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QLC 強勢來襲——兼具性能及價格優勢之 Intel SSD 660p

無論對於電腦 3C 消費市場,抑或眾 DIY 消費者而言,2018 年可謂之為 SSD 元年。在各大 NAND 生產陣營擺脫了由 2D 至 3D 製程轉換所帶來的產能瓶頸之後,3D NAND 開始大量供貨。而另一方面,3D NAND 之先行者如 IMFT,亦將初代 3D 產品提升至層數加倍、讀寫效能增強之二代系列。這亦使得 SSD 無論在供給端之充裕度,或於銷售端之市場價格上皆受到刺激。

於此間,Intel 又再度憑藉其於 NAND 製程與技術之優勢,領先各大陣營而推出了第一款採用 QLC NAND 之消費級 SSD 產品系列——Intel SSD 660p。

從 SLC、MLC 到 TLC,再推進至 QLC

SLC 每一個單元僅能存取兩種資訊,而 QLC 則為 SLC 的 8 倍。所以,在相同數量的儲存單元之下,QLC 的理論容量將會是 SLC 的 8 倍,亦即,QLC 的單位儲存成本理論上將可降至 SLC 的 1/8 以下,這無啻加速了 SSD 在市場上之普及率。然而,塞入更多資訊並非無需代價,原先於 SLC 模式判斷單元資訊的可能性只有兩種(0或1),而在 QLC 模式中將增加至 16 種可能。這將會讓 NAND 的操作電壓也必須增加至 16 種狀態,而帶來的後果則是更長的存取時間,以及操作電壓上升,而導致 NAND 單元壽命之減損,最後令 QLC 之單元可抹寫次數(P/E cycles)大幅降低。

面對 QLC 所帶來存取時間與可抹寫次數之難題,Intel 採用了智慧型動態 SLC 快取技術來取得效能與壽命之完全平衡。Intel 660p 其內部儲存空間由 QLC 與 SLC 所共構而成。首先,不同容量之 660p 各規劃出一固定大小之 SLC 區塊(6GB/12GB/24GB 分別對應至 512GB/1TB/2TB 之產品容量)作為基礎快取區。此外,SSD 660p 擁有一十分巨大之動態擬 SLC 區塊來進一步加速其存儲性能,此一動態擬 SLC 區塊將視 SSD 之實際剩餘空間而進行彈性調整。

依照 SSD 660p 之韌體設計,資料將率先被寫入 SLC 快取區域(涵蓋固定 SLC 區塊以及動態擬 SLC 區塊),而於閒置時 SSD 控制器會主動將資料搬遷至 QLC 區域之中。此外,於 Intel 專屬之 SSD 工具程式 SSD Toolbox 中另外提供了強制搬遷功能,當使用者以手動方式執行完成資料搬遷程序之後,SSD 660p 將回復至其最佳之初始效能。

Intel SSD 660p 所使用之 QLC NAND 源自 IMFT 第二代 64 層 3D NAND 技術,其單一晶粒(die)之最高儲存容量為 1Tbit(約當等於125GB)。而現時最多可將 16 個晶粒封裝於單一 NAND 顆粒之中,以此,可推得目前之 IMFT QLC NAND 顆粒其最高容量為單一顆粒 2TB。依原廠所公布之數據,SSD 660p 系列現有 512GB、1TB 及 2TB 等三個不同容量之成員。茲將 660p 系列各成員之規格表列如下:

容量512GB1TB2TB
型號SSDPEKNW512G8XTSSDPEKNW010T8X1SSDPEKNW020T8X1
控制器SMI SM2263
規格型式M.2 2280 單面M.2 2280 單面M.2 2280 單面
顆粒組成IMFT 64L 3D QLC
256GB *2
IMFT 64L 3D QLC
512GB *2
IMFT 64L 3D QLC
512GB *4
快取記憶體LPDDR3-1600 256MBLPDDR3-1600 256MB--
介面/協定PCIe 3.0x4/NVMe 1.3
最高循序讀寫速度1500/1000 MB/s1800/1800 MB/s1800/1800 MB/s
4K隨機讀寫效能90K/220K IOPS150K/220K IOPS220K/220K IOPS
最高資料寫入量100 TBW200 TBW400 TBW
保固五年有限保固五年有限保固五年有限保固

由以上資料可得知:誠然 SSD 660p 之定位為入門等級,相較於一般 PCIe SSD 之入門級產品可能選擇速度較慢之 PCIe 3.0x2,或以無實體快取記憶體方案來減省成本;Intel 仍然選擇了 PCIe 3.0x4 介面,且仍採用相對效能較佳之實體快取記憶體。而於原廠資料中所標註之循序與隨機讀寫速度雖無法與旗艦級相比擬,但仍大大地超越了一般對於 QLC NAND 之刻板慢速印象。此外,由 SSD 660p 之最高寫入資料量可推得其 DWPD(平均壽命每日寫入量)約為整體容量之 0.11(旗艦級 SSD 760p 其 DWPD 為 0.32),此數值雖不及於市場均值,但原廠宣稱 660p 仍可滿足於日常或輕量使用之需求。

實物開箱

我們於第一時間取得之 SSD 660p 系列成員其容量為 512GB,型號為 SSDPEKNW512G8XT。其外包裝為原廠彩盒裝,彩盒正面沿襲了 Intel SSD 系列之一貫風格,與同門 SSD 545s 系列有異曲同工之妙。背面則標註了系列產品之規格形式、保固年限,以及標稱之容量。

