SSD科学研究 篇十七:踢中PCIe4.0 SSD的消费级天花板--Lexar NM800PRO 2TB评测

2022-08-02 21:13:32 145点赞 144收藏 87评论

前言

自AMD在桌面端X570芯片组上支持PCIe 4.0开始,到Intel与AMD全面迎接PCIe 4.0时代,Gen4 SSD从崭露头角逐渐成为了2022高端PC的标配。去年年底发布的INTEL 600系列芯片组以及12TH CPU将PCIe 5.0的GPU正式带入了市场,而今年Q3即将发布的AMD 600系列芯片组以及RYZEN 7000系列CPU正式将PCIe 5.0 X 4规格的SSD带入市场,SSD的更新迭代与PCIe接口与NAND I/O演变息息相关。到2023年,支持PCIe Gen5的设备将会陆续上市,SSD的传输速度进一步突破,新一代的PCIe Gen5主控芯片产品,最大传输速度可达到3,600 MT/s以上,所以,不难预见,PCIe 4.0 X 4标准的SSD其实已经进入末法时代,各家储存大厂以及第三方主控厂家已经不再留手,把最大性能的PCIe 4.0产品急忙投入市场,赶着去迎接最后的红利,所以我们屡屡见到性能顶着PCIe 4.0 X 4带宽天花板的旗舰级大容量SSD频繁发布,我习惯称之为:满血版!满血版的特点是顶着主控的最大持续读写以及最大随机读写性能而设计的,容量基本在2TB左右,我简单数了以下:

SAMSUNG 980PRO 2TB

Kioxia EXCERIA Pro SE10 2TB

WD Black SN850 2TB

KINGSTON KC3000 2TB

ADATA S70 2TB

HP FX900PRO 2TB

PREDATOR GM7000 2TB

以上都是各家的满血版产品,

踢中PCIe4.0 SSD的消费级天花板--Lexar NM800PRO 2TB评测

▲而Lexar NM800PRO 2TB就是雷克沙近日推出的天花板旗舰满血版产品,也是今天我要评测的产品。

开箱

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▲包装正面

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▲包装背面

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▲开箱

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▲SSD本体正面

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▲SSD本体背面

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▲揭掉贴纸

典型的单面设计,正面两颗NAND,一颗缓存,一颗主控。

型号为:

主控:InnoGrit IG5236CAA

缓存:Foresee FLXC2002G-N2

闪存:Longsys RC72TJB3AA41024 *2

解析

主控

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▲NM800PRO 2TB采用了InnoGrit IG5236CAA主控

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▲InnoGrit 由前 Marvell CTO 吴子宁和其他存储行业重量级人物于 2016 年创立,旨在通过集成电路和系统解决方案开发支持 AI 和大数据的存储技术。

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▲Rainier IG5236内部代号为Rainier ,采用 TSMC 12nm FinFET CMOS 工艺制造,是PCIe Gen4 x4、NVMe 1.4 规格的SSD 控制器,硬件参数是32-bit ARM Cortex R5四核处理器,667MHz主频。

IG5236 支持具有 32/16 位宽数据总线的 DDR3或者DDR4 SDRAM。支持8 个 NAND 通道共32CE,支持 MLC、TLC 和 QLC 以及 ONFI 4.1 或 Toggle 2.0/3.0/4.0。该控制器实现了InnoGrit专有的4kB LDPC ECC,端到端数据保护甚至RAID引擎,以确保可靠性和数据完整性。

支持最大容量方面,最大容量高达 16TB。

功耗方面,在L1.2睡眠状态下功耗仅为2mW。

安全方面,IG5236具有多种数据加密和保护方案,包括 AES、SM2/3/4(中国国家密钥)、SHA、RSA、ECC、CRC 和端到端数据保护。

纠错方面,使用4kB LDPC,数据耐用性和保留率大大增强,可为 SSD 解决方案提供更好的可靠性和超高性能。

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▲准确来说,他的对手并不是三星 WD,而是来自Phison的PS5018-E18 以及来自Silicon Motion的SM2264 SSD控制器。

