SSD科学研究 篇三：SMI系主控2D TLC闪存的SLC cache模式的用途及其机制分析

M.2 SSD最近大家都闷声追求NVME去了，厂家也都闷声去开发NVME SSD去了，那么M.2的AHCI协议SATA6G的产品是越来越少，是不是M.2的AHCI协议SATA6G产品没有意义了呢？其实也不是！

M.2的AHCI协议SATA6G的产品在目前的市场转接设备中是可以以多样化形式存在的，当然在M.2 PCIE2.0X2/PCI2.0X4/PCIE3.0X2/PCIE3.0X4的主板上，能实现M.2接口和SATA6G的速度，无论老主板Z87 Z97还是新的Z270 X299主板，抑或是历史比较悠久的支持M2 SSD的笔记本，此款产品几乎都能通杀。

装上M2转SATA盒子，摇身一变就是SATA SSD了。

装上USB3.1的盒子，又可以变身移动SSD，其实这个盒子我非常喜欢，手感质感都非常好，速度也很快，所以我购入一颗建兴睿速V5G+ 256GB SSD准备DIY一个移动SSD来使用，那么基于这款SSD以及转接USB后的性能测试稍后奉上。

M.2的NVME协议的SSD是不可能变化为SATA SSD，移动NVME SSD的主控VIA VL720目前还没有量产，基本见不到，而且VL720仅支持PCIE3.0X2的NVME SSD，所以理论上说，NVME的M.2的变化形式和应用范畴没有AHCI SATA6G的M.2广泛，当然必须要承认NVME的速度是快得多。

建兴睿速V5G+ 256GB是前作V5G的升级版，其实说升级版我也不确定是不是升级，主控从SMI2258G换成SMI2254G，闪存从SKhynix 16nm 2D TLC换成了SKhynix 14nm TLC，工厂代号从CV5系列变成了CV6，其他不变。本来在京东买的V5G到手竟然是V5G+，说明建兴可能认为两款产品本质没有区别，所以使用了一个SKU，到手来说，确实性能上也区别不大。包装除了贴标处的V5G旁边多了一个+其他没有区别。

建兴（LITEON）睿速系列 V5G 256G M.2 固态硬盘699元到手是V5G+，已经升级供货京东去购买

抗震包装附送螺丝一颗

V5G+ 256G正面

V5G+ 256G背面

揭除标签之后的SSD正面本体

这个SSD的基本IC组成是：

闪存：SKhynix H27Q1T8QAB4R X2

H27Q1T8QAB4R是SKhynix 14nm工艺的2D TLC HS Toogle 2.0闪存，1Tb容量单颗，换算成GB就是1Tb/8=128GB，堆叠形式为ODP，也就是8Die堆叠，8CE，FBGA132针脚，BLOCK大小是4MB。

这个闪存其实属于14nm TLC序列，

缓存：SKhynix H5TC4G63CFR

海力士的DDR3L 1600 512MB的缓存芯片，建兴的风格一直多见是双倍缓存，这个256G盘一样使用了512MB的缓存。

主控：SMI2254G

这颗主控其实和SMI2258G差不多，32位RISC构架CPU单核，4通道每通道支持8CE，最大支持32CE的闪存组合。2254G其实就是SMI按照建兴要求去精简了一些逻辑门之后的定制版，能更好适配SKhyninx 14nm 2D TLC闪存，而且关闭部分无用的逻辑门之后，主控的性能还会上升。

SM2254G和2258一样，最大的特点是支持Direct to TLC和SLC Caching的算法，通过弹性调整SLC Cache的大小可以提供更多容量的写入不掉速，说白了，以TLC而言，因为须以3bit模拟成1bit的SLC，因此SLC Cache快取空间最大可设定为33%的总容量，在全盘测试中可以保证更长的时间写入是运行在SLC高速模式下。但为了运作稳定，但是实际上基本没厂家去这么做，现在TLC也很贵。

