搬移 出去 。這個(gè)項(xiàng)目對(duì)QLC SSD尤其重要，  因?yàn)镼LC的寫(xiě)?速度特別慢，  而其SLC緩存也會(huì)比較? 。如果不 能發(fā)揮其SLC緩存的作用，  QLC固態(tài)硬盤(pán)的寫(xiě)?性能會(huì)更像機(jī)械硬盤(pán)。

該項(xiàng)測(cè)試由4輪寫(xiě)操作組成，  每輪的空閑時(shí)間逐個(gè)變長(zhǎng) 。如下圖所示，  空閑時(shí)間越長(zhǎng)，  期望被釋放出來(lái) 的SLC緩存越多，  因此SLC的寫(xiě)?性能可以維持越長(zhǎng)的時(shí)間 。通過(guò)這個(gè)測(cè)試，  我們也可以估算出空閑時(shí) SLC緩存的釋放速度。

2.5. 滿(mǎn)盤(pán)性能

空盤(pán)的性能是最好的，  因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候的讀寫(xiě)操作通常發(fā)生在SLC緩存內(nèi) 。但日常使用時(shí)，  大部分時(shí)候盤(pán) 都不會(huì)是空的 。我們?cè)诒P(pán)的不同空間占用水平  (例如10% 、50% 、90%等)下測(cè)試SSD的性能 ?？傮w  上，  盤(pán)越滿(mǎn)，  性能越低，  寫(xiě)性能尤其明顯 。下表是順序?qū)懺诓煌臻g占用水平下的性能。

10%空間占用  ( 基本空盤(pán))  時(shí)候的寫(xiě)入性能都很好 。但盤(pán)買(mǎi)來(lái)肯定是要用的，不可能?直是空盤(pán) 。我們 看到50%空間占用的時(shí)候，  所有盤(pán)的性能都出現(xiàn)大幅下降  ( 因?yàn)镾LC緩存用完了)  。到了90%空間占用 的時(shí)候，  寫(xiě)入性能進(jìn)?步下降 。大家可以根據(jù)自己的使用習(xí)慣，  參考50%或者90%空間占用時(shí)的寫(xiě)入性能。

2.6. 老化性能

很多廠家的標(biāo)稱(chēng)性能是對(duì)新盤(pán)測(cè)試得到的，  但是當(dāng)SSD盤(pán)用了?段時(shí)間，  NAND的PE被消耗?部分之 后，  性能還會(huì)保持嗎？ 我們測(cè)試了不同PE消耗水平  (例如300PE，  600PE，  900PE等)下的順序?qū)懶?能，  發(fā)現(xiàn)有些盤(pán)會(huì)出現(xiàn)明顯的性能衰減 。很明顯，  這里不建議大家購(gòu)買(mǎi)?手SSD。

2.7. 性能?致性

上?我們看到的性能數(shù)據(jù)都是在測(cè)試周期內(nèi)的性能平均值 。我們總是?廂情愿的認(rèn)為SSD應(yīng)該提供?個(gè) 很穩(wěn)定的性能 。但事實(shí)上有太多可能導(dǎo)致性能的抖動(dòng)，  甚至是間歇性休克 。如下圖，  在順序?qū)懙臅r(shí)候， 測(cè)試盤(pán)出現(xiàn)了周期性的性能降到0的休克現(xiàn)象 。對(duì)應(yīng)到具體使用場(chǎng)景，  如果用戶(hù)在拷貝?個(gè)大文件的時(shí) 候還在瀏覽網(wǎng)?，  那可能就會(huì)遭遇到周期性的卡頓問(wèn)題了。

至于產(chǎn)生性能抖動(dòng)的原因其實(shí)有很多可能，  譬如：  盤(pán)內(nèi)部回收垃圾數(shù)據(jù)  ( GC)  、高溫保護(hù)，  等等 。上  圖中紅色線是溫度曲線，  可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)紅色線上升到?個(gè)溫度閾值的時(shí)候，  開(kāi)始出現(xiàn)周期性的性能休克現(xiàn) 象 。所以這里的問(wèn)題應(yīng)該是由高溫保護(hù)機(jī)制造成的 。以后SSD要上車(chē)，  這?點(diǎn)?常重要！

2.8. 混合性能

標(biāo)稱(chēng)性能通常是純讀或者純寫(xiě)的性能，  但實(shí)際使用中讀寫(xiě)可能混合在?起 。有多種可能的混合方式，  譬 如不同比例的讀寫(xiě)混合 、讀寫(xiě)和Trim命令混合 、和Admin命令混合，  等等 。我們發(fā)現(xiàn)在混?Trim命令    后，不同盤(pán)的性能差異?常大 。而在混?admin命令后，  差異會(huì)更大：  有些盤(pán)響應(yīng)admin命令的時(shí)間甚 至?xí)哌_(dá)數(shù)秒 。這些問(wèn)題在大壓?的場(chǎng)景下會(huì)影響用戶(hù)的使用體驗(yàn)。

