產(chǎn)品介紹
前段時間在Solidigm D5-P5316的幫助下，計算圓周率100萬億位數(shù)的世界紀錄被刷新，新紀錄的計算效率達到之前的三倍。我們一方面能夠感受到SSD對高性能計算的影響，另一方面也看到QLC已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心中得到廣泛采用。今天PCEVA評測的是使用Solidigm第四代QLC閃存的D5-P5430 15.36TB數(shù)據(jù)中心級SSD。
作為QLC閃存產(chǎn)品，D5-P5430延續(xù)大容量高密度優(yōu)勢，最大存儲容量可達30.72TB。寫入耐久度指標從0.41 DWPD提升至0.58 DWPD，同時提供U.2、E1.S和E3.S多種豐富的規(guī)格選項。
相比前面提到的D5-P5316，采用Solidigm第四代192層堆疊QLC閃存的D5-P5430在性能和寫入耐久度表現(xiàn)上更進一步，定位也從“高效和讀取優(yōu)化的PCIe 4.0 SSD”提升為“高效和堅固耐用的PCIe 4.0 SSD”，適合的工作負載類型不再局限于順序讀寫，而是可以滿足更加廣泛的主流和讀取密集型工作負載。
讀取密集型SSD通常提供1 DWPD的寫入耐久度指標，D5-P5430雖然在DWPD上仍有一些差距，但更高的存儲容量可以彌補這一不足，并在PBW指標上超越一些采用TLC閃存的競爭對手。與此同時，D5-P5430還可在主流應(yīng)用中提供媲美TLC閃存產(chǎn)品的使用性能，幫助優(yōu)化總擁有成本(TCO)。
硬件拆解
Solidigm成立于2021年底，名稱由Solid-state（固態(tài)）和paradigm（范式）兩個詞組合而成，取樹立固態(tài)存儲行業(yè)范式之意，是當前唯一同時掌握Charge Trap電荷捕獲結(jié)構(gòu)和Floating Gate浮柵結(jié)構(gòu)兩種當代3D NAND技術(shù)的公司。相比去年評測時依舊帶著英特爾標簽的D7-P5520，這次我們收到的D5-P5430樣品已經(jīng)完全換上了Solidigm標簽。
當然這個U.2外殼的結(jié)構(gòu)還是一點沒變，包括螺絲和卡扣設(shè)計還是過去那個已經(jīng)被證明是非常合理的方式。
Solidigm D5-P5430使用了D5-P5520同款主控，這顆主控在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的中子源經(jīng)過SDC（Silent Data Corruption靜默數(shù)據(jù)損壞）測試。所謂靜默數(shù)據(jù)損壞，就是未被ECC糾錯機制捕獲的、無法在第一時間被發(fā)現(xiàn)的錯誤，到數(shù)據(jù)需要使用時才被發(fā)現(xiàn)，即便有RAID陣列也不一定能修正。前幾年就曾有國內(nèi)云存儲大廠因SDC丟失客戶數(shù)據(jù)并招致巨額索賠。
靜默數(shù)據(jù)損壞通常是偶發(fā)性事件，可由一些射線或環(huán)境影響引發(fā)比特翻轉(zhuǎn)所產(chǎn)生。Solidigm的SDC測試通過將中子束聚焦在主控中心來進行，SSD內(nèi)預先填充了數(shù)據(jù)，測試過程中主控連續(xù)發(fā)出I/O指令。實驗室會檢查數(shù)據(jù)完整性來確認有無靜默數(shù)據(jù)損壞。Solidigm已經(jīng)在數(shù)代產(chǎn)品中采用了這種測試程序，累計測試時間相當于超過600萬年運行壽命，期間沒有發(fā)現(xiàn)任何SDC錯誤，可見其對數(shù)據(jù)完整性的保護非常到位。
Solidigm第四代192層堆疊3D QLC閃存基于Float Gate浮柵結(jié)構(gòu)，由位于大連的晶圓廠制造。Solidigm LOGO靠近顆粒邊緣，正面是8顆編號為29F04P2BNCQL1的QLC閃存顆粒(4die 4CE)，PCB背面另有8顆編號為29F08P2BOCQL1的QLC閃存顆粒(8die 8CE)。
測試平臺和工具軟件
測試平臺：
CPU：intel Core i9-13900KS（禁用C State）
主板：ROG MAXIMUS Z690 HERO
內(nèi)存：金士頓DDR5-6000 16GB*2
