RAID 0 из SSD: Два Kingston HyperX SSD 120 GB против Kingston HyperX SSD 240 GB

Введение

Дублирование устройств и распараллеливание нагрузки – достаточно популярная идея на современном рынке персональных компьютеров. Энтузиасты нередко прибегают к созданию видеоподсистем, в которых используется две или большее количество графических карт, а те пользователи, которые нуждаются в непревзойдённой вычислительной производительности, зачастую делают ставку на многопроцессорные рабочие станции. Подобный подход можно применить и в отношении дисковой подсистемы: достаточно простой способ увеличения скорости её работы – это формирование RAID-массива из пары (или большего количества) жёстких дисков. Массивы уровня 0 (stripe) предполагают дробление всей сохраняемой информации на равные части, которые равномерно распределяются по нескольким физическим накопителям. В результате, за счёт параллельного чтения и записи данных сразу на несколько накопителей скорость работы такой системы по сравнению с одним диском может быть повышена в несколько раз.

Собственно, на заре распространения SSD потребительского класса были достаточно популярны рассуждения о том, RAID-массив из какого количества винчестеров сможет обеспечить производительность, сравнимую со скоростью флэш-накопителя. Конечно, сейчас эти времена уже безвозвратно ушли. Внедрение стандарта SATA 6 Гбит/сек и появление нового поколения контроллеров для твердотельных накопителей привело к тому, что скорости современных SSD ушли слишком далеко от того уровня быстродействия, который могут обеспечить традиционные магнитные диски. Однако возник другой не менее интересный вопрос: можно ли дополнительно увеличить производительность дисковой подсистемы, если в массив RAID 0 собрать несколько SSD?

Действительно, причин, по которым технология RAID не должна оказывать положительный эффект в случае с SSD, на первый взгляд не видно. Твердотельные накопители показывают хорошее быстродействие при работе с небольшими блоками данных, а чипсетные RAID-контроллеры предлагают прямую связь с процессором с пропускной способностью, вполне достаточной для получения скоростей, превосходящих SATA 6 Гбит/сек в несколько раз. Так что существенного увеличения производительности работы можно ожидать и от RAID 0 на базе SSD. Идея кажется особенно привлекательной ещё и потому, что она не сопряжена ни с какими дополнительными затратами. Общая ёмкость массива RAID 0 представляет собой сумму ёмкостей входящих в него накопителей, а стоимость SSD прямо пропорциональна их ёмкости. То есть, если для создания массива пользоваться «бесплатным» RAID-контроллером встроенным в чипсет материнской платы, то в итоге мы получим примерно такую же стоимость хранения гигабайта информации, как и в случае одиночного диска большего размера.

Учитывая кажущуюся привлекательность создания RAID 0 массивов из твердотельных накопителей, мы решили проверить их работу на практике. Компания Kingston любезно согласилась предоставить нам на тесты два 120-гигабайтных и один 240-гигабайтный SSD своей топовой серии HyperX, что и дало возможность прямого сравнения RAID 0 массива из двух дисков с одиночным накопителем аналогичного объёма.

Подробнее о Kingston HyperX SSD

Накопители серии Kingston HyperX SSD – это типичные решения на базе контроллеров SandForce второго поколения, нацеленные на энтузиастов. Они базируются на хорошо знакомом нам чипе SF-2281 и комплектуются 25-нм синхронной NAND-памятью производства компаний Intel или Micron. Проще говоря, накопители HyperX используют производительный вариант актуальной платформы SandForce и по своим внутренностям аналогичны таким популярным моделям как Corsair Force Series GT или OCZ Vertex 3.

Выделяет Kingston HyperX SSD в ряду подобных SandForce-накопителей разве только более броский дизайн корпуса, да и фирменная программа Toolbox, позволяющая просматривать различную информацию о диске, включая значение атрибутов S.M.A.R.T.

