Кеш из топора. Как производители SSD обманывают тесты и покупателей

Мно­гие обоз­ревате­ли сей­час про­водят отдель­ный раунд тес­тирова­ния, что­бы выявить харак­терис­тики псев­до-SLC-кеша и выяс­нить реаль­ную ско­рость записи по все­му объ­ему дис­ка. И вот недав­но вскры­лось, что накопи­тели с динами­чес­ким pSLC-кешем теря­ют ресурс еще быс­трее, чем все думали. В этой статье мы рас­смот­рим, как пада­ет ско­рость записи на SSD с течени­ем вре­мени и как про­изво­дите­ли обма­ныва­ют обоз­ревате­лей.

Небольшой ликбез

Как тебе навер­няка извес­тно, сущес­тву­ет мно­жес­тво типов NAND-памяти, отли­чающих­ся плот­ностью записи. Воз­можно, ты догады­ваешь­ся и о том, что сами чипы мало отли­чают­ся меж­ду собой, а «тип» памяти — это все­го лишь режим работы, который может быть про­изволь­но выб­ран про­изво­дите­лем. Более того, сов­ремен­ные чипы под­держи­вают не толь­ко ста­тичес­кую кон­фигура­цию плот­ности яче­ек, но и динами­чес­кое перек­лючение меж­ду режима­ми. Но не будем забегать впе­ред и рас­смот­рим основные типы памяти, исполь­зующиеся в сов­ремен­ных накопи­телях.

• SLC (одно­бит­ный режим) появил­ся рань­ше все­го; одна ячей­ка — один бит. В пот­ребитель­ских устрой­ствах в чис­том виде боль­ше не встре­чает­ся, одна­ко в режим псев­до-SLC мож­но перевес­ти прак­тичес­ки любую память.
• MLC («мно­гобит­ный» режим). Были вре­мена, ког­да «мно­го» озна­чало «два». Изна­чаль­но в MLC-накопи­телях исполь­зовалась память NAND, в каж­дой ячей­ке которой хра­нилось два бита дан­ных. С появ­лени­ем «более мно­гобит­ных» типов TLC и QLC мар­кетоло­ги осво­или хит­рый трюк: раз MLC — это «мно­го», то давай­те мы напишем на наших TLC- и QLC-накопи­телях этот тер­мин; авось кто и купит­ся. Нап­ример, в пресс‑релизе Samsung со всех сто­рон про­рек­ламиро­вано исполь­зование памяти MLC «высочай­шего качес­тва», но на прак­тике быс­тро выяс­нилось, что в кар­тах уста­нов­лены чипы TLC, пос­ле чего ком­пания тихо уб­рала тип памяти из спе­цифи­каций. Пос­ледним пот­ребитель­ским накопи­телем с чес­тной двух­битной MLC стал Samsung 970 Pro.
• TLC (трех­битный режим). Самый популяр­ный на сегод­ня тип памяти. Ран­ние вер­сии TLC на чипах, изго­тов­ленных по пла­нар­ной тех­нологии, отли­чались отвра­титель­ной надеж­ностью (напом­ню ис­торию Samsung 840 Evo), но сов­ремен­ные мно­гос­лой­ные чипы даже надеж­нее ста­рой пла­нар­ной двух­битной памяти. Неиз­менным оста­лась лишь ско­рость записи в режиме TLC, которая во мно­го раз ниже, чем в режиме с мень­шей плот­ностью.
• QLC (четырех­битный режим) — если у тебя есть выбор, пос­тарай­ся не иметь ничего обще­го с такими дис­ками. Те же чипы, те же кон­трол­леры, низ­кая надеж­ность и пре­дель­но низ­кая ско­рость записи за пре­дела­ми кеша; понижен­ная себес­тоимость и прак­тичес­ки та же цена — вот опи­сание типич­ного QLC-накопи­теля. К сожале­нию, отка­зать­ся от QLC ты смо­жешь далеко не всег­да. OEM очень любят уста­нав­ливать QLC-накопи­тели в готовые сис­темы, осо­бен­но ноут­буки и уль­тра­буки, при­чем незави­симо от цены (не забыва­ем о себес­тоимос­ти и нор­ме при­были; пот­ребитель же покупа­ет не надеж­ность, а гигабай­ты). Про­изво­дите­ли треть­его эше­лона обо­жают трюк, ког­да пер­вая пар­тия накопи­телей пос­тавля­ется с чипами TLC, а спус­тя вре­мя (и пос­ле вол­ны обзо­ров) новые пар­тии идут уже с QLC. Про­изво­дите­ли вто­рого эше­лона тоже не брез­гуют подоб­ной так­тикой. Так, Patriot Viper VP3000 Lite объ­емом 2 Тбайт пос­тавля­ется с быс­трой и качес­твен­ной памятью TLC, а его вер­сия на 4 Тбайт — с чипами QLC. По цене накопи­тель при этом мало отли­чает­ся от модели Lexar NM790 на том же кон­трол­лере и той же памяти, но скон­фигури­рован­ной в режиме TLC.

