国产工业级VS家(商)用NVMe SSD固态硬盘速度测评 |
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FPGA实现高带宽NVMeSSD读写——纯逻辑实现
测试背景测试平台测试方案连续数据读写测试1GB覆盖读写测试SSD分段测试测试中时间基准
测试硬盘硬盘测试结果数据总览单盘测试结果三星960PRO三星980PRO至誉忆芯2TB忆芯1TB七彩虹爱国者致态
分段读写测试
测试分析结语声明
测试背景
工业级SSD的价格是普通家(商)用盘的几倍,甚至十倍之多,是智商税吗? 我们使用自主设计的FPGA纯逻辑的高带宽NVMe SSD读写IP,测试市面上常见的三种家(商)用硬盘和忆芯、至誉两款工业硬盘以及三星PRO系列硬盘的性能数据并进行比较,使用逻辑扇区的方法对几款NVMe 硬盘进行了总平均及分区测速。同时,也据此测定了IP的实际读写性能。在之前的帖子中提到了我们自主设计了一个FPGA纯逻辑实现的高带宽NVMe SSD读写的IP(FPGA实现高带宽NVMeSSD读写——纯逻辑实现_ARTBES的博客-CSDN博客),本文是上一个帖子的详细测试数据,详细给出了基于此IP,市面上常见的家(商)用硬盘和忆芯、至誉两款工业硬盘以及三星PRO系列硬盘的性能数据并进行比较。 测试平台为测试IP模块的读写性能,以NVME Host IP为核心,利用一个MicroBlaze实现测试数据的写入及读出,并使用一段DDR4存储空间作为NVME读写数据的缓存空间,即将需写入NVME SSD的测试数据提前送至DDR4,或是存入从NVME SSD读出的数据。此外,MicroBlaze还为IP提供NVME SSD硬盘所需的读写控制信号R/W、SLBA、NLB以及IP开始工作的Start信号。 MicroBlaze通过AXI Bridge与存储队列控制器一起连接至DDR Controller,使用GPIO模块送出相应的控制信号及数据。此外,该MicroBlaze下挂了一个AXI Timer模块,通过IP实时反馈信号以进行数据传输的实时测速。 整个系统的实现,与之前的几个帖子相同,仍然使用Xilinx官方开发板ZCU106和FMC NVMe SSD转接卡。与之前方案的区别在于之前的系统中的NVMe协议由PS中的ARM处理器实现,受限于ARM处理器的速度,协议NVME解析过程中有一定的耗时。新IP设计了一个独立模块以实现NVMe Host的功能,并使用ZCU106主芯片ZU7EV内部集成PCIe RC硬核,完成PCIe协议层。 测试方案为了比较不同SSD硬盘性能,我们除使用三星的两款专业SSD(PRO系列)外,还使用了致态、爱国者、七彩虹市场的三款热卖家(商)用硬盘以及忆芯和至誉两款国产工业硬盘作为测试对象,并展示一下市场家(商)用SSD的性能与三星PRO系列以及国产工业盘的对比。为了进一步提高测试数据的精度,我们使用了一套较之前更精准的测试方案对读写性能进行测试及对比。 连续数据读写测试为了比较不同SSD硬盘性能,我们除使用三星的两款专业SSD(PRO系列)外,还使用了致态、爱国者、七彩虹市场的三款热卖家(商)用硬盘以及忆芯和至誉两款国产工业硬盘作为测试对象,并展示一下市场家(商)用SSD的性能与三星PRO系列以及国产工业盘的对比。为了进一步提高测试数据的精度,我们使用了一套较之前更精准的测试方案对读写性能进行测试及对比。 1GB覆盖读写测试当连续数据读写出现速度大幅度变化时,向SSD同样位置反复读或者写1GB数据重复1000次。该测试主要用于判断温度对硬盘读写速度的影响。 SSD分段测试使用5GB的数据块,分别向SSD不同的起始位置写入及读出数据,计算性能参数。该测试主要考察在SSD的不同位置,其读写性能是否一致,且分别是多少。在该测试中,只计算每次完成5GB数据传输所需的总时间,即分别记录传输开始和结束时的计时器读数,进而计算得到该数据传输的平均速度。 测试中时间基准为更精准的测得实际性能,采用了独立的测试支路的方式。即系统正常进行读写操作,在读写的同时发出指示信号。测试支路实时读取指示信号,并计算读写时间及对应性能。