测试

测试平台

CPU AMD RYZEN 5 1600 OC 3.7G 1.25V

主板 华擎AB350 PRO4

内存 GSKILL 幻光戟 DDR4 3200 C14 8GBX2

散热 九州风神玄冰GT RGB

显卡 讯景RX588

主盘 建兴T10 480GB

副盘 建兴V5G+ 256GB

电源 酷冷V850

AS SSD BENCHMARK这个测试，1GB看起来还好得分968，当我们选择3GB 5GB 10GB大小数据模型进行测试时候，写入部分开始衰减，从这里看3GB数据模式应该就已经爆掉了这个盘的SLC Cache，TLC盘的杀手模式：10GB数据模型得分830，说实话，能看过去。

Crystal Disk Mark 5.1.2选择1GB/2GB/8GB/32GB进行测试，2GB数据模式测试时候，持续写入就从447.8MB/S跌到了348.1MB/S，看起来SLC Cache的空间是在2GB以内

HDtune进行全盘读取测试，一条直线到底，持续读取425MB/S异常稳定

HDtune进行全盘写入测试，开盘就从400MB/S附近掉速到190MB/S左右，很显然这个跳水直接是爆了SLC Cache的结果，后面的一条直线，是这个盘TLC真实的写入速度。

我选择一个4GB数据块做写入测试，从速度掉落的点来计算SLC Cache容量大小为1.8GB，这应该是这个SSD的SLC Cache准确大小。

SNIA发布的企业级SSD评测规范(Solid State Storage Performance Test Specification Enterprise v1.1),简称为PTS，包括IOPS测试，但它不仅仅是Iometer 运行4K写入。SNIA测试更像是一场马拉松而不是短跑，总共有25个回合的测试，每次持续56分钟。每一轮由8个不同的块大小（512B到1MB）和7个不同的访问模式（100％读取到100％写入）。25轮完成后（超过23个小时才多一点的时间），我们进入稳定状态后，记录的4轮的平均表现。

* 清洗：安全擦除即SCURE EARSE

* 预热：128K持续写入双倍SSD容量

* 每一轮测试包含.512B，4K，8K，16K，32K，64K，128K，以及1MB数据块大小

* 每个数据块在100％，95％，65％，50％，35％，5％和0％运行QD32深度的随机读/写混合测试，各为一分钟。

* 试验由25轮组成（一个循环需要56分钟，25轮=1400分钟）

虽然SNIA测试只持续1分钟的时间相对较短，但涵盖很多的访问模式和传输数据块的大小。1分钟爆掉SLC Cache是绰绰有余，其实爆也就是几秒钟的事情，所有的测试均在QD32做纵观100％的读写性能：

4K QD32随机读取平均值77319 IOPS

4K QD32随机写入平均值40202 IOPS

所幸各个测试点无死坑，建兴很明显针对4K写入做了一定的优化，以至于后期100%写入的时候512K都跌落得比4K还低。

128K QD32深度的持续写入5000秒，平均写入IOPS为3222.47 IOPS，平均写入速度为402.47MB/S，最高写入速度达到513MB/S。

这里连我自己都感到惊奇，我的预测是TLC持续写入应该几秒就爆了SLC Cache，从500MB/S跌落到190MB/S回归TLC速度才是正常，但是这个盘并没有按照我的预测去发展，而是非常激进的GC垃圾回收机制去提高写入性能，在500MB/S 380MB/S 190MB/S附近形成三条密集直线，不停得回收提速回收提速，所以平均的128KB QD32深度持续写入达到了402MB/S，这个测试持续了5000秒，10秒之内早就爆了SLC Cache了，我只能说道高一尺魔高一丈，这是一种非常具有针对性的固件优化策略。那么建兴这种对TLC持续写入的优化策略和真正的MLC的写入速度相比会如何呢？

于是我找出了T9 256GB ，MV9187主控，TOSHIBA A19NM EMLC闪存的SSD来做一次128K QD32 持续写入5000秒的对比，黄色为V5G+，蓝色为T9

T9跑出的散点几乎一条直线分布在400MB/S附近，均匀而且密集。

再比较一下延迟，V5G+的延迟也和写入速度一样分散，在7毫秒 10毫秒 20毫秒区域三段式分布，且大部分集中在7毫秒附近，显然固件机制和处理写入速度一样在不停的对延迟进行优化，平均计数在9.91毫秒，而T9直接10毫秒一条线到底，非常稳定。