Утилита эта поразительно похожа на OCZ Toolbox с вырезанной функцией обновления прошивки (для этого у Kingston предлагается специализированная программа) и без возможности Secure Erase.

Как и у всех других накопителей с контроллерами SandForce, диски Kingston HyperX SSD с ёмкостью 120 и 240 Гбайт отличаются по производительности. В официальных спецификациях это отражается следующим образом:

Причина различий состоит в количестве используемых в составе SSD оконечных NAND-устройств. Так как 25-нм кристаллы MLC флэш-памяти имеют объём 8 Гбайт, 120-гигабайтный диск содержит 16 флэш-устройств, в то время как более ёмкая модификация укомплектована 32 устройствами. Учитывая, что контроллер SandForce SF-2281 имеет восьмиканальную архитектуру, накопители с разной емкостью вынуждены использовать для каждого канала технику чередования обращений к флэш-устройствам с разной кратностью. Так, в случае 120-гигабайтного SSD чередование двукратное, а в случае 240-гигабайтного накопителя – четырёхкратное. Большая кратность чередования гарантирует более высокую производительность, так как вместо ожидания готовности NAND-устройства после очередной операции контроллер имеет возможность перейти к обслуживанию следующего устройства. По сути это похоже на реализацию подхода RAID 0, но внутри накопителя, на уровне контроллера SandForce.

Тестовая система

Для тестирования SSD-накопителей мы собрали специальную систему, построенную на материнской плате с набором логики Intel H67, который, как известно, обладает парой SATA 6 Гбит/сек портов. Именно на этих портах мы и испытываем твердотельные накопители.

В целом, тестовая конфигурация включает следующий набор оборудования:

Процессор – Intel Core i5-2400 (Sandy Bridge, 4 ядра, 3.1 ГГц, технологии EIST и Turbo Boost –отключены);
Материнская плата - Foxconn H67S (версия BIOS A41F1P01);
Память - 2 x 2 GB DDR3-1333 SDRAM DIMM 9-9-9-24-1T;
Системный накопитель – Crucial m4 256 Гбайт (CT256M4SSD2);
Тестовые накопители:

Kingston HyperX 120 Гбайт (SH100S3/120G, прошивка 332);
Kingston HyperX 240 Гбайт (SH100S3/240G, прошивка 332);

Операционная система - Microsoft Windows 7 SP1 Ultimate x64;
Драйверы:

Intel Chipset Driver 9.2.0.1030;
Intel HD Graphics Driver 15.22.1.2361;
Intel Management Engine Driver 7.1.10.1065;
Intel Rapid Storage Technology 10.8.0.1003.

Проблемы конфигурирования RAID 0 из SSD

Для создания массива из SSD-дисков мы решили пользоваться стандартным RAID-контроллером, встраиваемым в современные наборы системной логики. Чипсетные SATA-контроллеры хорошо показывают себя в работе с одиночными SSD, и вполне подходят для наших целей, тем более что врождённая поддержка RAID уже есть в большинстве современных систем, то есть не требует дополнительных финансовых затрат.

Наша стандартная тестовая платформа основывается на LGA1155-процессоре и системной плате с чипсетом H67, SATA-контроллер которого имеет встроенную поддержку RAID-массивов. Для её активации необходима смена режима работы SATA-контроллера с AHCI на RAID в BIOS. Однако простое изменение соответствующей опции в BIOS Setup приведёт скорее всего к неработоспособности операционной системы, выражающейся в возникновении «синего экрана» на этапе загрузки. Причина состоит в том, что драйвер RAID в Windows по умолчанию отключен. Обойти эту проблему можно двумя путями. Либо заново, уже в RAID-режиме, переустановить Windows, и тогда необходимый драйвер автоматически включится при установке. Либо, непосредственно перед изменением настроек SATA-контроллера в BIOS, установить в 0 значение переменной Start, находящейся в системном реестре в ветке HKEY_LOCAL_MACHINE\System\CurrentControlSet\Services\Iastorv, а затем переустановить драйвер SATA-контроллера Intel Rapid Storage Technology (RST) уже в RAID-режиме.