这种测试方式,主读写过程完全不受测试的影响,测试支路与主读写过程完全独立。 测试支路使用MicroBlaze外挂AXI timer计时器的方式进行时间计数。NVME Host IP在每读写1GB时给出标志信号。测试支路使用MicroBlaze持续检测标志信号,当读取到每个1GB的标志信号后对应读取计时器读数,两个相邻1GB标志信号的计时器读数差即是该1GB数据读/写所耗费的时间。考虑NVME内部数据传输命令执行的非顺序性,数据传输命令发起至结束的时间消耗,MicroBlaze读取AXI timer计时器的时间开销等因素,测试中最初及最后的1GB速度会存在一定误差,因此在1000GB的连续读写测试中给出的速度为每次测试中,第二个1GB,第三个1GB……的实时速度。 为验证测试平台中,MicroBlaze检测信号的实时性,MicroBlaze每次读取AXI Timer的通信过程以及计时器每次响应的一致性,单独进行了一次测试平台的时间基准验证试验,用测试平台及环境去测试一个标准的信号源以验证测试平台的准确性及精度。使用一个独立的硬件计数器每1s发出一个高电平信号,与测试中每次的1GB数据信号一致,使用测试平台及对应的控制软件测试硬件计数器所生成的时间及计算对应的带宽(假定每次计数对应的数据为某个固定数值)。测试系统连续运行1000次,每次得到的时间及带宽数据(整数)均完全一致。因此,该验证可以证明本次测试中所使用的测试平台及算法/软件是可靠的,满足测试中数据精度的要求。 测试硬盘我们选择了作为标杆的三星980PRO、960PRO,市面上常见的家用硬盘致态TiPlus7100、爱国者P7000、七彩虹NEW CN700 PRO,以及至誉 PI4、忆芯 Starblaze几款硬盘,以下是几款硬盘的具体型号和图片: 三星960PRO 型号:MZ-V6P512,容量:512GB。 三星980PRO 型号:MZ-V8P2T0,容量:2TB。 忆芯Starblaze 型号:S1200ITT2-T2M22T-C1,容量:2TB。(后续称为忆芯2TB) 忆芯Starblaze 型号:SDH1K-YGB-M2D01T0-S,容量:1TB。(后续称为忆芯1TB) 至誉 型号:PI4 EXP4M9A0038ZAN8100,容量:3840GB。 七彩虹 型号:CN700 2TB PRO CK4S1C,容量2TB 爱国者 型号:P7000,容量2TB 致态 型号:TiPlus7100,容量2TB
本次测试中,多了一个新面孔,至誉科技(武汉)有限公司。至誉科技(武汉)有限公司是国内从事工业级闪存存储、企业级固态硬盘 (SSD) 及影视级存储卡制造商,包括企业级和工业及 PCIe NVMe 和 SATA-III 固态硬盘、CFast 及 CFexpress 存储卡,及 DRAM 内存等产品。至誉的NVME SSD采用了自适应温控 (Adaptive Thermal Control™) 技术可针对高性能 PCIe NVMe 闪存存储装置中的过热及降速问题提供解决方案,在性能及功耗之间取得较好的平衡。此外至誉硬盘还采用了SuperCruise™技术,可以透过优化存储写入速度,达到极高的稳定性,确保在严苛应用中保持稳定的写入。 关于测试中得到的数据,每个硬盘都是首先使用不同队列深度进行测试后,选取其中性能最优异的队列深度,再在该队列深度条件下,连续测试三次,从而观测硬盘数据传输的稳定性。在此基础上最后求取了三次的均值以进行硬盘间的速度直观比较。 数据总览
三星980PRO在200GB以前的写入速度大约在2.9GB/s,在200GB以后速度下降到了大约1.5GB/s。980PRO写入速度的下跌在之前的测试是没有的。 经过多次测试,现象依旧。本着如实反映实际测试结果的原则,我们将实际结果列出; 三星960PRO的写入速度则一直稳定在2.0GB/s。 三款国产工业硬盘,至誉硬盘的写入速度稳定在2.6GB/s,忆芯2TB硬盘写入速度约在2.3GB/s,忆芯1TB写入速度约在1.5GB/s。 整体而言,三款工业盘和三星960PRO的写入速度稳定,确实撑得起工业盘的头衔。