在上表中我們可以注意到980Pro的Trim混合性能并不好，  但這個(gè)問(wèn)題在后續(xù)的990Pro上得到了修正。

2.9. 上電時(shí)間

還有?類(lèi)性能是上電時(shí)間，  就是盤(pán)在各種情況下，  從上電到完成第?筆讀命令的時(shí)間 。上電時(shí)間在正常 掉電和非正常掉電的情況下會(huì)很不?樣 。下圖是?個(gè)盤(pán)500次非正常掉電后的上電讀操作完成時(shí)間，  分 布在1-5秒之間 。而對(duì)于正常掉電，  這個(gè)時(shí)間基本穩(wěn)定在0.2秒以?xún)?nèi)。

另外，  在功耗測(cè)試中我們也會(huì)統(tǒng)計(jì)各種低功耗狀態(tài)的退出時(shí)間 。我們的測(cè)試可以控制測(cè)試盤(pán)在不同時(shí)間 點(diǎn)  (精確到us)  退出各種低功耗狀態(tài)，  并測(cè)量退出過(guò)程所需要的時(shí)間 ?？梢钥吹疆?dāng)盤(pán)進(jìn)入低功耗狀態(tài)的 時(shí)間越久，  其退出時(shí)間會(huì)越長(zhǎng)。

上圖的低功耗退出時(shí)間控制的比較好 。但有些盤(pán)的退出時(shí)間就比較長(zhǎng)而且發(fā)散，  這樣也會(huì)影響到用戶(hù)的 使用體驗(yàn)。

3. 影響SSD性能和可靠性的各種因素

3.1. 封裝

在實(shí)際使用中，  首當(dāng)其沖的問(wèn)題是散熱問(wèn)題 。以前SATA SSD盤(pán)性能低 、尺寸大，  所以發(fā)熱并不嚴(yán)重 。 但是進(jìn)入到NVMe SSD時(shí)代，  盤(pán)的性能成倍增?，  而尺寸卻變得更小，  SSD的溫度問(wèn)題就暴露出來(lái)了 。 有些盤(pán)在短時(shí)間內(nèi)讀寫(xiě)的性能?常好，  但是當(dāng)測(cè)試時(shí)間拉?，  溫度上升到?個(gè)閾值后就觸發(fā)了高溫保護(hù) 機(jī)制，  性能隨即下降。

上圖是?個(gè)2230封裝形式的產(chǎn)品 。我們測(cè)試了相同型號(hào)的2280封裝的產(chǎn)品，  結(jié)果如下 。可見(jiàn)，  2280封 裝由于散熱更好，  性能也更穩(wěn)定。

3.2. SLC緩存

現(xiàn)在的消費(fèi)級(jí)SSD基本都是使用TLC NAND，  以后會(huì)過(guò)渡到QLC NAND 。為了提升使用體驗(yàn)，  所有消費(fèi) 級(jí)SSD都使用了SLC緩存的設(shè)計(jì) 。SLC緩存在空盤(pán)的時(shí)候能顯著提升SSD的性能 。但當(dāng)SLC緩存用盡后 需要把數(shù)據(jù)搬運(yùn)出去，  以釋放SLC緩存占據(jù)的NAND空間給后續(xù)寫(xiě)操作使用 。這種數(shù)據(jù)搬運(yùn)的操作必然 會(huì)影響SSD的性能和壽命，  所以SLC緩存是?把雙刃劍 。不同?家在SLC緩存的設(shè)計(jì)上有不同的選擇， 在利弊之間調(diào)校出自己的風(fēng)格。

下圖是某塊盤(pán)分別在FOB和接近EOL時(shí)，  順序填全盤(pán)的性能曲線 。綠線是FOB時(shí)候的性能，  可以看到   SLC性能維持了很長(zhǎng)的時(shí)間 。通過(guò)計(jì)算可以看出，  這塊盤(pán)把?乎所有的NAND容量都用來(lái)做SLC緩存， 這種使用?式對(duì)NAND顆粒的磨損非常大 。當(dāng)盤(pán)達(dá)到?定的磨損程度后，  SLC緩存空間會(huì)逐步調(diào)整，  以 保證總的寫(xiě)?數(shù)據(jù)量 。圖中紅線是盤(pán)在EOL時(shí)的順序?qū)懶阅埽?nbsp; 可以看到SLC緩存空間?乎消失，  表現(xiàn)出 現(xiàn)的性能特性也是和FOB時(shí)候的截然不同。