SSD：Plextor M6Pro 128GB（系統(tǒng)盤）
Solidigm D5-P5430 15.36TB
OS：Ubuntu 22.04 LTS
對于習慣使用GUI圖形界面的朋友來說，GSmartControl可以在Linux系統(tǒng)下替代CrystalDiskInfo，作為硬盤SMART健康信息檢測工具使用。遺憾的是這款軟件至今不支持NVMe SSD。
功能全面的smartmontools工具只有CLI命令行版本可用，我們在Windows下也經(jīng)常會用到它，應(yīng)該也比較熟悉了。它能夠提供過熱溫度預設(shè)、電源狀態(tài)、扇區(qū)格式支持情況和SMART健康度等信息。
從NVMe 1.1開始，SSD可以支持3種活動電源狀態(tài)和2種非活動電源狀態(tài)，消費級SSD可以在空閑時自動進入非活動電源狀態(tài)（PS3/PS4）實現(xiàn)節(jié)能降溫。不過數(shù)據(jù)中心級SSD不需要這種自主電源轉(zhuǎn)換能力，取而代之的是三種可由用戶指定的活動電源狀態(tài)。對于Solidigm D5-P5430而言，PS0全速狀態(tài)最大功耗25瓦，PS1狀態(tài)限制15瓦，PS2狀態(tài)限制10瓦。
我們可以通過Solidigm Storage Tool工具箱來指定D5-P5430的電源模式，默認是PS0全速狀態(tài)。設(shè)定PowerGovernorMode 1就是限制到15瓦功耗，設(shè)定PowerGovernor Mode2則限制到10瓦功耗。
和消費級SSD崇尚“足容”設(shè)計不同，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心SSD都設(shè)計有二級OP預留空間。在需要更高性能或?qū)懭肽途枚鹊那闆r下，用戶還可以通過廠商的工具箱軟件增設(shè)三級OP預留空間。下圖中我們使用Solidigm Storage Tool將D5-P5430 OP到12.75TB。通過nvme list可以確認增加OP預留空間后的可用容量。
理論性能測試
Linux下的硬盤性能測試工具大多離不開fio，這款軟件功能強大但使用起來有一些門檻。
1.KDiskMark測試
對于習慣使用圖形界面的朋友可以使用KDiskMark來替代Windows下的CrystalDiskMark，它在底層調(diào)用fio執(zhí)行了類似于CrystalDiskMark的理論帶寬測試項目。
當然二者還是略有不同，CrystalDiskMark結(jié)果顯示峰值速度，而KDiskMark則顯示平均值。這類測試由于缺乏預處理過程，只適合消費級SSD快餐跑分。數(shù)據(jù)中心SSD的穩(wěn)定態(tài)性能測試還是需要回歸到fio。
2.GFIO測試
GFIO為fio提供了一個圖形化界面，不過配置文件還是需要提前動手寫好，然后在GFIO中加載。GFIO會每秒刷新顯示測試過程中的傳輸帶寬和IOPS數(shù)值。首先是順序?qū)懭腩A處理過程，測試使用128KB QD256順序?qū)懭耄掷m(xù)2小時。
測試結(jié)束后會提供整合測試結(jié)果，包括寫入數(shù)據(jù)總量、平均IOPS、最小/最大/平均帶寬，百分位延遲統(tǒng)計等等。
為了提供更出色的QoS表現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心級SSD不會像消費級SSD那樣使用SLC緩存。增加OP也不會對順序?qū)懭胨俣犬a(chǎn)生明顯影響。
接下來進行4KB Q64T4隨機寫入，持續(xù)8小時，使SSD進入穩(wěn)定態(tài)。
預處理過程產(chǎn)生了30TB寫入量。
測試初段的高速寫入對應(yīng)的是OP預留空間內(nèi)的空白塊，當增設(shè)三級OP后這部分可以直接用于寫入的空白塊也相應(yīng)增加，同時穩(wěn)定態(tài)4K隨機寫入性能也更好。平時測消費級SSD只要用Q32T1測5000秒就足夠看穩(wěn)定態(tài)性能了，而這次15.36TB的數(shù)據(jù)中心SSD測了8個小時的Q64T4。消費級SSD的離散圖需要設(shè)置對數(shù)坐標軸才能看清，數(shù)據(jù)中心級SSD的離散度要好很多，可以省去這一步驟直接看。
