站在巨人肩上:Solidigm D7-P5520企业级SSD评测

2022-06-28 17:17:59 1点赞 8收藏 0评论

前言

SK海力士吸收了英特尔的闪存与SSD业务,Solidigm在2021年底成立,成为当前唯一同时掌握Charge Trap电荷捕获结构和Floating Gate浮栅结构两种当代3D NAND技术的公司。Solidigm一名由Solid-state(固态)和paradigm(范式)两个词组合而成,取树立固态存储行业范式之意,目标是成为优化数据存储解决方案的首选合作伙伴。

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D7-P5520和D7-P5530是Solidigm成立后推出的新产品,使用具有高密度、高读性能和高性价比特点的Floating Gate浮栅结构3D NAND闪存。

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D7-P5520设计用于读取密集型和轻型混合工作负载,D7-P5620设计用于混合工作负载,二者分别提供1 DWPD和3 DWPD耐久度指标。

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D7-P5620提供1.6TB到12.8TB容量选项,2. 5寸U.2规格。D7-P5520则提供1.92TB到15.36TB容量选项,同时提供U.2、E1.S(9.5mm厚度)、E1.S(15mm厚度)和E1.L四种规格。

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本次我们测试的是U.2规格的D7-P5520 7.68TB,标称顺序读写速度7100/4200 MB/s,4K随机读写1100K/220K IOPS,4K随机读写延迟75/15 μs。

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根据官方数据,Solidigm D7-5520相比Intel D7-P5510 4K随机读取性能提升42%、4K随机写入提升17%,延迟降低多达43%。

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D7-P5520和D7-P5620系列采用相同的NAND、固件及控制器,产品认证过程简单高效,同时我们也可以通过为D7-P5520 7.68TB增加OP容量来模拟D7-P5620 6.4TB的表现。

测试平台和信息识别

测试平台:

CPU:intel Core i9-12900KS(关闭能效核,禁用EIST、C State)

主板:ROG MAXIMUS Z690 APEX

内存:金士顿DDR5-5200 8GBx2

SSD:STEC s620 200GB(系统盘)

Solidigm D7-P5520 7.68TB(FW:9CV10200)

某消费级PCIE4.0旗舰(对照盘)

OS:Windows 11 / Ubuntu 22.04 LTS

不同于很多企业级固态硬盘完全不支持ASPM节能,Solidigm D7-P5520同时支持ASPM L0s和L1节能。不过在测试中我们会将其禁用以完整展现其性能表现。

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通过smartmontools可以看到,Solidigm D7-P5520拥有三种活动电源状态。跟消费级SSD不同的是,这三种电源状态的目的并不是为了自主电源状态转换,而是提供多种功率限制选项,用户可以通过nvme-cli或Solidigm Storage Tool(SST)来管理其电源模式。

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Solidigm Storage Tool同时提供了Windows和Linux两种版本,除了CLI命令行之外,Windows版本还提供了可选的GUI图形界面。

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GUI版工具箱可以提供信息检测、固件更新、诊断扫描(包含数据完整性检查)、安全擦除以及SMART信息查看功能。工具箱会直接提供包括闪存最小/平均/最大擦除次数在内的详细健康度信息。

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通过CLI命令行版本的SST工具箱还可以方便的增加SSD的OP容量,譬如sst set -ssd 1 MaximumLBA=83%,可以为D7-P5520 7.68TB增加OP容量以模拟P5620 6.4TB的表现。

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通过sst set -ssd 0 PowerGovernorMode=2可以将D7-P5520切换到电源模式2,即限制最大功耗不超过11瓦。

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在限制功率的情况下,高队列深度的随机读写性能会受到比较明显的影响,而QD1性能几乎不变。

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理论性能测试

Fio测试:

CrystalDiskMark和fio分别是Windows和Linux平台下最常用的硬盘性能测试工具。CrystalDiskMark最大可测试32GB的范围,从简单的对比来看D7-P5520似乎在大家关心的4K单线程随机读取性能上不占优势,实际上这是因为消费级SSD普遍利用SLC缓存障眼法来让软件测出SLC模式的读取性能。