闪存

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▲Lexar NM800PRO 2TB使用的longsys RC72TJB3AA41024,单颗容量1TB,一共使用两颗。

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▲NAND的具体情况可以使用INNOGRIT NVME Flash ID来探测,显示采用的是美光176层 B47R-R 3D TLC,一共两颗NAND,每颗NAND由16个512Gb的Die叠成。

Channel=8

Total CE=32

代表IG5236的8通道32CE最大容积已经被塞满,此刻应是最大性能。

CE/Ch=4 表示每个通道使用了4CE

Die/CE=1 表示每个Die有1个CE

Plane=4 代表2颗NAND有4个Plane

NAND属性就被解构出来了,2 Plane 16 Die 16 CE 4Ch

B47R主要分为三类:

1、B47R-R FortisFlash TLC:IO为1600MT/s,PE为3000,主要用于PCIe Gen4主控产品。

2、B47R-M FortisFlash TLC:IO为1200MT/s,PE为1000,主要用于PCIe Gen3主控产品。

3、B47R FortisMax TLC :IO为1600MT/s,PE为10000,主要用于企业级SSD产品。

因为IG5236主控本身就支持1600MT/s传输速度,所以NAND肯定把IO要挂到1600MT/s来满足主控需求,因此这颗NAND不难推测出指标:

这颗NAND可能是由longsys采购的Micron 3D TLC 176-Layer B47R-R FortisFlash的wafer并自行封装的 8Tb(1TB) 3D TLC NAND,16 Die,16CE,独立4通道,3000PE,IO支持1600MT/s的传输速率。

缓存

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▲缓存使用的是FORESEE封装的LDDR4,编号为FLXC2002G-N2,2GB的容量。

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▲使用INNOGRIT NVME Flash ID来探测该主控,发现Freq =1200/1200/666,第一个1200代表当前的缓存频率是LDDR4-2400,后面的1200/666代表主控支持LDDR4-2400以及LDDR3-1333的缓存。由这些信息可以推断出ORESEE FLXC2002G-N2是一颗2GB的容量的LDDR4-2400规格的DRAM。

测试平台

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CPU:AMD Ryzen 7 5800X

主板:ASRock X570S PG Riptide

内存:Micron DDR4-3200 ECC UDIMM 32GB X4

SSD:Samsung SM961 1TB M.2

散热:Thermalright Frozen Magic 240

显卡:AMD Fire Pro W2100

电源:Seasonic Focus GX650

机箱:SilverStone RM42-502

Windows 10 Workstation Edition X64 20H2

Ubuntu 19.04 X64

SMART

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通过smartmontools可以探知到一些CDI获取不到的smart信息,比如

1、这个盘的Supported Power States有五档,分别设定在:

PS0=3.5W、PS1=3.3W、PS2=2.8W、PS3=0.15W、PS4=0.008W

2、警告温度线=90度

性能定标

首先我们要看一下官方的参数

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▲官标参数性能是很有必要的一件事情,自己可以尝试测试对应的QD深度和T线程数,对于IG5236这颗主控来说,持续读写设定在SEQ 1MB Q32 T1,随机读写设定在RND 4K Q32 T16可以摸到了这个极限,如下图:

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▲CrystalDiskMark 8.0.24的持续读写使用QD32T1的默认设置,随机读写使用QD32T16的条件,可以非常接近官标所标识的UP TO的最大值:

Sequential Read [持续读取](Q=32,T=1) : 7465 MB/s < 7500 MB/s(官标)

Sequential Write [持续写入](Q=32,T=1) : 6590 MB/s > 6500 MB/s(官标)

Random Read 4KiB [4K随机读取](Q=32,T=16) : 1232K IOPS > 800K IOPS(官标)

Random Write 4KiB[4K随机写入] (Q=32,T=16) : 1148K IOPS > 700K IOPS(官标)