特别要说明的是,以上数据是三次测试数据做均值,仅仅是一个整体性能的平均体现。整体上,七彩虹的硬盘的性能表现比较好一些,其平均写入速度的跌速不大。在三款家(商)用硬盘的测试中,以1GB为单位衡量的写入速度波动还是比较大的,这就需要进一步的详细展示每块硬盘每次的测试结果。 单盘测试结果 三星960PRO
关于写盘速度下降现象,980PRO在测试中还有另一个奇特的现象:当我们前一次测速出现速度下降的状况之后,立刻进行下一次测速时,第二次测速在硬盘写入十几GB数据时就开始速度下降。我们同样也进行了反复写相同位置1GB重复1000次的实验,不存在速度下降现象。因此由于长时间连续写入导致温度过高,进而跌速的说法似乎也不太成立;此外我们也对三星980PRO硬盘进行过低温(低于0度)环境下写入实验测试,与常温下测得的结果完全相同,出现了写入跌速。 在尝试测试温度因素对写入速度的影响后,我们也使用windows系统对三星980PRO硬盘进行了格式化,拷贝大文件、读出等一系列文件存取操作后,将硬盘分区删除,再次测试,所得结果仍然不变;我们也使用三星官方硬盘检测软件Samsung Magician进行测试,结果显示硬盘无错误,正常。由于我们手中的硬盘数量有限,我们目前仍难以确定速度下降的具体原因,或许是这个盘由于长期使用而出现了老化导致性能下降。 至誉
至誉硬盘读盘最大速度为2463MB/s,最低速度为2435MB/s,波动范围不足100MB/s,稳定性极高。从这个测试结果来看,厂家开发的自适应温控(Adaptive Thermal Control™)和SuperCruise™技术确实发挥了良好的热-速度控制效果,并带来了卓越的性能。因此,在需要高写入速度而不受读取速度影响的工业环境中,至誉SSD硬盘是更合适的选择。 忆芯2TB
七彩虹硬盘在读盘方面,整体速度约为3.0GB/s,读出速度最大值为3010MB/s,读出速度主要在2950MB/s以上波动,波动仅为60MB/s。个别时刻(4-5次/1000次)读速跌至2874MB/s,即使这样,读速整体波动范围不超过200MB/s,可以认为七彩虹硬盘在读盘方面稳定性还是比较高且稳定的。 爱国者
爱国者硬盘在读取速度方面,在600GB以前,速度约为3.0GB/s,其中最高速度约为3053MB/s,最低速度约为2978MB/s,波动速度不超过100MB/s,稳定性较高;随后在600GB附近下降到2.7GB/s,最高速度为2732MB/s,最低速度是2664MB/s,由此可见虽然速度下降了但稳定性仍然较高;在大约850GB附近速度再次下降,约为1.4GB/s,此部分速度中最大值为1462MB/s,最小值为1440MB/s,仍然较为较为稳定。我还对爱国者硬盘进行了反复读取1GB数据的测试,发现存在速度下降的现象。为了验证温度是否为影响读盘速度的因素,我们进一步进行了低温测试(0℃),验证温度对读取速度的影响。从测试结果中可以看出,在低温测试过程中,同样读取1000GB的数据,速度完全没有出现下降的现象。通过该低温测试验证了爱国者硬盘在大数据量的读取过程中,速度受温度影响较大。如果对该盘做额外的主动散热处理,预期其读出速度有较好的表现。 致态
致态硬盘读盘的整体速度在3.0GB/s附近,速度最高值为3046MB/s,最低值为2947MB/s,波动范围约为100MB/s,且从波形图中肉眼可见,在400GB之前只有少数几次波动且最低值为3002MB/s,速度波动相对较小仅为44 MB/s,而400GB以后速度波动更加频繁且范围更大,最大达100MB/s。整体而言,致态硬盘的读出性能较好,波动较小。 分段读写测试