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在Linux系统下通过填盘预处理之后,利用fio在全盘范围内测试4K随机读取,Solidigm D7-P5520可以获得68.7MB/s的成绩,而对照的消费级型号由于无法在全盘范围内利用SLC缓存作弊,4K随机读取速度就会现出60.8MB/s的原形,这才是二者实际随机读取性能的体现。

透过fio,我们还能了解SSD的QoS表现。下面这个测试是在填充全盘后进行。企业级SSD在随机写入性能一致性上的优势非常明显。

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上面是以纯读取或纯写入方式进行的简单测试,SSD在实际使用环境下面临更复杂的混合读写情况,写入会对同时进行的读取性能产生影响。这里我们就不对消费级SSD进行对比测试了,因为后者完全达不到100MB/s的起步水平。根据Solidigm的数据,在以400MB/s进行4K随机写入的同时,D7-P5520 7.68TB的4K随机读取延迟低于800us,面对同类企业级固态硬盘拥有明显优势。

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ezFIO脚本测试:

ezFIO是经NVM Express推荐的企业级SSD综合测试,它是一个可重复进行的稳定态性能测试脚本。在测试开始前有两次全盘容量写入的预处理阶段,帮助模拟企业级SSD的长期性能。ezFIO同时支持Windows和Linux平台,测试完成后可自动生成测试报告。以下成绩在是Linux系统下搭配fio 3.28测得。

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借助ezFIO测试脚本可以自动化测试更多内容,如稳定态下不同块大小的顺序/随机读写性能:

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下图是将Solidigm D7-P5520 7.68TB OP到6.4TB后的成绩,写入性能提升非常大:

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Solidigm D7-5520 7.68TB实测稳定态4K随机读取和随机写入性能:1113K/243K IOPS,超过标称值的1100K/220K IOPS。

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OP到6.4TB容量之后,4K随机读写性能达到1115K/408K IOPS,写入性能提升明显:

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长期性能稳定性检验通过稳定态随机混合读写进行,根据平均IOPS和标准差计算得出变异系数,变异系数越低说明SSD在长期高负荷使用后的性能越稳定,越不容易产生程序需要等待IO的情况。Solidigm D7-P5520 7.68TB的4K R70:W30混合读写稳定态平均IOPS:434530,变异系数:2.13%。OP到6.4TB之后,稳定态混合读写IOPS为558583,变异系数2.93%。

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D7-P5520 7.68TB稳定态4K混合随机读写延迟百分位分布:不同QD队列深度下的延迟都控制在1000μs左右,性能一致性表现非常好。

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OP到6.4TB之后,随机读写延迟表现更为出色了:

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SNIA SSS PTS-E 2.0测试:

SSS PTS的全称为Solid State Storage Performance Test Specification,即固态存储性能测试规范,它由SNIA存储网络行业协会制定,当前最新版本是2.0,包括针对企业级SSD的PTS-E规范以及针对消费级SSD的PTS-C规范。

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PTS测试在设备而非文件系统级别进行,通俗的说就是SSD在没有分区的状态下进行。PTS测试的是SS(Steady State稳定态)性能,而非FOB(Fresh-Out-of-the-Box开箱状态即出厂态)表现。

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为了使SSD达到稳定态,PTS测试需要先执行预处理,也就是我们常说的“填盘”:用随机数据写入全盘2倍容量。而后执行一系列随机写入,稳定态的判定方式为:检查测试窗口中的4K随机写入、64K R65:W35混合随机写入和1024K随机读取三项成绩,允许波动范围+-10%,确认SSD已经进入稳定态后才会继续后续测试。

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SSS PTS测试的内容包括512字节、4K、8K、16K、32K、64K、128K和1MB块大小,在0/100、5/95、35/65、50/50、65/35、95/5和100/0混合读写比例下的稳定态IOPS,并以数据表格、2D和3D图示三种形式进行展现。

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下面对比的是OP到6.4TB模拟P5620:稳定态随机读写性能提升明显。

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模拟实际应用测试

接下来是一些模拟实际应用的压力测试内容。

VDBench测试:

