这里有一款非常优秀,而且很有上进心的SSD

企业级SSD在支持PCIe 4.0接口后,顺序读写性能获得了充分释放。当然,我们衡量SSD的性能不仅仅只看接口带宽,随机访问、稳定性等方面也需要得到重视。Solidigm近期推向市场的D7-P5520和D7-P5620在控制器、闪存介质方面都有所改进,提供了更多容量点供用户选择,随机访问指标也有了明显提升。

去年Solidigm D7-P5510上市时仅提供了3.84TB和7.68TB两个容量点,而D7-P5520向下增加了1.92TB,向上扩展到15.36TB,共有4个容量点。获得丰富的还有外形——除了传统的U.2,还增加了面向未来的E1.L和两种厚度的E1.S,用户可以更灵活地按需选择。

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与前代产品D7-P5510相比,D7-P5520最大的变化是NAND闪存介质的迭代:采用第二代144层3D NAND,通过BBD(Block By Deck)和独立多平面读操作(IMPRO)等技术特性提升了随机读取性能和服务质量(QoS)。介质性能的改进,让D7-P5520可以用相对较小的容量提供较好的性能。

内有乾坤

我们收到的D7-P5520样品的容量为7.68TB,采用15mm厚度的U.2外形。得益于NAND Flash介质密度的提升,这样的容量只使用了一块PCB即能实现,盘体的厚度主要留给硕大的电容(耐压35V,容量1000μF)使用。

D7-P5520的PCB布局与D7-P5510相似,主控封装缩小,封装编号LNQG(P5510为LNBX),说明主控还是经历了硬件层面的小迭代的——这从产品的一些规格也可以看出来,譬如P5520支持NVMe 1.4,而P5510为NVMe 1.3。顺便提一下,同期送测的D5-P5530的封装尺寸与编号与D7-P5510相同,支持NVMe 1.3。

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提到P5530,大家可能会有点儿懵,P5530发布的好像比P5520还要早一些,有P5530了,为什么还要测P5520?其实二者的定位是不同的,完整的型号命名应该包括前面的“D7”或“D5”。在这里我们顺便回顾一下Solidigm固态盘的命名规则:

命名原则

1. Solidigm使用Dx Pxxxx Series(其中“x”为数字)来对产品系列命名。

2. Solidigm NVMe固态盘以D加数字开头,代表产品是定位性能还是性价比导向。如数字7代表性能导向的NVMeSSD,D5代表大容量优先,而数字3则代表性价比导向的SATASSD,数字1代表入门性能。

3. Pxxxx中的字母P代表PCIe接口产品;S代表SATA;D为DualPort NVMe。

字母后第一位数字代表第几代控制器;

字母后第二位数字代表寿命等级,数字越大,写入量越大;

字母后第三位数字代表介质的迭代;

字母后第四位数字代表其他特性,如0为普通,1为低功耗,2为性能优化,6为大容量 IU(Indirection Unit,如16K或64K),8为PCIe x8 AIC。

综上,Solidigm D7-P5520的产品定位是性能导向,控制器是第5代架构,设定为标准寿命的主流NVMe固态盘产品。而D5-P5530的性能相对D7-P5520要略低一些,介质方面也更换为SK Hynix的NAND Flash颗粒。至此,Solidigm(含前Intel SSD部门)的第五代架构SSD已经经历了4个版本的介质,包括2020年中发布的D7-P5500/P5600系列使用的96层3D NAND Flash,2021年初出货的D7-P5510/D5-P5316系列使用的144层3D NAND Flash,今年初发布的D7-P5520/P5620系列使用改进的144层3D NAND Flash,以及采用SK Hynix NAND Flash的D5-P5530。这次评测我们重点关注D7-P5520改良的性能表现,下一次的评测我们会关注换用SK Hynix介质的情况。

D7-P5520的PCB每面8颗NAND Flash芯片,共16颗。其中使用了两种不同容量的芯片,分别为10颗为4 die封装、6颗8 die封装,总共为4×10+8×6=88 die。每粒die在TLC模式下的容量为96 GB,总的介质容量为8448 GB。这款D7-P5520的标称容量为7.68 TB,保留空间约10%。用户也可以自行通过SST进行设置,增加OP空间,以进一步提升D7-P5520的耐久度和随机写入性能。