После включения режима RAID и внедрения в систему необходимых драйверов, можно переходить непосредственно к формированию массива. Он создаётся средствами драйвера Intel RST. В процессе потребуется лишь указать диски для включения в массив и его режим работы – RAID 0.

Всё остальное конфигурирование выполняется автоматически, но при желании можно изменить размер страйп-блока (по умолчанию – 128 Кбайт) и включить встроенное в драйвер кэширование операций записи (может приводить к потере информации при внезапных отключениях системы).

По понятным причинам кэширование мы включать не рекомендуем, тем более что подобную функциональность предлагает и сама операционная система. Что же касается размера страйпа –блоков, на которые разбиваются дисковые операции для распределения по накопителям, составляющим массив, то тут слепо опираться на предлагаемые драйвером 128 Кбайт – подход не самый разумный. Большой размер страйпа имеет смысл для накопителей на магнитных дисках, так как они выполняют операции линейного чтения и записи больших блоков значительно быстрее, чем операции с маленькими блоками, требующие интенсивного перепозиционирования головок. SSD же обладают очень малым временем доступа, так что выбор небольших страйп-блоков может обеспечить лучшую производительность на операциях с файлами небольшого объёма.

И хотя скорость одиночного Kingston HyperX SSD 120 Гбайт при работе с блоками данных растёт при увеличении размера блока, это ещё ничего не значит.

Драйвер Intel Rapid Storage Technology (RST) способен достаточно интеллектуально обращаться с очередью запросов, обеспечивая высокую скорость RAID 0-массива из SSD и при использования небольших страйп-блоков. В доказательство этого мы оценили базовые характеристики производительности RAID 0-массива из пары Kingston HyperX SSD 120 Гбайт с разными размерами страйпа.

Data stripe size = 4 KB:

Data stripe size = 8 KB:

Data stripe size = 16 KB:

Data stripe size = 32 KB:

Data stripe size = 64 KB:

Data stripe size = 128 KB:

Как показывают результаты AS SSD Benchmark, скоростные показатели массива со страйп-блоками разного размера достаточно близки. Тем не менее, зависимость скорости последовательных операций, а также скорости работы с мелкими блоками при высокой глубине очереди от размера страйпа прослеживается. Наилучшее сочетание показателей производительности массива достигается при использовании 32-килобайтных блоков, так что, очевидно, настройки по умолчанию не являются оптимальными. Так как меньший размер страйпа более выгоден при работе с небольшими файлами, в случае использования дисков, основанных на платформе SandForce второго поколения, мы рекомендуем использовать размер блока в 32 Кбайта. Именно с такой настройкой мы создавали и используемый в основной части тестирования массив.

При создании RAID-массивов важно иметь в виду и ещё одну немаловажную деталь. Как только массив сформирован, он начинает рассматриваться системой как единое целое, и прямой доступ к составляющим его накопителям становится невозможен. Это – достаточно неприятный момент, сулящий серьёзные практические неудобства. Имея RAID-массив из SSD дисков, вы не сможете ни обновить их прошивку, ни посмотреть параметры S.M.A.R.T., ни выполнить операцию Secure Erase. Но что самое неприятное, учитывая специфику такого массива, операционная система не сможет передать накопителям команду TRIM, посредством которой возможно эффективное противодействие деградации производительности SSD.

Производительность

Скорость случайного и последовательного чтения/записи «свежего» накопителя

Для измерения скорости случайного и последовательного чтения и записи мы используем тест CrystalDiskMark 3.0.1. Этот бенчмарк удобен тем, что позволяет измерять скоростные характеристики SSD-накопителей как на случайных несжимаемых данных, так и при использовании полностью сжимаемых шаблонных данных. Поэтому, на приводимых далее диаграммах приводится по два числа – максимальная и минимальная скорость работы накопителя. Реальные же показатели, соответственно, будут лежать внутри изображённых диапазонов в зависимости от того, как их сможет уплотнить контроллер SF-2281.