彩盒內標準內容物計有:SSD 本體*1、說明書*1,並未附有其他配件。

SSD 660p 系列之規格型式為 M.2 2280,接腳腳位為 M key,傳輸協定最高支援 PCIe 3.0x4 模式。目前全數容量之 660p 皆採用同一基板,而由不同顆粒組成來達成不同容量之產品需求。

測試環境

我們採用第八代 Core™ 處理器與 Z370 晶片組來建立測試環境,測試平台之規格如下:

為避免不同主機板上 CPU 節能設置之不同而干預 SSD 運作等非客觀性因素,於測試時 BIOS 中之 CPU C-State 及 EIST 節能功能皆設定為關閉狀態,以降低測試平台本身所帶來之誤差。測試平台之作業系統及韌體皆更新至最新狀態。

基本測試結果

AS SSD Benchmark 測試

AS SSD Benchmark 針對 SSD 660p 512GB 基本測試所得數據為:循序讀取 1318.05 MB/s、寫入 930.02 MB/s。4K 讀取 57.61 MB/s、寫入 162.43 MB/s。此一測試結果尚不及原廠所標稱之數值,但十分貼近,也意味著 660p 512GB 其潛能尚未完全發揮。此外,660p 512G 其 4K 讀取速度明顯超越了不少 PCIe NVMe SSD 於以往所測得之數據。

使用 AS SSD Compression-Benchmark 測試之結果顯示,SSD 660p 系列 512GB 之讀寫曲線十分平順,並未有大幅波動之現象。此以結果印證了 Intel 於 SSD 之韌體調教保持其一直以來之穩定水準。此外,基於 SSD 660p 系列所採用之 SMI 2263 主控制器之演算特性,測試 SSD 對於不同壓縮比例之資料,其皆擁有一致之傳輸速率。

Anvil's Storage Utilities 測試

Anvil's Storage Utilities 對於 SSD 660p 512GB 測試顯示 4MB 區塊之循序讀取 1659.64 MB/s、寫入 923.35 MB/s。4K 讀取 58.29 MB/s、寫入 165.39 MB/s。循序讀取部分較前述 AS SSD Benchmark 其表現為之更高,且符合原廠所標稱之數值,但其餘交集項目之差異並不顯著,可以列入測試數據之浮動範圍內。

CrystalDiskMark 測試

CrystalDiskMark 對於 SSD 660p 512GB 測試結果多佇列(QD32)循序讀取為 1847.2 MB/s、寫入 974.5 MB/s。4K 測試結果為讀取 64.82 MB/s、寫入 199.8 MB/s。此外,將測試資料設定為 zero fill 之結果,QD32 循序讀取 1847.3 MB/s、寫入 976.4 MB/s。 4K 讀取 64.58 MB/s、寫入 199.5 MB/s。由以上數據顯示,測試資料之可壓縮程度並不會影響其傳輸速度。

TxBENCH 測試

TxBENCH 測試結果 QD32 循序讀取 1837.565 MB/s、寫入 971.421 MB/s。4K 讀取 59.682 MB/s、寫入 167.847 MB/s。

進階效能測試

首先採用 Anvil's Storage Utilities 測試 4K 區塊多佇列最高效能。測試結果顯示 SSD 660p 系列 512GB 其讀取階段於 QD32 深度,寫入階段於 QD16 深度,所得之 IOPS 表現將趨近飽和點。而最高多佇列讀寫效能約為 84K/217K IOPS,此一結果十分貼近於原廠所公布之 90K/220K IOPS。

ATTO Disk Benchmark 測試

以 ATTO Disk Benchmark 4.0 於一般模式及略過寫入快取模式進行測試,兩者之差異並不明顯。此外,當傳輸區塊大於 8KB 時,SSD 660p 系列 512GB 之讀取效能將趨於最大化;於寫入部分,則為當傳輸區塊介於 64KB 與 1MB 時,測試之 SSD 擁有最大之寫入效能。而效能峰值約為讀取 1720 MB/s、寫入 930 MB/s。且整體而言,於不同的傳輸區塊條件下皆有穩定之速度表現。

AIDA64 Disk Benchmark 讀取測試

以 AIDA64 Disk Benchmark 對於 Intel SSD 660p 系列 512GB 不同測試模式所得之讀取效能結果表列如下:

測試模式最高最低平均
線性讀取效能1955.4 MB/s1927.1 MB/s1954.5 MB/s
隨機讀取效能1265.8 MB/s1239.8 MB/s1258.1 MB/s

AIDA64 Disk Benchmark 線性寫入測試

以 AIDA64 Disk Benchmark 對於 Intel SSD 660p 512GB 進行線性寫入測試,測試程式最終傳輸區塊大小收斂於 2MB。初期寫入速率約為 930 MB/s。而如同原廠所標示之規格,固定 SLC 快取加上空碟動態模擬 SLC 區塊其總和為 76GB(佔整體容量比例為 76/512 ≒ 14.84%)。當 SLC 快取用盡時,寫入速率會降至 58 MB/s 左右,推估此應為 Direct-to-QLC 之實際寫入速率。而其中若持續寫入與模擬 SLC 區塊資料搬遷同時進行之故,寫入速率偶會降至 38.5%,但拜 660p 之主控與韌體設計十分優越成熟之故,此一因模擬 SLC 區塊資料搬遷而造成之時間並不會持續十分長久。以此可得知 660p 之動態 SLC 調整十分迅速,而不至於拖累整體速率。