Hardware

Il debutto dei processori Ryzen 3000 e della piattaforma AMD X570 segna l’arrivo del PCI Express 4.0 nel mercato consumer. La nuova versione dello standard promette un bandwidth più alto a disposizione delle schede video e anche dei sistemi di archiviazione, come gli SSD.

Proprio gli SSD, più delle schede video, sembrano giovarsi (sulla carta) dalla maggiore banda a disposizione. Ma è realmente così? Abbiamo davvero bisogno di una nuova interfaccia più veloce e un throughput fino a 5 GB/s, specialmente alla luce dei maggiori costi associati al passaggio alle piattaforme X570? Per scoprirlo, nell’attesa che arrivino sul mercato gli SSD dei vari produttori, siamo riusciti a mettere le mani su un SSD PCI Express 4.0 di riferimento con controller Phison.

Il PCI Express 4.0 garantisce un bit rate pari a 16 GT/s, il doppio del bandwidth del PCI Express 3.0, mantenendo la retrocompatibilità con le versioni precedenti. L’approdo della memoria NAND flash nel mondo dello storage ha sconvolto il panorama dell’archiviazione, soprattutto con l’avvento dell’interfaccia PCI Express e del protocollo NVMe (Non-Volatile Memory Express) che hanno abbattuto i limiti di banda dell’interfaccia SATA (ferma alla versione 3.0 a 6 Gbps).

L’evoluzione tanto della memoria quanto dei controller ha però portato gli ultimi SSD a saturare anche l’interfaccia PCIe 3.0 x4. Così ecco il nuovo passo evolutivo degli SSD NVMe, il PCI Express 4.0, in grado di spostare il limite più avanti.

AMD è stata la prima credere nel nuovo standard, così dalle schede video Radeon RX 5000 fino alle CPU Ryzen ed EPYC di ultima generazione per arrivare alle piattaforme, ha deciso di fare uno degli elementi caratterizzanti della sua offerta. Tanto che si racconta che l’azienda abbia investito 15 milioni di dollari per accelerare lo sviluppo del primo controller PCIe 4.0, il PS5016-E16 di Phison.

Questo controller sarà a bordo di alcuni degli SSD che abbiamo visto al Computex 2019 e che saranno disponibili nei prossimi mesi, da parte di aziende come Corsair, Gigabyte, Patriot e alcune altre. Ci aspettiamo l’arrivo di altri prodotti successivamente. Nel 2020 è atteso un altro controller in grado di favorire lo sviluppo di unità ancora più veloci.

Nell’attesa di toccare con mani i nuovi prodotti, siamo riusciti a provare un progetto di riferimento di Phison, che non dovrebbe discostarsi molto dai primi SSD PCIe 4.0 in arrivo presto sul mercato. Abbiamo avuto la rara opportunità di testare questo SSD con uno speciale adattatore PCIe da 20.000 per vedere come le maggiori prestazioni impattano sui carichi reali.

L’inizio di una nuova era

Il PCI Express è l’interconnessione di archiviazione più veloce e ampiamente diffusa sulle schede madre. Acquistando oggi un SSD NVMe potete raggiungere velocità fino a 3,5 GB/s tramite il PCIe 3.0 x4. Il nuovo chipset AMD X570, accoppiato alle CPU Ryzen 3000, apre però nuove opportunità, supportando la più veloce interfaccia PCI Express 4.0.

Il PCIe 4.0 favorisce una configurazione più flessibile delle linee e raddoppia il potenziale di bandwidth. Questo significa che offre fino a 2 GB/s per linea rispetto a circa 1 GB/s del PCIe 3.0. Il nuovo standard mantiene la stessa codifica 128b/130b del PCIe 3.0, quindi la maggior parte del bandwidth non viene persa a causa dell’overhead del protocollo. Con il passare del tempo, vedremo migliorare tanto la memoria quanto i controller, e vedremo gli SSD raggiungere un throughput di circa 8 GB/s o più in ogni direzione.

Phison è sempre stata piuttosto veloce nel portare sul mercato nuovi controller e questa volta non fa eccezione. Al CES 2019 Phison mostrò i primi engineering sample di SSD PCIe 4.0funzionare a circa 4 GB/s insieme alla memoria Toshiba BiCS3 TLC a 64 layer, che rallentava le potenzialità del controller. Grazie a una nuova memoria infatti, Phison dice di essere riuscita a raggiungere circa 4,8 GB/s.