3.3. PCIe Gen4

現(xiàn)在市?上的NVMe SSD基本都是PCIe Gen4規(guī)格的 。我們通過(guò)PyNVMe3把測(cè)試盤(pán)配置到不同的速度規(guī) 格，  比較其順序讀寫(xiě)的性能和功耗，  如下表。

事實(shí)上，  在大部分實(shí)際使用場(chǎng)景中Gen4并沒(méi)有帶來(lái)更高的性能和使用體驗(yàn)，  反而功耗效率還可能不如 Gen3 。那我們還需要急著上Gen5嗎？

3.4. NAND顆粒

目前市場(chǎng)上SSD的顆?；径际?D TLC NAND，  但也開(kāi)始出現(xiàn)?些QLC的產(chǎn)品 。  目前QLC盤(pán)的各種測(cè) 試結(jié)果還不理想，  需要時(shí)間去優(yōu)化 、完善 、成熟 。我們也希望早日看到國(guó)產(chǎn)的3D QLC NAND顆粒。

3.5. 固件版本

SSD的固件經(jīng)常會(huì)升級(jí)，  用來(lái)解決?些性能 、功能或者可靠性的問(wèn)題 。我們內(nèi)部測(cè)試經(jīng)常會(huì)遇到?些問(wèn) 題可以通過(guò)升級(jí)固件解決 。但是升級(jí)固件也有?險(xiǎn)，  因?yàn)楹罄m(xù)固件版本的測(cè)試資源肯定不如新產(chǎn)品的第 ?版固件那么多 。我們看到過(guò)?些產(chǎn)品升級(jí)固件后活盤(pán)變板磚的魔術(shù)。

4. 購(gòu)買(mǎi)建議

基于10多年的SSD開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)以及大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，  我們提供?些SSD盤(pán)的采購(gòu)建議，  供大家參考 。  目前 市場(chǎng)上的NVMe SSD大概可以分成2類(lèi)產(chǎn)品：  高性能盤(pán)和高性?xún)r(jià)比盤(pán) 。我們首先要確定自?的需求 。如  果不知道自?需要哪類(lèi)SSD，  大概率應(yīng)該是高性?xún)r(jià)比盤(pán)。

4.1. 高性能盤(pán)

這類(lèi)產(chǎn)品配備大容量的DRAM，  用于存放完整的SSD管理數(shù)據(jù)，  有助于顯著提高SSD的隨機(jī)讀寫(xiě)能? 。 這類(lèi)盤(pán)雖然價(jià)格比較高，  但是可以完整發(fā)揮NAND的性能特點(diǎn)，  在大負(fù)載的使用場(chǎng)景下提供穩(wěn)定的性     能 。這類(lèi)產(chǎn)品通常是2280封裝，  但還是強(qiáng)烈建議加裝散熱片，  并用在臺(tái)式機(jī)中 。高性能盤(pán)不適合用在筆 記本和超極本中，  散熱問(wèn)題導(dǎo)致其性能大打折扣。

4.2. 高性?xún)r(jià)比盤(pán)

另外?類(lèi)產(chǎn)品主打性?xún)r(jià)比 。這類(lèi)產(chǎn)品通常不會(huì)配備DRAM，  而是通過(guò)HMB特性從系統(tǒng)DRAM中獲取?部 分內(nèi)存供SSD使用 。這類(lèi)產(chǎn)品為了追求低成本，  通常會(huì)讓模組?或者主控?操?代? 。如果預(yù)算有限， 我們可以考慮這類(lèi)盤(pán) 。但高性?xún)r(jià)比盤(pán)的質(zhì)量參差不齊，  即便是來(lái)自大?的某些產(chǎn)品也未必可靠 。根據(jù)我 們的測(cè)試結(jié)果，   目前渠道市場(chǎng)上可以推薦的只有下面2款產(chǎn)品。

西數(shù) SN770

長(zhǎng)存 致鈦 TiPlus7100

4.3. QLC盤(pán)

這并不是第3類(lèi)產(chǎn)品，  而是未來(lái)的高性?xún)r(jià)比盤(pán)的必然選擇 。未來(lái)1 、2年消費(fèi)者應(yīng)該可以用更低的價(jià)格買(mǎi) 到性能夠用且可靠的QLC盤(pán) 。我們會(huì)持續(xù)關(guān)注這類(lèi)產(chǎn)品的發(fā)展。

4.4. OEM和渠道市場(chǎng)

渠道市場(chǎng)的產(chǎn)品可以從京東或者Amazon上面直接購(gòu)買(mǎi) 。OEM產(chǎn)品只會(huì)供給Dell 、聯(lián)想 、小米這些PC廠商 。上面提到的高性?xún)r(jià)比盤(pán)在渠道市場(chǎng)上面的產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果并不好，  但是NAND原廠會(huì)投入大量的研發(fā) 和測(cè)試資源，  來(lái)保證其OEM產(chǎn)品的質(zhì)量 。我們不建議大家購(gòu)買(mǎi)筆記本后自己更換SSD：  渠道市場(chǎng)的高性 價(jià)比盤(pán)品質(zhì)普遍不好，  而高性能盤(pán)在筆記本中由于散熱問(wèn)題并不能發(fā)揮其正常的性能水平。

