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超越 PCIe 等級之 4K 效能,大檔寫入仍擁有極佳之傳輸速率——Intel SSD 545s 系列跳脫了傳統 TLC 之桎梏

於電子儲存元件上擁有技術優勢之半導體巨擘 Intel,在其推出採用 3D 製程 NAND 快閃記憶體消費級產品之後,旋即令 SSD 市場颳起一陣 3D 旋風。而在第一世代 3D NAND 快閃記憶體面世尚未滿一年之際,Intel 又以迅雷不及掩耳之速,推出其採用 64 層第二代 3D NAND 之最新銳消費級固態硬碟——Intel® SSD 545s 系列。

Intel® 64 層第二代 3D NAND 快閃記憶體

Intel 第二代 3D NAND 快閃記憶體與前一代相較,其最明顯之亮點在於 3D 堆疊程度由 32 層進展至 64 層。此項演進於理論上將使單位面積之晶圓儲存容量得以倍增。此外,Intel 第二代 3D NAND 應用了 CMOS Under the Array (CuA) 技術,此一技術將容許記憶體之控制電路得以安排於儲存單元之下層。而相較於傳統之 3D NAND 晶圓布局,控制電路則必須分布於儲存單元之旁側。整體而言,應用 CuA 技術可令相同儲存容量之 NAND 晶圓顆粒具有更小面積之優勢。

另一項值得留意之特性為,目前投入市場之 Intel 第二代 3D NAND,其每一晶圓顆粒 (die) 之儲存容量已由前代之 384Gbit 調整至 256Gbit。而第二代 3D NAND 之 256Gbit 晶圓顆粒 (die) 其具備優勢之一為:可令 SDD 控制器於每次存取程序中,其所需處理之 page 與 block 之資料量加以縮減。此項特性將有利於 SSD 控制器有效縮短其存取運算時間。此外,以較小容量之晶圓顆粒 (die) 來組成 SSD 架構時,因相同目標容量之儲存媒體相對需要較多之晶圓顆粒 (die) 來加以組構。以結果而言,這將帶來更佳之並行性優勢,以及因應而來之性能提升。

諸此袞袞因元件架構而累積之性能增益,使 Intel 第二代 3D NAND 擁有較前一代更具效能優勢之潛在能力。而 Intel 應用其第二代 3D NAND 首發之先鋒即為 SSD 545s 系列。首波 545s 系列其家族成員共計有四種容量,茲將系列各成員之性能諸元表列如下:

容量128GB256GB512GB1TB
型號SSDSC2KW128G8X1SSDSC2KW256G8X1SSDSC2KW512G8X1SSDSC2KW010T8X1
控制器SMI SM2259
顆粒組成--IMFT Gen2 3D TLC 128GB *2IMFT Gen2 3D TLC 128GB *4--
介面SATA 6Gb/sSATA 6Gb/sSATA 6Gb/sSATA 6Gb/s
最高循序讀寫速度550/440 MB/s550/500 MB/s550/500 MB/s550/500 MB/s
4K隨機讀寫效能70K/80K IOPS75K/85K IOPS75K/85K IOPS75K/85K IOPS
最高寫入資料量72 TBW144 TBW288 TBW576 TBW
MTBF>=1,600,000 小時1,600,000 小時1,600,000 小時1,600,000 小時
保固五年有限保固五年有限保固五年有限保固五年有限保固

由上表之資料可知,Intel SSD 545s 系列其全數成員皆採用 SATA 介面協定,而最高循序傳輸率因受限於 SATA 通道之最高頻寬,最終於不同容量之產品上皆具有相近之表現。此外,SSD 545s 系列之 4K 效能於不同容量成員中,亦皆有十分接近之標稱數值。