缓存方面,D7-P5520使用了5颗DDR4 3200规格DRAM,单颗容量16Gbit(4G×4bit),5颗构成10 GB容量。对于常规IU的SSD,大致遵循1GB NAND Flash容量对应1MB DRAM做FTL缓存的配置。

性能再创新高——常规测试

我们以宝德PR2715W3服务器为基础构建了D7-P5520的测试平台。具体配置为:

处理器:

双路英特尔至强金牌5318Y处理器

(2.10 GHz/ 36MB/24C/48T/165W)

内 存:

32×32GB/DDR4/2933MHz/ECC/REG

系 统:

CentOS Stream release 8

(内核 5.4.197-1.el8.elrepo.x86_64)

Windows Server 2019

这台服务器配置了双路英特尔至强金牌5318Y处理器,每处理器拥有24核48线程、可提供64通道PCIe 4.0,搭配1TB DDR4 3200内存(处理器支持的实际运行频率为2933MHz),可以充分发挥新一代SSD的性能。

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基本性能:稳中有升

我们首先看一看经过几代发展,步入“成熟期”的PCIe 4.0接口硬盘的最大吞吐量能达到什么水平。在128KB块大小的顺序读取测试中,D7-P5520毫无意外地突破7GB/s大关,达到7.46GB/s,基本上可以认为达到PCIe 4.0 x4接口带宽的极限了。顺序写性能也超过Solidigm的标称值,达到4.47GB/s。

这里有一款非常优秀,而且很有上进心的SSD
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接下来的随机性能测试中,D7-P5520的随机读取性能毫不意外地突破百万IOPS大关,在CentOS Stream release 8操作系统下,FIO测试工具展现了高达115万IOPS的水平。从我们记录的30分钟测试的散点图中,D7-P5520的随机读性能波动非常的小,稳稳地保持在110万IOPS以上,延迟基本上均在230微秒以内。可以说,满负荷的、纯粹的随机读测试对于D7-P5520已经不构成压力了。在Windows Server 2019操作系统中,IOmeter测得的4KB随机读IOPS也稳定在110万以上。

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D7-P5520的随机写入性能也颇为亮眼,我们录得的测试成绩为22万IOPS,这与标称值吻合。从散点图可以看到,随机写入的延迟波动相对随机读取要大,说明写入对于SSD响应能力的影响很大。这种影响在后面混合读写测试中会有更充分的体现。

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混合负载:贴近实战

前面的4组数据(100%顺序读取、100%顺序写入、100%随机读取、100%随机写入)也被统称为“四角测试”,体现的是SSD在4种极端(理想)状态下的性能。为了跑满设备吞吐量,还会使用很深的队列(QD256,甚至512)。但是,多数的真实应用中,是不会出现这么纯粹的读取或者写入情况,基本上都是读取为主,少量写入。在这里我们引用Solidigm统计的企业和云工作负载情况供大家参考。

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从统计数据可以看到,在典型的几种云应用场景中,除了CDN的读取占绝大多数(95%)、传输以大数据块为主,其他几大云工作负载均为小数据块、读写比例大致为7:3。这几种云负载的IO模式均为随机为主。

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企业工作负载方面,HPC、通用、数据库、决策支持系统、人工智能为主要的工作负载,其中前三种的读写混合比例大致在7:3~9:1的水平。

值得一提的是,在上面的统计数据中,我们还发现:典型企业、云工作负载,绝大多数负载的队列深度小于32。根据我们的测试经验,较浅的队列下,SSD的IOPS会降低。换句话说是:在浅队列(真实世界中偶发的请求)下,SSD的响应延迟会明显一些。

在前面介绍随机写入的散点图时,我们曾提到,随机写入对SSD的响应能力影响更大。在读写操作混合出现的情况下,SSD的IOPS是否能否此消彼长,总量保持相对稳定?对于这个问题,我们用混合读写测试来验证。

我们为D7-P5520安排了更能体现真实场景负载的是混合读写测试,选择典型的70%读、30%写的组合。在加入随机写入负载的情况下,随机读的IOPS受到的影响非常显著,从100%随机读的百万级降到了30万IOPS左右,波动也明显增加了。这说明写操作对随机读操作的响应能力造成了很大的影响。