Заметим, что приведенные в этом разделе результаты тестов производительности относятся к «свежему» (FOB - Fresh Out-of-Box) недеградировавшему состоянию накопителя.

С точки зрения практических показателей быстродействия 120-гигабайтный SSD работает существенно медленнее своего 240-гигабайтного собрата. Тем не менее, RAID 0-массив из пары 120-гигабайтных дисков всё же превосходит по скорости единичный накопитель ёмкостью 240 Гбайт. Как видим, технология RAID 0 позволяет получить выигрыш в скорости линейных операций и при работе с небольшими блоками при использовании очереди запросов большой глубины. Обычные случайные же операции с 4-килобайтными блоками не ускоряются, более того, наблюдается даже некоторое замедление, обусловленное задержками на необходимость дополнительного арбитража.

Деградация и производительность в устойчивом состоянии

К сожалению, SSD-накопители демонстрируют высокую скорость, свойственную «свежему» состоянию, далеко не всё время. В большинстве случаев через какое-то время производительность понижается, и в реальной жизни мы имеем дело совсем не с теми скоростями записи, что приведены на диаграммах в предыдущем разделе. Причина данного эффекта состоит в том, что по мере исчерпания свободных страниц во флэш-памяти, контроллер SSD приходит к необходимости проводить перед сохранением данных операции очистки блоков страниц, которые добавляют существенные задержки.

Например, если мы будем непрерывно записывать данные на флэш-накопитель, зависимость скорости записи от времени примет примерно следующий вид.

В какой-то момент наблюдается резкое снижение скорости записи, и это происходит как раз тогда, когда общий объём записанной информации сравнивается с объёмом SSD. Очевидно, что пользователя больше интересует скорость, которую он будет иметь во время продолжительной эксплуатации накопителя, а не в тот небольшой промежуток времени после установки нового SSD, в течение которого флэш-диск демонстрирует максимальные результаты. Сами же производители SSD, напротив, сообщают скоростные параметры лишь «свежих» дисков, так как они выставляют их продукты в наиболее выгодном свете. Учитывая это, мы приняли решение исследовать падение производительности при переходе накопителя из «свежего» в «использованное» состояние с установившейся скоростью.

Впрочем, картина катастрофического падения скорости, показанная на графике выше, несколько искусственна и характерна лишь для случая непрерывной и безостановочной записи. В реальности же, находясь в состоянии покоя, контроллеры современных SSD-дисков частично восстанавливают производительность, предварительно освобождая неиспользуемые страницы флэш-памяти. На это направлено два ключевых алгоритма: Idle-Time Garbadge Collection (сборка мусора) и TRIM. Однако в случае с массивом RAID 0 ситуация осложняется тем, что операционная система не имеет прямого доступа к SSD, в результате чего технология TRIM не работает. В связи с этим вполне вероятна ситуация, что спустя какое-то время эксплуатации единичный диск может оказаться существенно лучше RAID-массива.

Никто не мешает проверить это предположение. Для получения картины деградации дисков и RAID 0 массива мы, основываясь на методике SNIA SSSI TWG PTS, провели специальные тесты. Их суть состоит в том, что мы последовательно измерили скорость операций записи в четырёх случаях. Вначале - для «свежего» состояния массива и накопителей. Затем – после полного двукратного заполнения информацией накопителей и RAID-массива. Далее – после получасовой паузы, дающей контроллеру возможность частично восстановить производительность накопителя за счёт операции сборки мусора. И в завершение – после подачи команды TRIM.