採用新一代控制器,支援 Direct-to-TLC 功能

新面市之 SSD 545s 系列採用了慧榮科技 (Silicon Motion Technology Corp., SMI) 之最新型控制器——SMI SM2259。SM2259 為前一世代廣泛被採用之解決方案 SM2258 之後繼強化版本。此一新型控制器擁有端對端資料保護能力,以及 SMI 專利性之 NANDXtend™ ECC 技術。此項技術可整體提升所搭配之 3D NAND 其抹寫次數上限 (P/E cycle),進而使構築出之 SSD 壽命加以延長,並確保其資料之完整性。除此之外,SMI SM2259 於效能層面上最大之顯著特性為其支援了 Direct-to-TLC(另稱 Direct-to-Die)演算法,此一特質使 SSD 545s 系列於大量資料寫入而導致 SLC 快取耗盡之際,仍擁有十分優越之持續傳輸表現。

型號SMI SM2259
介面SATA 6Gb/s
快閃記憶體 I/F4 通道
CE / 通道8
支援 NAND 介面ONFI 4.0 及 Toggle 2.0
特色功能
  • 支援 SLC 快取模式及 Direct-to-TLC 演算法,最佳化持續存取效能
  • NANDXtend™ ECC 技術
  • 端對端資料保護

實物開箱

我們於第一時間取得之 SSD 545s 系列成員其容量為 256GB,2.5 吋 SATA 型式,型號為 SSDSC2KW256G8X1。其外包裝為原廠彩盒裝,彩盒正面秉持了 Intel SSD 系列之一貫風格,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。

彩盒正面右上方特別貼有一載明 "64-LAYER TLC 3D NAND" 之貼紙。藉以突顯 SSD 545s 系列採用 Intel® 64 層第二代 3D NAND 快閃記憶體做為其核心記憶元件之商品特性。

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。

2.5 吋版本之 SSD 545s 其本體一改以往鋁鑄外殼設計,而轉以輕量化之 鋁殼/不銹鋼 沖壓件替代之。此等新設計減少了厚重感,而於輕量化與散熱能力皆有所增進。

測試環境

我們採用第七代 Core™ 處理器與 Z270 晶片組來建立測試環境,測試平台之規格如下:

考量避免不同測試平台上其 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 C1E、C3/C6 及 CPU 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。測試環境之作業系統皆更新至最新狀態。

基本測試結果

AS SSD Benchmark 測試

以 AS SSD Benchmark 針對 SSD 545s 系列 256GB 進行基本測試,可測得循序讀取 531.64 MB/s、寫入 481.59 MB/s。4K 讀取 42.61 MB/s、寫入 122.03 MB/s。循序讀寫部分囿於 SATA 頻寬所限,而被限制於介面之規格範圍內。而 4K 讀取速度則十分罕見地超越了不少 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 545s 系列 256GB 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 545s 系列所採用之 SMI 2259 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 測試顯示 4MB 區塊之循序讀取效能為 532.78 MB/s、寫入 455.11 MB/s。4K 讀取效能則為 52.65 MB/s、寫入 122.46 MB/s。循序讀取部分相較於前組數據之差異並不顯著,可以列入測試結果之浮動範圍內。但 4K 讀取能力則十分戲劇性地超越了 50 MB/s 之門檻,而凸顯了 Intel SSD 545s 系列於 4K 效能之優異表現。

CrystalDiskMark 測試

CrystalDiskMark 對於 SSD 545s 系列 256GB 之測試結果顯示:多佇列 (QD32) 循序讀取效能為封頂之 563 MB/s、寫入 512.7 MB/s。4K 讀取效能則為 57.43 MB/s、4K 寫入效能 143.0 MB/s。此外,將測試資料設定為 zero fill 之結果,各項效能之數值差異並不十分顯著,由此可知,測試資料之可壓縮程度並不會影響 SSD 其傳輸速度。而 4K 讀取效能 57.43 MB/s 則大幅超越了以往各項 SSD 之測試結果,此一結果顯示 SSD 545s 系列之 4K 效能不僅僅為 SATA SSD 界之翹楚,其更具備越級挑戰 PCIe NVMe SSD 之底蘊。

TxBENCH 測試

執行 TxBENCH 測試可得 128KB QD32 之循序讀取效能為 562.809 MB/s、寫入 513.840 MB/s。4K 讀取效能則為 49.110 MB/s、寫入 124.692 MB/s。所有測試項目之 4K 讀取效能皆為前所未見。

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 545s 系列 256GB 其讀取階段於 QD16 深度,寫入階段亦於 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 78K/88K IOPS,此一結果較原廠所公布之 75K/85K IOPS 要為略佳。