Phison ha sviluppato l’E16 con in mente la nuova memoria 3D NAND TLC e QLC. Il chip supporta otto canali NAND con 32 chip enables (CE) con velocità fino a 800 MT/s, per una capacità totale fino a 2 TB. L’attuale Phison E12 (PCIe 3.0) può teoricamente supportare fino a 8 TB di memoria NAND flash, ma dato che non c’è una grande domanda per capacità così alte, Phison ha ottimizzato l’ultimo controller perle capacità più popolari.

Specifiche tecniche

Il sample giunto nei nostri laboratori era equipaggiato con il firmware EGFM10E3 e la memoria BiCS4 TLC a 96 layer di Toshiba che ha sbloccato maggiori prestazioni rispetto a quanto Phison sperava inizialmente. Con la nuova memoria e un firmware maggiormente ottimizzato, l’E16 è in grado di raggiungere velocità di 5 GB/s in lettura e 4,4 GB/s in scrittura. È un record.

L’E16 è prodotto a 28 nanometri, come il precedente E12. In effetti i due controller sono molto simili. Phison ha realizzato l’E16 basandosi sul progetto dell’E12, quindi ritroviamo caratteristiche come la cifratura dei dati end-to-end e il monitoraggio della temperatura.

Il controller E16 supporta la cifratura AES-256, TCG OPAL 2.0 e Pyrite ma anche il report dei dati S.M.A.R.T., TRIM e il comando Format NVMe per assicurare la cancellazione sicura dei dati. In sintesi, il controller usa il back end dell’E12 accoppiato a un PHY (physical layer) PCIe 4.0 più veloce, l’engine ECC LDPC di quarta generazione di Phison e una IP NAND un po’ migliorata. Perciò, mentre il PHY è nuovo, non ci sono molti cambiamenti sul fronte delle capacità di calcolo: la maggior parte dell’innovazione sta nel codice.

Sguardo ravvicinato

Dato che Phison ha basato l’E16 sulle fondamenta dell’E12, il progetto del PCB è anch’esso quasi identico. Abbiamo un form factor M.2 2280 a doppia faccia da 1 TB come gli attuali SSD sul mercato, eccetto per una cosa: come Silicon Motion, vediamo che Phison ha posto una finitura in nickel sul controller per favorire la dissipazione del calore. È un’ottima aggiunta ma la speranza è che i produttori passino a qualcosa di diverso rispetto al PCB blu.

Come abbiamo scritto prima, il nostro sample si basa su memoria BICS4 TLC a 96 layer di Toshiba. I prodotti da 1 TB e inferiori avranno die da 256 Gbit, mentre quelli da 2 TB avranno die da 512 Gbit. BiCS4 garantisce un aumento delle prestazioni rispetto a BiCS3 e, in base alla resistenza di 3600 TBW dichiarata da Gigabyte per l’Aorus NVMe da 2 TB, i dati di resistenza sono leggermente migliorati rispetto a quanto garantito dall’E12, ossia un massimo di 3120 TBW. Questo potrebbe essere parzialmente dovuto anche alla quarta generazione dell’engine LDPC.

Configurazione di prova dell’SSD

Prima di parlare di test, dobbiamo rispondere a un’ovvia domanda: ma se le motherboard PCIe 4.0 non sono ancora sul mercato, come abbiamo testato l’SSD? Siamo riusciti a mettere le mani su una scheda Gen4HOST da 20.000 dollari di PLDA. Si tratta di una scheda che converte il nostro slot PCIe 3.0 x16 sul sistema in una connessione PCIe 4.0 x8 che comunica con un endpoint PCIe 4.0. Questo tipo di scheda è usata per sviluppo e validazione, ed è proprio quello che faremo in questo articolo, validando le prestazioni dell’SSD di riferimento di Phison.

Considerando che questo controller sarà presto a bordo di alcuni degli SSD più veloci sul mercato, l’abbiamo messo a confronto con alcune delle soluzioni di punta attuali. Queste includono il Samsung 970 EVO Plus con il suo controller Phoenix e la V-NAND V5 a 96 layer, il WD Black SN750 basato sul controller proprietario e memoria NAND BiCS 3 TLC a 64 layer di Toshiba e l’ADATA XPG SX8200 Pro con controller Silicon Motion SM2262EN e memoria Micron TLC a 64 layer.