分段读的速度则普遍要高一些,其中三星980PRO和三星960PRO的读盘速度都是高于3.1GB/s,忆芯2TB的读出速度也是接近3.1GB/s,爱国者、七彩虹、致态三款硬盘的读出速度则是略高于3.0GB/s,至誉和忆芯1TB的读出速度虽然较慢也都略高于2.5GB/s。与分段写测试结果类似,整体上,在分段读的测试中,每款硬盘的表现都非常稳定,速度波动较小。连续写入中的速度波动和写入位置无关,只是和数据量大小相关。 由于测试方式不同,分段读写测试与实时测速所得结果可能存在轻微差距,但总体来说仍然在可控范围内。在不同的起始读写位置下,均表现相似,没有发现写入数据位置对写入速度有明显影响的情况。在分段测试中,写入速度的最大值为三星980 PRO的2965MB/s,读出速度的最大值为三星960 PRO的3125MB/s。因此,我们认为NVME Host IP的写入硬盘性能不低于2960MB/s,读取硬盘性能不低于3125MB/s,这正是我们在上一篇帖子中提到的IP速度。 测试分析根据上述结果,我们可以总结出以下结论: 首先,就家用硬盘而言,通常只需进行小数据量的传输。因此,家用硬盘的特点是在小数据量的读写时速度较快,但在处理大数据量时可能会出现速度降低或波动的情况。当进行大数据传输时,为了确保数据不丢失,硬盘性能往往选择传输速度的最低值,这也导致了家用硬盘难以胜任大数据读写任务的繁重压力。相对而言,工业级硬盘虽然最高速度可能低于家用硬盘,但更加稳定,其最低速度也普遍高于家用硬盘。一般来说工业级硬盘的价格都比家(商)用高出不少,这次的测试结果比较好的展示了两类硬盘的性能差距,解释了价格差的原因。 工业级硬盘中,国产的至誉及忆芯2T硬盘展现出较高的速度及较好的稳定性,可以称作是国货之光了。三星980PRO虽然在本次测试中出现了较大的写入速度跌幅,但是因为在我们之前的大量测试中均表现稳定,故也做推荐。有可能是长时间频繁的使用导致了该盘已接近其使用寿命而导致性能衰落。 在家(商)用盘中,七彩虹与致态的写入性能相近,都是在前300-400GB保持了一个较高的速度,其速度在15%内波动。七彩虹的读出性能相对其他两款家(商)用盘而言是比较稳定的,保持了一个较高的速度。 结语我们自主设计了一个FPGA纯逻辑实现的高带宽NVMe SSD读写的IP,为了测试IP的性能,使用市面上的高性能三星Pro系列盘、国产工业盘及三款热销家(商)用盘做实际读写速度检测,使用逻辑扇区的方法对几款NVMe 硬盘进行了总平均及分区测速。测试结果显示,某些型号的硬盘在较大数据量读写的情况下,会出现较严重的掉速,这个现象在家用硬盘中特别常见。某些型号的硬盘还存在速度与温度挂钩的现象,对于此类硬盘在使用时更加需要注意散热环境。 本次测试确定了IP的总体性能,写入硬盘时速度不低于2960MB/s,读取硬盘时速度不低于3125MB/s。此外,在对多款硬盘的测试中,两款国产硬盘工业硬盘表现令人惊奇。首先是至誉硬盘,其写入数据速率能够达到2.5GB/s,并且在进行大数据量测试时仍然可以保持稳定,其速度远高于三星960PRO,但较980PRO还存在着一定差距。稳定的2.5GB/S的读写速度已经能够满足大部分需求,且不需要像980PRO一样额外降温,综合性能十分优异。从这个测试结果来看,厂家开发的自适应温控 (Adaptive Thermal Control™) 以及SuperCruise™技术确实起到了较好的热-速度控制效果,并带来了较高的性能。忆芯2TB硬盘虽然速度略低,但写盘速度也可以达到2.3GB/s,而且数据读出速度可以到达3.0GB/s,可以满足大部分工业应用中高速数据存储的需求。 如果需要讨论,联系方式如下: 北京市可线下,地址:北京市海淀区中关村南大街5号北京理工大学。 非京可联系:Tel:13810602873(微信同号) E-mail:[email protected] 声明在本文的结尾,我们做如下声明:本次的测试仅仅是作为与该领域感兴趣的朋友交流之用。由于测试环境受限,有的硬盘的速度可能并没有达到该盘的最大值,测试结果仅代表我们在此次实验中的测试结果,不代表盘的最优性能。我们仅对某款型号的某块盘,基于FPGA平台,用自己的测试程序做了统一的、无差别的测试而得到了结果。我们仅对我们的方法及所用的盘负责,保证不出现虚假或是伪造的结果。但不是对市场上所有的该型号或类似的产品性能做出推断或推论。本文的数据发布出来,仅供大家参考。 |
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