实测定标数据除了持续读取略低于官标以外,其余指标全部超越官标,说明官方对这个盘的定标数据还是偏保守,随机读写最大效能标一个1000K IOPS是绝对没有任何问题的,这里的测试给大家一个参考,说明这样官标是没有问题的。

SLC Cache验证

现今的用户非常关注的一个性能就是缓外效能,简单来说就是爆掉SLC Cache之后的效能,这里我选择一个工具DATAWRITE,这是我的一个大神级程序员朋友pufer在谈笑间写出的一个小程序,用于验证2D 3D TLC真实写入速度的。规则是使用随机模式QD1深度往SSD里面以1GB数据块大小为单位写入并且反馈即时的写入速度,当时我们觉得部分的测试软件都在RAW格式下测试写入速度有失偏颇,那么我们能否直观一些在NTFS格式下进行一些动态写入以获得初略的2D 3D TLC NAND真实的写入速度评估,这样更符合用户的现实使用需求,这也是这个软件编写的初衷。

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▲很直观,写入在894GB附近开始掉速,这就是大致的SLC Cache容量。SLC Cache占全盘比例45.7%。

天堂和地狱

为了了解SSD在WINDOWS NTFS系统下最好的情况以及最差的情况,所以我采用【天堂和地狱】这项测试来获得数据:

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▲AS SSD Benchmark 2.0.7316.34247默认设置下的空盘1GB数据块和95%满盘下10GB数据块的测试对比,可以很直观反应在该软件最大压力限制范围内磁盘最好和最差的表现。空盘破万分,95%满盘破6.5K分。很多消费者看不明白专业的评测内容,但是基本都懂回家用AS SSD BENCHMARK测试一下,随随便便破万分也代表着目前高端消费级SSD的发展方向。

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▲CrystalDiskMark 5.0.2 默认设置下的空盘1GB数据块和95%满盘32GB数据块的测试对比,配置使用持续读写Q32T1和随机读写Q32T16,可以很直观得使用软件的最大压力限制反应磁盘在该软件下最好和最差的表现。

天堂与地狱这个测试环节带我们走过厂商宣称的最好效能和我们实测的最差情况下的效能参数对比,体现了一个SSD在3D TLC NAND调教、主控固件平衡以及盘内容量大部分写入情况下的综合能力。

TrimCheck 0.7

TRIM CHECK是一款很实用的检测SSD是否TRIM生效状态的软件,TRIM指令让操作系统可以告诉固态驱动器哪些数据块是不会再使用的;否则SSD控制器不知道可以回收这些闲置数据块,TRIM可以减少写入负担,同时允许SSD更好地在后台预删除闲置的数据块,以便让这些数据块可以更快地预备新的写入。当然光操作系统支持TRIM不行,还需要SSD的固件支持。

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▲向SSD里写入一个16M的文件,这文件头的前16位字节如上图白色区域所表示,这也是该文件唯一的文本字符串,然后将其删除,如果TRIM工作,控制器也将删除这个数据,这时候软件让你等待大约20秒后然后按ENTER继续,然后关闭软件再次打开。

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▲再次打开软件,提示原白色区域的字节并没有被FF所填充,说明主控固件的TRIM机制有生效。

Secure Erase兼容性和有效性测试

BIOS

考虑到IG5236毕竟是新产品主控,我比较怀疑使用目前主板自带的Erase Tool对其进行Secure Erase操作的可行度,故此有了这个测试。

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▲测试结论是使用ASRock X570S PG Riptide的bios自带的SSD Secure Erase Tool对SSD进行Erase操作,实测有效。

Linux

在Ubuntu 18.04操作系统下输入第一条指令定位到盘,然后使用第二条指令对其进行Secure Erase

nvme list
nvme format -s 1 /dev/nvme0n1

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▲结果显示Secure Erase成功!实测有效

SNIA PTS评估验证

前面的测试都在NTFS格式下的桌面环境中测试,由NM800PRO 2TB固件的平衡能力以及893GB的SLC Cache,很难将其打落到到NAND本身的实际写入速度,即使在桌面环境的测试看起来结果还是不错的,我还是想看一下这个SSD是否能抗住企业级SSD标准化测试的残酷考验。