Di certo non possiamo mettere il nostro sample contro questi rivali senza includere un prodotto con controller Phison E12, quindi abbiamo preso un MyDigitalSSD BPX Pro, che ha memoria Toshiba BiCS3. Infine abbiamo inserito i dati ottenuti con un Intel Optane SSD 905P per vedere se l’interfaccia PCIe 4.0 può chiudere il gap introdotto dalla memoria 3D XPoint.

Caricamento giochi – Final Fantasy XIV

Il benchmark Final Fantasy XIV StormBlood è un test di gioco reale che permette di confrontare in modo facile e accurato i tempi di caricamento.

Gli SSD basati sul controller Phison E12 non sono mai stati i più veloci in questa prova e queste prestazioni si confermano. Il nuovo E16, senza i limiti dell’interfaccia PCIe 3.0 x4, non mostra però un grande miglioramento, probabilmente poiché simile nel progetto all’E12. In generale il controller migliora le prestazioni solo di una frazione di secondo, alla meglio, rispetto agli SSD E12, e ciò è principalmente dovuto alle prestazioni casuali migliorate grazie alla BiCS4 TLC di Toshiba, anziché all’aumento delle prestazioni sequenziali.

Transfer Rate – DiskBench

Usiamo il benchmark DiskBench per testare le prestazioni di trasferimento file con un insieme di dati personalizzato da 50 GB. Il nostro set di dati include 31.227 file di vario tipo, come immagini, PDF e video. Copiamo i file in una nuova cartella e poi eseguiamo un test di lettura di un nuovo file da 6 GB.

Grazie alle sue incredibili prestazioni sequenziali, il Phison E16 distrugge la concorrenza durante i test di copia e lettura file. Con una velocità di copia di 1,1 GB/s, il sample di E16 ottiene la prima posizione e garantisce il doppio delle prestazioni del BPX Pro con controller E12. E ciliegina sulla torta, supera il gruppo in modo evidente durante il test di lettura di un file da 6 GB a 3,1 GB/s.

Clonare il sistema – Macrium Reflect

Clonare un sistema non è un’operazione che fanno spesso in tanti. Ma può essere un’operazione dispendiosa in termini di tempo con un supporto di archiviazione lento come un hard disk o un SSD entry level – specialmente se avete molti dati. Perciò abbiamo sviluppato un test per misurare quanto richiedono queste operazioni. Per assicurarci la ripetibilità dei risultati, cancelliamo in modo sicuro ogni SSD per assicurarci che la cache SLC sia vuota prima di ripristinare un sistema operativo e relativi file da 114 GB partendo da un Intel Optane SSD 905P.

Dato che si tratta di un’anteprima di un SSD NVMe di fascia alta, la nostra selezione di SSD di fascia alta comparabili mostra poca differenza nel tempo di clonazione. L’Intel Optane 905P si è dimostrato il più veloce, clonando in appena quattro minuti e dieci secondi, ma il resto del gruppo si è piazzato dietro di pochi secondi. Nonostante l’incredibile velocità di scrittura di 4,3 GB/s del nuovo controller Phison, il tempo di clonazione si è attestato al livello del MyDigitalSSD BPX Pro.

Tempo di avvio del computer

Il tempo di avvio una volta era un’operazione lunga, ma con l’introduzione degli SSD tutto è cambiato. Abbiamo riavviato il nostro sistema molte volte per ottenere il tempo di avvio medio. Abbiamo testato con la funzionalità di avvio veloce di Windows 10 disabilitata e un ritardo di un secondo per quanto riguarda il POST nell’UEFI.

In modo simile a quanto riscontrato nella clonazione del sistema, i tempi di avvio sono molto simili alla maggior parte dei concorrenti. Il Phison E16 ha avviato 0,3 secondi più velocemente rispetto a qualsiasi altro SSD. Solo l’Optane SSD 905P si distacca dal gruppo con un vantaggio di quasi un secondo.

PCMark 8 Storage Test 2.0

PCMark 8 è un test basato su traccia che usa Microsoft Office, Adobe Creative Suite, World of Warcraft e Battlefield 3 per misurare le prestazioni delle soluzioni di archiviazione negli scenari reali.

Optane SSD 905P si piazza in prima posizione e ottiene la vittoria con un margine significativo. La latenza molto ridotta e l’alta capacità di IOPS di Intel Optane paga alla grande in questo caso. Il Phison E16 si è comportato piuttosto bene in questo test, ma la sua incredibile prestazione sequenziale non emerge con questi carichi piuttosto leggeri. Si posiziona in terza posizione generale, con un risultato vicino al MyDigitalSSD BPX Pro e al Samsung 970 EVO Plus.