ATTO Disk Benchmark——Neither 測試模式

以 ATTO Disk Benchmark 於 Neither 模式進行測試,其結果顯示當傳輸區塊大於 512KB 時,SSD 545s 系列 256GB 之讀寫效能將趨於最大化,而效能峰值約為讀取 505 MB/s、寫入 558 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。

ATTO Disk Benchmark——I/O Comparison Random 測試模式

以 ATTO Disk Benchmark 於 I/O Comparison Random 模式進行測試,其結果與前項表現十分相近:當傳輸區塊大於 512KB 時,SSD 545s 系列 256GB 之讀寫效能將趨於最大化。效能峰值約為讀取 505 MB/s、寫入 522 MB/s。

ATTO Disk Benchmark——Overlapped I/O QD8 測試模式

以 ATTO Disk Benchmark 於 Overlapped I/O QD8 模式進行測試,於此佇列條件下,當傳輸區塊於 64KB 以上時 SSD 545s 系列 256GB 即有十分良好之讀寫表現。效能峰值約為讀取 512 MB/s、寫入 564 MB/s。由 ATTO Disk Benchmark 之各項結果揭示 Intel SSD 545s 系列之韌體調校已然相當優越,而於不同之傳輸區塊容量條件下,皆能維持穩定之速度表現。

AIDA64 Disk Benchmark 讀取測試

以 AIDA64 Disk Benchmark 對於 Intel SSD 545s 系列 256GB 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532.0 MB/s531.0 MB/s531.9 MB/s
隨機讀取效能460.7 MB/s456.3 MB/s459.4 MB/s
緩衝讀取效能526.7 MB/s522.8 MB/s526.6 MB/s

AIDA64 Disk Benchmark 線性寫入測試

以 AIDA64 Disk Benchmark 對於 Intel SSD 545s 256GB 進行線性寫入測試,測試程式最終傳輸區塊大小收斂於 8MB。其結果顯示最高寫入速率發生於測試初期,為338.7 MB/s。而之後皆穩定維持於 250 MB/s 之範圍內。整體最低寫入速率為 250.4 MB/s,平均寫入速率則為 253.7 MB/s。此一結果驗證了 Intel SSD 545s 系列憑藉其所搭載 SMI SM2259 控制器支援之 Direct-to-TLC 功能,令 Intel SSD 545s 256GB 即便處於連續大量寫入之極端狀態中,於 SLC 快取耗盡之不利條件下,仍擁有 250 MB/s 之高速傳輸表現。

Intel SSD 545s 系列跳脫了傳統 TLC SSD 之刻板印象

由以上之各項測試結果可得知,Intel SSD 545s 系列由於其所採用之 Intel 64 層第二代 3D NAND 快閃記憶體所具備之小分頁、多並行性之基礎優勢,再加以 SMI SM2259 主控制器之專利演算技術及較高之核心時脈,而令 SSD 545s 系列擁有前所未見超越 PCIe 等級之 4K 效能。除此之外,SMI SM2259 主控制器其所支援之 Direct-to-TLC 功能使得基於 3D TLC NAND 之 545s 系列於 SLC 快取耗盡之嚴苛環境下,仍擁有極佳之傳輸速率。而實際測試之優異表現一舉改變了傳統 TLC SSD 於大量寫入時,傳輸效能將大幅滑落之桎梏與窘境。此外,SSD 545s 系列極佳之 4K 效能亦揭示了 SATA SSD 面對 PCIe SSD 不再具有絕對之劣勢,反而保有了較佳散熱能力與擴充能力之優勢。

Intel 第二代 3D NAND 將再次改寫 SSD 之市場面貌

Intel 之 64 層第二代 3D NAND 快閃記憶體可說是完全強化且突破了前代 3D NAND 力有未逮之處。而目前僅於 SATA SSD 系列之初陣即取得了十分驚人之戰果及影響力。由此因其勢而利導之,可相信於不久之未來,續陣而來採用 Intel 第二代 3D NAND 之 PCIe NVMe 固態硬碟,將再次改寫 SSD 之市場樣貌。