Измерения выполнялись при помощи синтетического бенчмарка IOMeter 1.1.0 RC1, в котором мы отслеживали скорость случайной записи при работе с выровненными относительно страниц флэш-памяти блоками объёмом 4 Кбайт с глубиной очереди запросов 32 команды. При тестировании использовалось заполнение псевдослучайными данными.

Деградация производительности – это не пустой звук, а реально существующая проблема. Как видим, скорость накопителей действительно снижается в разы. Причём, как это ни прискорбно, но сборка мусора у накопителей на основе контроллера SF-2281 практически не работает. Несмотря на то, что накопители с этой архитектурой имеют резервную область, составляющую примерно 7 % от общей ёмкости, это им совершенно не помогает. Возвращает производительность к более-менее нормальному уровню лишь команда TRIM. Однако так как для RAID-массивов она не работает, в конечном итоге одиночные накопители могут предложить куда лучшее быстродействие на операциях записи, чем составленный из них массив.

Всё это означает, что те скорости записи, которые были приведены на диаграммах в предыдущем разделе, отражают лишь незначительную часть общей картины. На самом же деле, после того, как SSD перейдут из свежего в использованное состояние, соотношение результатов коренным образом поменяется. Скорость записи в этом случае будет совсем иной: результаты её измерения бенчмарком CrystalDiskMark 3.0.1 приводятся на следующих диаграммах.

Как видим, в процессе использования скорость работы RAID 0 массива из SSD снижается до такой степени, что на операциях с 4-килобайтными блоками он становится даже медленнее одиночного 120-гигабайтного накопителя, производительность которого поддерживается на хорошем уровне командой TRIM. Так что в реальной жизни создание массива RAID 0 из SSD оправдывается преимущественно высокими скоростями чтения, которые не подвержены снижению по мере заполнения накопителя данными.

Тесты в Futuremark PCMark 7

Известный тест PCMark 7 включает отдельный бенчмарк для измерения производительности дисковой подсистемы. Причём, он имеет не синтетическую природу, а, напротив, основывается на том, как работают с диском реальные приложения. Этот бенчмарк воспроизводит настоящие сценарии-трассы задействования диска в распространённых задачах и замеряет скорость их выполнения. Причём, воспроизведение потока команд делается не сплошняком, а так, как это происходит в реальности – с определёнными паузами, обусловленными необходимостью обрабатывать поступающие данные. Результатом теста является общий индекс производительности дисковой подсистемы и показатели скорости в отдельных сценариях в мегабайтах в секунду. Заметьте – производительность в сценариях в абсолютном выражении получается относительно невысокой, так как в неё вносят вклад те самые моделируемые паузы между отдельными операциями ввода-вывода. Иными словами, то, что выдаёт PCMark 7, – это скорость дисковой подсистемы со стороны приложения. Такие величины дают нам информацию не столько о чистой производительности накопителей, сколько о том, какой практический выигрыш способен привнести тот или иной SSD при реальной работе.

Тестирование в PCMark 7 мы выполняли с накопителями, находящимися в «использованном» состоянии, в котором они работают в реальных системах большинство времени. Влияние на результаты в этом случае оказывает не только скорость контроллера и установленной в накопителе флэш-памяти, но и эффективность работы внутренних алгоритмов SSD, направленных на восстановление производительности.

Интегральный показатель PCMark 7 – прекрасный ориентир для тех потребителей, кто не хочет вдаваться в подробности и довольствуется простой иллюстрацией относительной производительности накопителей. И, если верить в полученные рейтинги, массив RAID 0 обладает в целом лучшим быстродействием, чем одиночный диск аналогичной ёмкости. Если принять во внимание, что большинство жизненных сценариев использования дисковой подсистемы предполагает преобладание операций чтения, полученные результаты кажутся вполне логичными и заслуживающими доверия.

Для полноты картины следует ознакомиться и с промежуточными результатами показанными дисками и RAID-массивом при прохождении отдельных тестовых трасс. Тем более что в некоторых ситуациях отличия в быстродействии достигают более внушительного размера.