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对混合读写操作优化不充分的SSD的延迟经常会达到毫秒级,甚至会出现数毫秒的延迟。由于混合写入操作导致的读延迟是数据中心的痛点之一,尤其是在集群环境下,某块SSD的长延迟带来的性能影响会急剧放大,拖累整个集群的响应能力。在混合读写测试中,D7-P5520表现出了良好的服务稳定性,对于队列深度为1的情况,平均延迟为31微秒,99.99%操作延迟在461微秒之内;队列深度增加到32时,平均延迟为161微秒,99.99%操作延迟控制在676微秒之内。这意味着在典型的应用环境中,D7-P5520可以提供非常高的、可预期的服务质量(QoS)。

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玩转Solidigm Storage Tool

判读D7-P5520的NANDFlash配置时,我们曾经提到:通过Solidigm Storage Tool可以改变D7-P5520的保留容量。接下来我们体会一下Solidigm Storage Tool的强大之处。

SST提供了三种版本供用户下载,分别是Windows、Linux、ESXi,均支持命令行操作,其中Windows版还提供了图形界面。以Windows版的图形界面为例,可以直观查看SSD的基本信息(序列号、固件版本、健康状态、温度等),还可以进行固件升级、安全擦除等维护。

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命令行模式(CLI)除了查看基本信息等,还可以使用更深层次的功能,如调整SSD的电源模式、增加或恢复保留容量等。

性能还是节能?随心设定

D7-P5520支持三种电源模式:PM0、PM1、PM2。三种电源模式下的功耗不同,对应的,性能也会有差异。在这里,我们提供几个电源模式下,不同操作的运行功耗及性能的表格供大家参考。

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PM0模式的功耗限制最小,从表格中可以看到,D7-P5520在PM0模式下的性能最佳,符合Solidigm的标称值。我们主要的性能测试是在PM0模式下完成的。PM1模式下,功耗会有所限制,不过与极限差别不大,性能也能达到PM0的八至九成的水平。PM2模式下,功耗会被限制在10瓦以内,这对性能的影响就很明显了,大队列的读写操作IOPS都会减半。对于浅队列的操作,极端的如QD1,三种电源模式的性能则相差无几。

通过SST命令行,我们可以查看D7-P5520的功耗模式,也可以随时调整,不需要停机维护。

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用容量换性能,玩转OP设置

增加SSD的保留空间可以提升耐久度,这个属于常识了。至于提升性能,这是真的吗?SST提供的更改保留空间的功能正好可以让我们验证这一点。

譬如目前我们测试的D7-P5520容量为7.68TB,那么我们可以通过一条命令行使用83%的逻辑扇区,也就是保留17%的容量。此后这块D7-P5520的可用容量被调整至约6.4TB,与D7-P5620近似。

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增加保留空间后,SSD的耐久性相应增加,随机写入性能也会增加。调整后的D7-P5520的4KB随机写入性能直接飙升近90%,突破40万IOPS,甚至高于D7-P5620的标称值——这么有上进心的SSD,您见过吗?我们把两种OP设置下的性能放在一张图中对比,蓝色线是我们人为设置的“准P5620”的IOPS,橙色线是D7-P5520未增加保留空间时的性能,二者的差异之大,很难想到这都出自同一个物理盘体。这也说明目前这一代的控制器和NAND Flash介质的潜力颇大。

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Solidigm D7-P5520拥有三种电源模式,还可以自由设定的保留容量,只要灵活使用Solidigm Storage Tool,用户可以根据当前的业务特点调整SSD的参数。譬如读写负荷不重的情况下,我们可以更多地考虑节能降本。或者,某业务写入压力大、需要增加缓存盘等,我们可以用容量换性能,而无需重新采购,诸如此类。

结语

Solidigm D7-P5520是第五代控制器和144层3D NAND介质产品线的又一次重要迭代,将吞吐量和IOPS都提升到了新的高度。作为“D7”系列的一员,D7-P5520不但性能优越,在混合读写测试中也展现出了良好的稳定性,这正是高负载的云和企业级应用所急需的。通过功能强大的Solidigm Storage Tool,不但可以发挥企业级SSD的可管理性优势,还可以根据业务特点灵活调整D7-P5520的性能、功耗、耐久性等状态,更好地服务于日新月异的应用场景,可谓“上进心”十足了。

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