4KB隨機寫入QD1測試，ramp_time=300秒，runtime=900秒。注意這里測出的隨機讀取性能是全盤范圍內(nèi)的閃存直接讀取性能，不能跟平時我們在消費級SSD評測中看到的SLC緩存范圍內(nèi)讀取性能進行對比。
第99百分位延遲為137微秒，第99.99百分位延遲為178微秒，這意味著99.99%的延遲都低于178微秒。
4KB隨機寫入Q64T4測試，ramp_time=300秒，runtime=900秒。
平均1050K IOPS，第99百分位延遲533微秒，第99.99百分位延遲906微秒。
3.ezFIO腳本測試
ezFIO是一個可重復進行的穩(wěn)定態(tài)性能測試腳本。在測試開始前有兩次全盤容量寫入的預處理階段，幫助模擬企業(yè)級SSD的長期性能。ezFIO同時支持Windows和Linux平臺，測試完成后可自動生成測試報告。以下成績在是Linux系統(tǒng)下搭配fio 3.31測得。
借助ezFIO測試腳本可以自動化測試更多內(nèi)容，如穩(wěn)定態(tài)下不同塊大小的順序/隨機讀寫性能：
下圖是將Solidigm D5-P5430 15.36TB OP到12.75TB后的成績，讀取性能基本不變，寫入性能大幅提升：
Solidigm D5-P5430 15.36TB穩(wěn)定態(tài)4KB隨機讀寫性能：
OP到12.75GB后4KB隨機寫入IOPS增長98%，寫入延遲也降低了：
長期性能穩(wěn)定性檢驗通過穩(wěn)定態(tài)隨機混合讀寫進行，根據(jù)平均IOPS和標準差計算得出變異系數(shù)，離散系數(shù)越低說明SSD在長期高負荷使用后的性能越穩(wěn)定，越不容易產(chǎn)生程序需要等待IO的情況。Solidigm D5-P5430 15.36TB的4K R70:W30混合讀寫穩(wěn)定態(tài)平均IOPS：280867，離散系數(shù)：1.05%。OP到12.75TB之后，穩(wěn)定態(tài)混合讀寫IOPS為395347，離散系數(shù)1.51%。
Solidigm D5-P5430 15.36TB穩(wěn)定態(tài)4K混合隨機讀寫百位分延遲表現(xiàn)：
OP到12.75TB后的穩(wěn)定態(tài)4K混合隨機讀寫百分位延遲：
4.SNIA SSS PTS-E 2.0測試：
SSS PTS的全稱為Solid State Storage Performance Test Specification，即固態(tài)存儲性能測試規(guī)范，它由SNIA存儲網(wǎng)絡(luò)行業(yè)協(xié)會制定，當前最新版本是2.0，包括針對企業(yè)級SSD的PTS-E規(guī)范以及針對消費級SSD的PTS-C規(guī)范。
PTS測試在設(shè)備而非文件系統(tǒng)級別進行，通俗的說就是SSD在沒有分區(qū)的狀態(tài)下進行。PTS測試的是SS（Steady State穩(wěn)定態(tài)）性能，而非FOB（Fresh-Out-of-the-Box開箱狀態(tài)即出廠態(tài)）表現(xiàn)。
為了使SSD達到穩(wěn)定態(tài)，PTS測試需要先執(zhí)行預處理，也就是我們常說的“填盤”：用隨機數(shù)據(jù)寫入全盤2倍容量。而后執(zhí)行一系列隨機寫入，穩(wěn)定態(tài)的判定方式為：檢查測試窗口中的4K隨機寫入、64K R65:W35混合隨機寫入和1024K隨機讀取三項成績，允許波動范圍+-10%，確認SSD已經(jīng)進入穩(wěn)定態(tài)后才會繼續(xù)后續(xù)測試。
SSS PTS測試的內(nèi)容包括512字節(jié)、4K、8K、16K、32K、64K、128K和1MB塊大小，在0/100、5/95、35/65、50/50、65/35、95/5和100/0混合讀寫比例下的穩(wěn)定態(tài)IOPS，并以數(shù)據(jù)表格、2D和3D圖示三種形式進行展現(xiàn)。
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OP到12.75TB之后，Solidigm D5-P5430能夠在PTS IOPS測試中更快進入穩(wěn)定態(tài)。
穩(wěn)定態(tài)混合讀寫性能亦獲得大幅提升：