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Conclusioni

L’interfaccia PCIe 4.0 accoppiata a un controller Phison E16 e alla più recente BiCS4 TLC di Toshiba ha davvero aiutato a portare le prestazioni degli SSD a nuovi livelli. La nuova interfaccia mette su piatto capacità esplosive, senza dubbio, ma tutto parte dall’hardware che si collega a quella porta.

Non solo Phison ha migliorato le prestazioni del controller E12, ma l’E16 ha assolutamente distrutto il suo predecessore in alcune operazioni. Nel nostro test di copia di una cartella ha battuto l’E12 mostrando prestazioni doppie, e ha persino superato l’Intel Optane SSD 905P.

L’SSD ha letto file oltre 600 MB/s più rapidamente del resto del gruppo di confronto. L’SSD ha dimostrato le sue capacità anche con i carichi workstation: in SPECworkstation 3, il nostro sample di E16 ha costantemente superato in modo chiaro l’E12. E la velocità e la dimensione della cache di scrittura è semplicemente enorme!

Tuttavia, anche se questi risultati sono gratificanti da vedere, il maggior bandwidth non sempre si lega a un vero aumento delle prestazioni in tutti i software, o almeno che sia effettivamente percepibile. I nostri punteggi in PCMark 8, il tempo necessario per clonare il sistema, quello di avvio e i test di caricamento dei giochi mostrano differenze molto ridotte tra le unità più veloci e quelle più lente.

Abbiamo messo il nostro SSD PCIe 4.0 contro alcune delle unità migliori disponibili, quindi in parte ce l’aspettavamo, ma anche con velocità in lettura sequenziale nettamente migliori la velocità nell’avvio del sistema è stata di appena 0,3 secondi migliore e il tempo di caricamento dei giochi è migliorato di poco rispetto all’E12.

Questo depone a favore delle recenti affermazioni di Intel sul fatto che i tempi di caricamento dei giochi e le prestazioni non sono influenzate molto, se non per nulla, dalla nuova interfaccia.

Il PCIe 4.0 apre la porta a un intero nuovo livello prestazionale. Il tetto delle prestazioni potenziali è ora raddoppiato, dando il via a una nuova corsa per saturare l’interfaccia. Sinora, con velocità di lettura fino a 5 GB/s e di scrittura fino a 4,3 GB/s, il Phison E16 sale in cima alla lista degli SSD più veloci sul mercato.

Quanto durerà questa leadership? Phison sta spingendo per arrivare quanto prima sul mercato e ha avviato la produzione in volumi, mentre gli altri produttori di controller si stanno prendendo i loro tempi.

Silicon Motion è sulla buona strada per presentare il proprio controller PCIe 4.0. Abbiamo visto l’SM2267 al Computex qualche settimana fa, ma le prime unità dovrebbero arrivare solo nel 2020. Con prestazioni sequenziali dichiarate di 4,3 GB/s in lettura e scrittura, sarà interessante vedere come le prestazioni progrediranno per allora.

Phison ha battuto gli altri produttori di controller nell’arrivo sul mercato adattando l’attuale E12 alla nuova interfaccia. Questa combinazione non satura totalmente il bus PCIe 4.0 che ha un throughput massimo teorico fino a 8 GB/s, ma l’E16 non è altro che un controller di fascia media.

Phison è già al lavoro su un controller di fascia alta, chiamato E18, che arriverà nel Q1/Q2 2020 e che spingerà i limiti dell’interfaccia PCI Express 4.0 x4.

Phison sta inoltre passando dal processo a 28 nanometri ai 12 nanometri, sempre di TSMC, per l’E18. Il processo migliore garantirà maggiori prestazioni e aiuterà nel contenimento dei consumi, in quanto il bus PCIe 4.0 è parecchio affamato di energia: ci è stato detto che l’E16 raggiunge un massimo di 8 watt sotto carico.

E poi, certo, ci sono due grandi concorrenti: Western Digital e il gigante del settore, Samsung. Quando vedremo dei controller PCI Express 4.0 da queste due aziende? Al momento non è noto. Tutto quello che sappiamo è che non vediamo l’ora di assistere all’inizio di una nuova corsa agli armamenti nel settore degli SSD. Ne vedremo delle belle!

Articolo originale su tomshw.it