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▲全球网络存储工业协会(Storage Networking Industry Association,SNIA)是成立时间比较早的存储厂家中立的行业协会组织,宗旨是领导全世界范围的存储行业开发、推广标准、技术和培训服务,增强组织的信息管理能力。作为一家非盈利的行业组织,拥有420多家来自世界各地的公司成员以及7100多位个人成员,遍及整个存储行业。它的成员包括不同的厂商和用户,有投票权的核心成员有Dell、IBM、NetApp、EMC、Intel、Oracle、FUJITSU、JUNIPER、QLOGIC、HP、LSI、SYMANTEC、HITACHI、Microsoft、VMware、Huawei-Symantec十五家,其他成员有近百以上,从成员的组成可以看出,核心成员来自核心的存储厂商,所以SNIA就是存储行业的领导组织。在全球范围SNIA已经拥有七家分支机构:欧洲、加拿大、日本、中国、南亚、印度以及澳洲&新西兰。

Solid State Storage Performance Test Specification Enterprise v1.0是SNIA于2011年给Enterprise SSD都制定了Performance Test(性能测试)的规范,可以到其网站www.snia.org下载

很少有人将一个消费级SSD推到极限的情况下去评估Perfermance效能,因为大部分的情况是掉成狗,有很多厂家是很忌讳使用SINA的标准SSD测试规范对他们的产品进行评估的,这个测试会将一切的外部加成全部忽略掉,将其打落到NAND本质的速度,进行严格的稳定态测试,如果性能浮动太大的话,可能永远无法达到稳定态直到测试中断,或者如果EARSE机制偶发性失效出现问题,这个测试也会中断,所以不是什么盘都能得到最终的测试结果,很多盘没跑完测试就已经被强制中断测试了,所以我很想知道这个盘以何种姿态通过测试或者不通过。

在SNIA组织定义的规范中,规范了如何测试闪存设备或固态存储。业界希望有一种来比较SSD的科学方法,这也是需要SNIA测试规范的原因。SSD的写入性能在很大程度上取决于NAND的写入历史。SSD一般有三个写阶段:

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1、FOB(全新从盒子里拿出来的状态)

2、Transition(过渡)

3、Steady State(稳定状态)

以上图例来自SINA PTS 1.1测试规范

Transition(过渡)过渡是FOB和稳态的良好表现之间的阶段。大多数情况下,性能会随着时间的推移而持续下降,直到达到稳定状态为止。SNIA PTS1.1的测试规范则很严格的监控了FOB到稳定态的每一个阶段,以及评估标准帮你去确认你的企业级SSD确实达到了稳定态,所以根据以上溯源我们有了如下的操作:

软件系统及设置

操作系统 : Ubuntu 19.04 Disco Dingo (development branch)

内核版本 : 5.0.0-11-generic

测试软件: fio-3.12

Number of jobs: 2

Number of outstanding IOs (iodepth): 32

1、IOPS测试(IOPS)

测试方法

进行Secure Erase安全擦除

预处理: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%运行读/写混合测试,各为一分钟。试验由25回合(Round)组成(一个循环需要56分钟,25回合=1400分钟)

使用4K随机写入的IOPS作为测试目标,写入振幅20%平均值与测量值线性最佳拟合线的斜率作为验证进入稳定态的标准。

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▲IOPS稳态收敛图-QD32

显示相关变量如何试图收敛到稳定状态的过程

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▲IOPS稳定态验证图-QD32

显示直到(20,21,22,23,24)回合也并未进入稳态,这里需要说明的是,NM800PRO 2TB的4K随机写入性能浮动较大,性能振幅不能控制在20%以内,所以这里无法进入稳态。