VDBench是甲骨文推出的存储性能评估工具,能够支持去重和压缩等特性。我们参考PURESTORAGE的数据制作了模拟Oracle/SQL数据库、VDI、VCI四种企业级应用负载的测试脚本,并将IOPS和延迟的关系制表。图中横轴为IOPS为IOPS(越高越好),纵轴为对应的延迟(越低越好)。iorate的原理是VDBench先以无限制的方式测一次IOPS,而后以其作为100%基准,按照curve参数中给出百分比的IOPS为目标测定延迟。我们测试了P5520 7.68TB、P5520 OP 6.4TB、P5520限制电源模式1、P5520限制电源模式2四种情况。

Oralce测试数据模型中读写比例为83.14:16.86,其中4K、8K、16K读取占比分别为22.1%、37.3%和19.12%,随机存取占比80%。4K、8K和16K写入占比分别为22.1%、37.3%和19.12%,随机存取占比80%。Solidigm D7-P5520在这个读取为主测试中表现很轻松,即便是限制到电源状态1也没有对成绩产生特别明显的影响。

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Virtual Desktop Infrastructure测试数据模型中,读写混合比例为59.48:40.52。4K、16K、32K和64K读取分别占比39.35%、16.47%、10.37%和12.86%,随机存取占比80%。4K和8K写入分别占比61.11%和13.05%,随机存取占比80%。四种不同情况下的测试成绩拉开了明显差距,由于写入占比提升,为D7-P5520 7.68TB增加OP后模拟P5620 6.4TB可以获得明显更优的IOPS及延迟表现。

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Virtual Storage Infrastructure测试数据模型中,读写混合比例为57.4:42.6。4K、8K、60K读取占比分别为25.68%、26.31%和10.52%,随机存取占比80%。4K和8K随机写入占比分别为59.62%和14.81%,随机存取占比80%。在负载较低时,四种情况下的延迟表现接近,增加OP后可以极大地提升最高IOPS表现。

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SQL数据库测试数据模型中,读写混合比例为68.42:31.58。8K和64K读取占比分别为53.57%和28.75%,随机存取占比80%。4K、8K和64K写入占比分别为27.85%、35.24%和26.35%,随机存取占比80%。限制电源模式1后的D7-P5520仍能达到无功率限制时性能的85%左右。增加OP预留空间容量能够进一步性能表现。

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Aerospike Certification Tool测试:

Aerospike是一款高性能分布式NoSQL数据库。Aerospike Certification Tools(ACT)则是测试和验证设备能否满足该数据库存储性能需求的开源工具软件。

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ACT针对Aerospike数据库的I/O模式进行建模,测量读取和写入混合负载期间的存取延迟。基础的1X负载为每秒2000读取和1000写入,Aerospike数据库要求30X负载连续测试24小时,大于1ms响应时间的比例不超过5%、大于8ms响应时间的比例不超过1%、大于64ms响应时间的比例不超过0.1%方为合格。

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通过30X只是Aerospike数据库对SSD的一个基础要求,相当于“最低配置”。我们通过修改配置文件大幅提高难度,验证了Solidigm D7-P5520 7.68TB在300X读取、150X写入负载下的表现。

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经过24小时的压力测试,读取响应大于1ms的仅占0.03%,写入响应大于1ms的占3%左右,仍符合Aerospike数据库使用要求。

总结

D7系列是Solidigm企业级SSD中的性能优化型号,在速度、耐用性和容量之间实现了完美平衡,能够承载比D5价值优化型号更高的混合与性能敏感型读取工作负载。从固件优化策略来看,D7-P5520更加注重数据中心和企业级实际应用环境中的混合读写工况,尤其是常用队列深度下的延迟表现。

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D7-P5520的主控、NAND闪存、固件等关键组件完全由Solidigm掌控,第三方组件则经过额外质量检查与全面的内部验证。增强型断电保护设计防护突然断电重启对数据完整性的影响,端到端数据路径保护能够防止静默错误对数据的破坏。

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尽管对于Solidigm来说D7-P5520是一款新产品,但我们前面也提到Solidigm是站在巨人的肩膀之上,就在D7-P5520尚未正式推出之前就已获得字节跳动的采用。Solidigm D7-P5520已经于今年3月正式在字节跳动的服务器中上线部署,帮助字节跳动数据库和云软件定义存储业务获得33%性能提升。此外D7-P5520还将被应用于字节跳动旗下火山引擎的企业级服务中。

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