Как видим, существуют сценарии, для которых RAID-массивы из SSD на платформе SandForce второго поколения противопоказаны. Очевидно, что такая картина наблюдается в случаях, когда от дисковой подсистемы требуется активная работа с небольшими порциями данных. В данном случае это сценарии Gaming и Windows Defender.

Тесты в Intel NAS Performance Toolkit

Intel NASPT – это ещё один основанный на использовании реальных сценариев тест дисковой подсистемы. Также как и PCMark 7, он воспроизводит заранее подготовленные типовые шаблоны дисковой активности, попутно измеряя скорость их прохождения. Данный бенчмарк вместе с PCMark 7 позволяет получить отличную иллюстрацию производительности дисковой подсистемы в реальных задачах. Также как и в предыдущем случае, тестирование мы выполняли с накопителями, находящимися в устоявшемся «использованном» состоянии.

Intel NASPT совершенно однозначно ставит на первое место по производительности RAID 0 массив, состоящий из пары 120-гигабайтных накопителей. Причём, скорость такого двухдискового массива по данным теста превосходит производительность одного SSD почти что вдвое. Впрочем, столь заметный успех технологии RAID способны омрачить некоторые результаты, полученные в индивидуальных подтестах.

Всё хорошо до тех пор, пока дело касается чтения информации. Когда же тестовые сценарии включают запись, одиночный 240-гигабайтный SSD демонстрирует более высокую скорость.

Выводы

К сожалению, по итогам проведённого тестирования у нас не получится дать однозначный ответ на вопрос о целесообразности построения RAID 0 массива из современных твердотельных накопителей. У такого подхода есть свои плюсы, но и существуют серьёзные недостатки, и в заключение материала мы лишь можем расположить их на чаше весов, предоставив читателю сделать окончательный вывод самостоятельно.

Создание массива RAID 0 – это один из традиционных путей для повышения производительности дисковой подсистемы. Этот приём вполне работает и для SSD, объединение в массив пары дисков действительно позволяет нарастить как линейные скорости, так и быстродействие операций над небольшими блоками с глубокой очередью запросов. Так, в процессе тестов нам удалось получить для массива поистине впечатляющие скорости последовательного чтения и записи, существенно превосходящие пропускную способность интерфейса SATA 6 Гбит/сек.

Но не следует забывать, что скорость работы современных твердотельных дисков с ростом их ёмкости увеличивается даже в рамках одной продуктовой линейки, поэтому массив уровня 0 из двух дисков может порой уступать по производительности более вместительной модели накопителя. Ещё более серьёзная проблема RAID-массива из SSD заключается в том, что большинство SATA-контроллеров, включая и встроенные в современные наборы логики, не поддерживают команду TRIM. В результате, в процессе практического использования массив существенно деградирует по скорости записи, в то время как одиночные диски этому эффекту подвержены в гораздо меньшей степени.

В итоге, RAID 0 однозначно выигрывает у одиночного диска лишь на линейных операциях, в то время как случайные запросы обнажают слабые места этого подхода. Иными словами, назвать массив RAID 0 более производительным решением, нежели одиночный флэш-диск, можно лишь с достаточно серьёзными оговорками. Впрочем, в большинстве тестов, основанных на сценариях реального использования дисковой подсистемы, массив показал всё же более высокое быстродействие. То есть, усреднённо RAID 0 себя оправдывает, тем более что он не требует никаких дополнительных финансовых затрат – стоимость за гигабайт в итоговой конфигурации получается одинаковой и для массива, и для одиночного диска.

Однако использование SSD в составе массива вызывает некоторые дополнительные неудобства. Для накопителей, собранных в массив, невозможно отслеживание их «состояния здоровья» и обновление прошивок. Кроме того, система, состоящая из пары SSD, имеет более низкую надёжность, чем один диск, причём выход из строя хотя бы одного накопителя приведёт к потере всех хранящихся в массиве данных.