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▲IOPS测试2D图-QD32

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▲IOPS测试3D图-QD32

2、带宽测试(TP)

测试方法

进行Secure Erase安全擦除

对于['1024k', '64k', '8k', '4k', '512']数据块大小进行持续读写60秒为一回合(Round)

使用1024K持续写入的吞吐量作为测试目标,写入振幅20%平均值与测量值线性最佳拟合线的斜率作为验证进入稳定态的标准

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▲带宽稳态收敛图-QD32显示相关变量如何收敛到稳定状态的过程

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▲带宽稳定态验证图-QD32

显示(0,1,2,3,4)回合直接进入了稳态,稳定性不错,满足验证标准给出了1M数据块下持续写入振幅20%平均值与测量值线性最佳拟合线的斜率的条件。

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▲读写带宽测试2D图-QD32

我们可以看到稳定态下持续读写各个数据块下的平均表现力,1M数据块下持续读平均带宽7018.873 MB/s,持续写平均带宽6398.546 MB/s。

3、延迟测试(LAT)

测试方法

进行Secure Erase安全擦除

预处理:128K持续写入双倍SSD容量

对于['8k','4k','512']数据块大小进行100%读,65%读35%写,100%写的随机读写测试,测量最大最小以及平均的延迟,60秒为一个回合(Round)

使用4K随机写入的平均延迟作为测试目标,写入振幅20%平均值与测量值线性最佳拟合线的斜率作为验证进入稳定态的标准

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▲延迟稳定态收敛图-QD32显示相关变量如何收敛到稳定状态的过程

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▲延迟稳定态确认图-QD32显示了4K随机写入过程中,在(1、2、3、4、5)回合达到了稳定态,耗费最少的回合,说明稳定性很好。

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▲平均延迟在所有进程中的表现在0.35毫秒以内。

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▲最大延迟在所有进程中的表现在200毫秒以内。随机读以及混合读写部分是最大延迟控制的极好在10毫秒以内,而只有随机写的部分最大延迟相对较高。

踢中PCIe4.0 SSD的消费级天花板--Lexar NM800PRO 2TB评测

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▲平均和最大延迟3D图-QD32以及汇总数据。

4、写饱和度测试(WRITESAT)

测试方法

进行Secure Erase安全擦除

执行4K随机写入1分钟为一回合(Round),写入4倍全盘容量或者24h,以先达到者为准

计算各个回合的平均IOPS(Avg IOPS)

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▲写饱和平均IOPS图-QD32

这个测试实际60轮写满4倍全盘容量,因为纯写入任务相对于混合读写比例的测试要简单很多,这个测试的压力程度对主控的资源以及固件的GC TRIM以及SLC Cache性能回复不造成压力,所以从空盘到写满四倍全盘容量的过程中并没有发现4K随机写入的性能发生明显衰减,这也是所以依然可以稳定在370000 IOPS附近并且持续到测试结束的根本原因。

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▲写饱和平均延迟图-QD32

测试跑在0.175毫秒以内一直到测试结束。

3DMARK存储基准测试

踢中PCIe4.0 SSD的消费级天花板--Lexar NM800PRO 2TB评测

踢中PCIe4.0 SSD的消费级天花板--Lexar NM800PRO 2TB评测

▲这个测试尽可能反应了用户在游戏过程中真实的读写操作数据。

这次选用的对比产品为:

踢中PCIe4.0 SSD的消费级天花板--Lexar NM800PRO 2TB评测

踢中PCIe4.0 SSD的消费级天花板--Lexar NM800PRO 2TB评测

▲Lexar NM800PRO 2TB 和 Lexar NM800 1TB

两者的主控,PCB完全一致,差异在于NAND和缓存

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▲NM800 1TB缓存使用的是FORESEE封装的LDDR4-2400,编号为NCLDXC1MG256M32,从编号推测是256Mb X 32 /8=1GB的容量。而前面我们说过,Lexar NM800PRO 2TB的缓存是2GB容量的LDDR4-2400。