Псевдо-SLC и динамическое переключение режимов

Сов­ремен­ные накопи­тели исполь­зуют кон­трол­леры, которые могут работать с чипами NAND в раз­ных режимах в пре­делах одной аппа­рат­ной плат­формы. В нас­трой­ках кон­трол­лера про­изво­дитель может скон­фигури­ровать NAND-память в режим TLC или ее же — в режим QLC, получив допол­нитель­ный объ­ем на той же плат­форме и за те же день­ги. Кро­ме того, раз­ные области памяти могут быть скон­фигури­рова­ны по‑раз­ному для работы в раз­ных режимах. Как пра­вило, из допол­нитель­ного, неад­ресу­емо­го пула яче­ек выделя­ется область, которую кон­фигури­руют для работы в режиме SLC. Эта область исполь­зует­ся в качес­тве буфера: запись в режиме SLC во мно­го раз быс­трее записи в режиме TLC (про QLC про­мол­чим), а скон­фигури­рован­ные таким обра­зом ячей­ки выдер­жива­ют крат­но боль­шее чис­ло цик­лов записи‑сти­рания.

На гра­фике вид­на сту­пень­ка свер­хбыстрой записи (дан­ные записы­вают­ся в ста­тичес­кий SLC-кеш), пос­ле чего ско­рость записи рез­ко про­седа­ет: дан­ные сох­раня­ются нап­рямую в ячей­ки TLC. Никаких побоч­ных эффектов не наб­люда­ется; дан­ные из SLC-кеша будут записа­ны в основную область тог­да, ког­да кон­трол­лер осво­бодит­ся.

Пос­коль­ку для соз­дания ста­тичес­кого буфера исполь­зуют­ся допол­нитель­ные ячей­ки, которые не вхо­дят в основной объ­ем накопи­теля, такой кеш выгоден для поль­зовате­ля, но невыго­ден про­изво­дите­лю: при­ходит­ся уста­нав­ливать некото­рый объ­ем допол­нитель­ной памяти, который невоз­можно «про­дать», вклю­чив в пас­пор­тный объ­ем. Соот­ветс­твен­но, раз­мер ста­тичес­кого кеша всег­да невелик, а в некото­рых бюд­жетных моделях отсутс­тву­ет вов­се.

В то же вре­мя про­изво­дите­лю нуж­но про­дать не толь­ко объ­ем, но и ско­рость. Обоз­ревате­ли ста­ли опыт­ными и для тес­тирова­ния SSD исполь­зуют не толь­ко CrystalDiskMark (который показы­вает прак­тичес­ки толь­ко запись в быс­трую буфер­ную область), но и спе­циаль­ные инс­тру­мен­ты, быс­тро выяв­ляющие реаль­ную ско­рость записи.

Вот как это выг­лядит на гра­фиках.

Да­лее тес­тиру­ется сред­няя ско­рость записи за пре­дела­ми буфера.

С работой ста­тичес­кого кеша разоб­рались; ничего слож­ного в ней нет. Одна­ко со вре­менем про­изво­дите­ли осоз­нали, что за допол­нитель­ную память при­ходит­ся пла­тить — или уве­личе­нием чис­ла физичес­ких яче­ек, или сок­ращени­ем дос­тупно­го поль­зовате­лю объ­ема (нап­ример, с терабай­та до 960 Гбайт — навер­ное, ты еще пом­нишь такие дис­ки). В резуль­тате в допол­нение к ста­тичес­кому (а впос­ледс­твии для некото­рых бюд­жетных моделей — и вмес­то него) появил­ся динами­чес­кий кеш псев­до-SLC (pSLC).