4.5. 測(cè)試盤(pán)信息匯總

總體上，  還是符合?分價(jià)錢(qián)?分貨的道理，  但確實(shí)也有個(gè)別產(chǎn)品價(jià)格高但品質(zhì)差 。如果預(yù)算有限，  我們 推薦512GB的TiPlus7100和SN770，  雖然不是最便宜的選擇，  但在我們的測(cè)試中表現(xiàn)相當(dāng)穩(wěn)定，  性能和 容量也夠用 。再多?些預(yù)算，  我們可以選擇1T的P5Plus和KC3000，  容量和性能都會(huì)得到?常大的提    升 。如果預(yù)算?常充足，  我們可以選擇P41/SN850/990Pro這些產(chǎn)品，  ?常適合游戲玩家。

對(duì)于大多數(shù)?常辦公和上網(wǎng)的需求，  配備國(guó)產(chǎn)NAND和國(guó)產(chǎn)聯(lián)蕓主控的TiPlus7100就?常適合，功能、 性能 、功耗 、可靠性的表現(xiàn)都相當(dāng)不錯(cuò)。

5. 關(guān)于PyNVMe3

PyNVMe3是?個(gè)開(kāi)放 、高性能且可擴(kuò)展的NVMe SSD測(cè)試?具 。它配備了專(zhuān)?用于測(cè)試的NVMe驅(qū)動(dòng)程 序，  內(nèi)建原生的Python API接?，  并提供了?整套完善的測(cè)試集 。PyNVMe3幫助SSD開(kāi)發(fā)和測(cè)試?程師高效地開(kāi)發(fā)測(cè)試腳本。

PyNVMe3是?個(gè)第三?的可獲得的SSD測(cè)試平臺(tái)，有?些?商在這個(gè)公共平臺(tái)上?聯(lián)合開(kāi)發(fā)和部署測(cè) 試腳本，避免了使用內(nèi)部私有測(cè)試?案導(dǎo)致的?系列IP?險(xiǎn)。

PyNVMe3的開(kāi)放性使其能夠充分利用Python軟件生態(tài)，  提高腳本開(kāi)發(fā)的效率  ( 譬如應(yīng)用AI?具來(lái)輔助寫(xiě)腳本)  。此外，  用戶(hù)還可以將PyNVMe3大量部署到各種計(jì)算機(jī)上，  以此來(lái)保護(hù)既有投資。

PyNVMe3的高性能源于其用戶(hù)空間的輕量級(jí)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，  該驅(qū)動(dòng)程序能夠減少調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核的 開(kāi)銷(xiāo) 。這使得PyNVMe3能夠產(chǎn)生比其他測(cè)試?具更高的IO壓?，  同時(shí)獲取更準(zhǔn)確的性能數(shù)據(jù)。

PyNVMe3的可擴(kuò)展性讓用戶(hù)可以通過(guò)自?的創(chuàng)新來(lái)擴(kuò)展其測(cè)試能? 。PyNVMe3?持使用Quarch PAM  設(shè)備，  也可以通過(guò)??Python腳本來(lái)集成其他測(cè)試設(shè)備 。用戶(hù)可以在常規(guī)的CI和自動(dòng)化測(cè)試框架中運(yùn)? PyNVMe3的測(cè)試腳本。

PyNVMe3的測(cè)試集覆蓋了NVMe協(xié)議  ( 包括各種正常和異常測(cè)試用例)  、HMB注錯(cuò) 、異步上下電 、IO  壓? 、低功耗狀態(tài)切換和TCG等各種測(cè)試 。通過(guò)大量Python測(cè)試腳本，  實(shí)現(xiàn)了完全的自動(dòng)化測(cè)試與數(shù)據(jù) 分析，  保證了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確和公正。

最近?年，  我們使用PyNVMe3測(cè)試集對(duì)消費(fèi)級(jí)SSD市場(chǎng)上的多款產(chǎn)品進(jìn)行了詳細(xì)地測(cè)試，  每塊測(cè)試盤(pán)  的測(cè)試周期長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月，  并收集了SSD產(chǎn)品在整個(gè)測(cè)試周期內(nèi)的各種場(chǎng)景下的性能和可靠性數(shù)據(jù) 。歡迎 訪問(wèn)我們的官網(wǎng)獲取這些測(cè)試的基本結(jié)果 。如果需要完整的測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試服務(wù)，  請(qǐng)通過(guò)電子郵件聯(lián)系 我們：  sales@pynv.me。

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崔歡歡