从这个对比测试来看，我们在计算平均速度和延迟的时候，看起来V5G+能有堪比甚至超越T9的平均数据，而软件是机械式的积分机制，所以我们往往会看到TLC跑分不低甚至超越MLC的表现，但是这种持续写入的离散度还是不够稳定，所以你连续跑一些测试比如AS SSD BENCHMARK的时候，会出现写入速度一会高一会低的情况，而读取这一块其实TLC和MLC的区别都是不大的，主要区别在写入的稳定性方面，这也是这两个盘最大的区别。

4K QD32的随机写入5000秒测试中，最高达到45000IOPS，平均IOPS达到39569.04，4K QD32 随机写入平均速度达到154.5666MB/S，平均延迟在0.435毫秒。

很多同学说TLC有个认识的误区就是一旦盘内数据容量超越SLC Cache大小之后，那么剩余容量的写入一定降速成TLC的3BIT模式，其实不然，现在群联慧荣的台系主控结合大厂的固件很简单就可以做到几乎满盘下SLC Cache依然生效，写入不降速。

V5G+ 256GB格式化之后容量236GB，我使用PUFER写的DISKWRITE工具向这个盘里写入230GB数据

此时盘已经写入96%空间，此时运行AS SSD BENCHMARK和CDM测试，SLC Cache依然生效，写入依然不降速。

我把刚才DATAWRITE软件写入的230GB的DAT文件从V5G+的D盘拷贝到MLC闪存的T10 480GB的C盘里，基本就是对V5G+的读取测试了，480MB/S-500MB/S之间浮动比较稳健。

然后我把V5G+的D盘格式化，从T10的C盘把230GB的DAT文件拷贝到D盘，其实就是对V5G+的写入测试了，刚开始1.8GB之内，鸡血乱飞，一度BOOST写入往600MB/S跑去。

过了1.8GB的SLC Cache之后，速度回归到TLC的写入速度了，190MB/S附近，一直会持续到文件写完，速度很均匀稳定。

所以对于SMI系主控2D TLC的盘而言：

1、SLC Cache以内大小的单文件写入，基本都可以满速写入，SLC Cache大小以上的单文件写入，会降速到TLC速度，读取则基本不受影响，做系统盘的话大部分都是零碎的小文件读写，不会有超过SLC Cache大小的单文件出现，所以也不会有明显的写入降速发生。接近满盘情况下，只要SLC Cache在，依然不会降速写入，所以是一个典型的读取取向型SSD。

2、对于TLC盘来说，SLC Cache越大，你越会觉得写入给力，但是SLC Cache最大给全盘容量33%的时候，你又会觉得买的不值得。

所以这种盘的用途

1、转接USB3.0后作为移动SSD 读取文件使用

2、转接成SATA盘后作为群晖比如DS716+II这种双盘位NAS的读Cache使用，给HDD加速。

3、作为系统盘使用，基本不会爆掉SLC Cache，现在AMD X370 B350有两条M.2的主板基本都有一条M.2仅仅支持AHCI的SATA SSD，所以产生了一定的刚需。

其实还有很多没有测试的环节，比如TRIM机制，不过就目前的正规厂商非山寨自己开卡的SSD而言，TRIM基本都没有问题。

最后我们再次看一下官标

V5G+ 256GB

持续读/写UP TO 520/460MB/S

随机读/写UP TO 80000/48000IPOS

在我的测试中又给了新的测标

持续写入平均值SLC：460MB/S，TLC：190MB/S，TLC Cache 1.8GB

随机读/写平均值77000/40000 IOPS

其实很建议厂商在销售SSD的时候，尤其是TLC SSD，不要报喜不报忧，你标识UP TO最大值并没有毛病，但是至少，你给出一个正常平均的速度，和SLC Cache大小，以及SLC TLC两个模式下的持续写入速度参考。毕竟大家需求的应用范畴不同，如果真的有人写入用途是十几个G的单一大文件持续写入的话，体验就不会那么好。

那么问题来了，M.2 AHCI SATA SSD最好的盘是什么？曾经有一块镁光M600 M.2 1TB HP拆机货在我的面前只要1800块钱，我却没有去珍惜，等到被抢走了才后悔莫及，找个靠谱的盒子装进去就是1TB的至尊高速U盘啊。

最后装到ASM1153E的盒子里面去跑了一下速度，还行。收工。