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模擬實際應(yīng)用測試
VDBench是甲骨文推出的存儲性能評估工具，能夠支持去重和壓縮等特性。我們將使用它來測試4KB隨機讀取、4KB隨機寫入、4KB混合讀寫（讀70%寫30%）三種情況，并模擬Oracle/SQL數(shù)據(jù)庫、VSI、VDI四種企業(yè)級應(yīng)用負載。圖中橫軸為IOPS為IOPS（越高越好），縱軸為對應(yīng)的延遲（單位微秒，越低越好）。iorate的原理是VDBench先以無限制的方式測一次IOPS，而后以其作為100%基準，按照curve參數(shù)中給出百分比的IOPS為目標測定延遲。我們測試了P5430 15.36TB、P5430 OP 12.75TB、P5430限制電源模式1、P5430限制電源模式2四種情況。
4KB隨機讀取測試使用Q32T8進行測試。OP不影響4K隨機讀取性能，兩條曲線基本重合，最高963K IOPS。限制電源模式1（15瓦）時最高694K IOPS，限制電源模式2（10瓦）時最高298K IOPS。
4KB隨機寫入測試使用Q32T8進行測試。增加三級OP后D5-P5430的4K隨機寫入性能提高近一倍（146K IOPS->288K IOPS）。限制電源模式1（15瓦）時最高77K IOPS，限制電源模式2（10瓦）時最高34K IOPS。
4KB混合隨機讀寫測試使用Q32T8進行測試，讀取占比70%。增加三級OP后D5-P5430的4KB混合隨機寫入性能提高38%（285K IOPS->395K IOPS）。限制電源模式1（15瓦）時最高214K IOPS，限制電源模式2（10瓦）時最高93K IOPS。
Oralce測試數(shù)據(jù)模型中讀寫比例為83.14：16.86，其中4K、8K、16K讀取占比分別為22.1%、37.3%和19.12%，隨機存取占比80%。4K、8K和16K寫入占比分別為22.1%、37.3%和19.12%，隨機存取占比80%。Dedupratio=3，compratio=3。
SQL數(shù)據(jù)庫測試數(shù)據(jù)模型中，讀寫混合比例為68.42：31.58。8K和64K讀取占比分別為53.57%和28.75%，隨機存取占比80%。4K、8K和64K寫入占比分別為27.85%、35.24%和26.35%，隨機存取占比80%。Dedupratio=2，compratio=2。
Virtual Desktop Infrastructure測試數(shù)據(jù)模型中，讀寫混合比例為59.48：40.52。4K、16K、32K和64K讀取分別占比39.35%、16.47%、10.37%和12.86%，隨機存取占比80%。4K和8K寫入分別占比61.11%和13.05%，隨機存取占比80%。Dedupratio=7，compratio=8。
Virtual Storage Infrastructure測試數(shù)據(jù)模型中，讀寫混合比例為57.4：42.6。4K、8K、60K讀取占比分別為25.68%、26.31%和10.52%，隨機存取占比80%。4K和8K隨機寫入占比分別為59.62%和14.81%，隨機存取占比80%。在負載較低時，四種情況下的延遲表現(xiàn)接近，增加OP后可以極大地提升最高IOPS表現(xiàn)。Dedupratio=4，compratio=4。
總結(jié)
Solidigm QLC閃存技術(shù)目前已經(jīng)非常成熟，并被廣泛使用到數(shù)據(jù)中心SSD當中，寫入壽命滿足現(xiàn)實工作負載需求，讀取性能跟入門級SSD相當，QLC SSD在CDN、大數(shù)據(jù)、HCI等行業(yè)典型工作場景得到了廣泛的部署和價值證明。采用192L 3D QLC閃存的Solidigm D5-P5430使用4KB間接單元，將使用范圍擴展至AI、機器學習、OLTP等小文件快讀密集型工作負載，在主流和讀取密集型工作負載中提供可替代TLC閃存SSD的性能，并兼具QLC閃存帶來的成本優(yōu)勢。Solidigm D5-P5430在性能、容量和成本之間的權(quán)衡中，為價值驅(qū)動的主流數(shù)據(jù)中心應(yīng)用提供了更優(yōu)的選擇。
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