踢中PCIe4.0 SSD的消费级天花板--Lexar NM800PRO 2TB评测

▲Lexar NM800 1TB使用的是两颗镁光原厂的wafer片,自己封装的3D TLC FLASH,编号为NC66THA1884512G。

踢中PCIe4.0 SSD的消费级天花板--Lexar NM800PRO 2TB评测

▲NM800 1TB使用INNOGRIT NVME Flash ID检测显示采用的是美光96层 B27B 3D TLC,一共两颗NAND,每颗NAND由8个512Gb的Die叠成。

Channel=8

Total CE=16

代表IG5236的8通道是被塞满了,但是32CE最大容积只是被塞了一半也就是16CE。

CE/Ch=2 表示每个通道使用了2CE

Die/CE=1 表示每个Die有1个CE

Plane=4 代表2颗NAND有4个Plane

NAND属性就被解构出来了,2 Plane 8 Die 8 CE 2Ch,因为B27B只能支持到1200MT/s的IO速度,所以哪怕IG5236主控支持1600MT/s,只要搭配B27B就依然IO被限制在1200MT/s。

以上就是这两张盘的主要硬件差异!

踢中PCIe4.0 SSD的消费级天花板--Lexar NM800PRO 2TB评测

▲Lexar NM800PRO 2TB VS Lexar NM800 1TB

图中可以看出,Lexar NM800PRO 2TB 相比 Lexar NM800 1TB在游戏方面获得大幅提升。

总结

1、以上的测试也带来一些思考,SNIA测试中Lexar NM800PRO 2TB的IOPS的稳定态表现不佳,但是TP、LAT以及WRITE SAT稳定性很好,在游戏中有更好的体验,这一点,3DMARK的存储测试就已经说明了问题,这也给万分级别的SSD一个消费级游戏市场的应用空间,虽然这个产品很出色但同时也希望Lexar能重视IOPS稳态的振幅问题,在后期可以推出FW改善这方面性能。

2、现今的趋势由于PCIe 4.0标准的普及,SSD的设计也在逐渐从PCIe 4.0入门级走向了极限压榨主控性能的方向,动辄8通道32CE塞满主控的高阶消费级存储正逐渐成为主流产品,跑分破万已经成为后PCIe 4.0时代的高阶产品标志,现今的这个市场氛围,旗舰级产品你可以不卖,但是不能没有,而Lexar NM800PRO 2TB正是此类应运而生的产品,这个产品的问世我觉得不是为了走量,而是为了向友商以及市场秀一下肌肉,宣布Lexar通过NM800PRO的发布终于补齐了产品线中的最后一块短板:旗舰级。那么问题来了,制造旗舰级难度很高么?第三方主控有Turnkey方案,PCB走线布局有模拟电路参考示范,貌似都没什么难度,那么真正的难度是在于NAND,NAND的资源才是至关重要的一环,做M.2 SSD你要做高端,消费者只认单面产品,而单面产品中,你要做板上缓存,加上主控,剩下的PCB位置只够上2颗NAND,那么问题就很清晰了:能不能拿到原厂高品级 高读写速度 高IO接口 高持久的大容量的inhouse NAND,而且原厂还要持续供应你该型号,这是一件需要实力去证明的事情。

3、关于温度没有更多的去测试了,因为发现它的温控机制和NM800完全一致,有兴趣的玩家可以去看我的NM800 1TB评测中的温控环节。温度高温临界值在75度附近,达到75度原本很稳定的写入曲线立刻变锯齿,这说明75度可能发生降速情况。所以购买马甲版本,会更有利于散热,这一点即使三星也不能免俗,980PRO一样推出了一款马甲版本,那么NM800PRO 2TB的散热片版本和裸盘版差100值得不值得就要看个人意愿了。我只负责公正客观的将产品实际情况汇报给大家!

最后感谢观看!

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