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        新技術回饋經典產品:三星970EVO Plus深度對比測試

          隨著英特爾第12代酷睿的問世,NVMe SSD全面進入PCIe 4.0時代,但PCIe 3.0 SSD并沒有因此失去價值。在新主控和新閃存技術反哺之下,PCIe 3.0時代的經典旗艦產品性能得以再進一步。

        新技術回饋經典產品:三星970EVO Plus深度對比測試

          新技術回饋經典產品:

          在980PRO問世之后,三星又推出了DRAMLess無緩存方案的980系列,唯獨不見介于二者之間的980EVO身影。其實“980EVO”早已降臨市場,它就是新版970EVO Plus:采用了980PRO同系列EPLIS主控、以及同代V6 12x層堆疊TLC閃存。

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          5月產的為舊版本,6月產的是新版本。背面對比:帶有SAMSUNG SSD字樣的是新版本。

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          不過SSD命名受到產品營銷等諸多方面的影響,最終市場沒有迎來980EVO,而是新版970EVO Plus從內到外的改變。最直觀的就是PHOENIX主控升級為ELPIS主控。新主控跳過10nm直接進入8nm工藝,一躍成為當前工藝制程最先進的消費級SSD主控,對降低發熱、減少過熱引發的限速將有很大幫助。

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          在24度室溫、關閉所有節能特性后,新版970EVO Plus 1TB待機溫度41度,而老版970EVO Plus 1TB的待機溫度比新版高出5度左右。這是8nm新工藝帶來的變化之一。

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          ELPIS主控也被應用在PCIe 4.0旗艦型號980PRO當中,支持更高的128個IO隊列,是PHOENIX主控的四倍。新版970EVO Plus中使用的是帶有PCIe 3.0 PHY的ELPIS,除了不支持PCIe 4.0接口外,更智能的SLC緩存算法、更精細的溫控算法都得到保留,這些也是來自PCIe 4.0旗艦的技術紅利。

          通過IOMeter對新老兩款三星970EVO Plus 1TB進行128KB QD32順序讀取滿載壓力測試,利用HWiNFO64進行記錄。通過這個測試可以看到新舊兩版本970EVO Plus在溫控算法上的差異。

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          分析數據結果可以看到,新版970EVO Plus的滿載溫度比舊版低7度,并且性能更強。在600秒左右的測試過程中,新版比舊版多讀取了303060MB的數據,平均下來每秒比舊版快500MB/s以上。

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          新版970EVO Plus的主控本身發熱量比舊版小,而且固件中的溫度控制算法更加智能,不會引發劇烈的速度波動,整體性能明顯優于老款。

          閃存大容量化的陣痛:

          如果說新版三星970EVO Plus是全面升級,肯定會有很多網友反對。用512Gb die替換256Gb die導致SLC緩存外寫入速度下滑是新版970EP的最大痛點,而這是閃存大容量化發展路上的一個不可避免的陣痛時期。下圖是新舊兩版本970EVO Plus 1TB的閃存顆粒對比,左為新版,右為舊版。

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          一方面,由于主控能夠管理的CE數量有限,大容量SSD需要使用更大的閃存die。另一方面,更大的閃存die在成本上具有優勢,未來選擇512Gb die的SSD會越來越多。如果同樣使用V6 12x層堆疊3D TLC NAND閃存的新版970EVO Plus無法和PCIe 4.0旗艦的980PRO充分地拉開價差,恐怕玩家會很難接受。

          從2020年Tech Insights的一份報告中可以看到,鎧俠和SK Hynix的512Gb TLC的單位容量成本要比256Gb TLC低不少。當時的三星92層3D TLC是個例外,512Gb成本和256Gb差不多。不過大的發展趨勢應該是明確的,高密度閃存在增加SSD容量的同時可以降低每GB容量的價格。

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          不過高密度閃存也有不足,同代閃存當中512Gb die的寫入性能、讀取延遲通常都不如256Gb die。以鎧俠BiCS3為例,256Gb的讀取延遲為67us,512Gb延遲增加到90us、256Gb的編程延遲2.3ms,512Gb增加到3.3ms,體現在測試成績上就是SLC緩存外寫入速度降低和4K讀取速度下降。

          新版三星970EP是用12x層堆疊的512Gb die更換上一代9x層堆疊256Gb die,同時又有8nm Elpis主控升級加持。最終在SSD層面上,讀取延遲這項直接關系到使用體驗的性能指標不但沒有劣化,反而得到了提升。

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          上圖為三星970EVO Plus 1TB新舊對比,下圖為三星970EVO Plus 2TB新舊對比,左為新版,右為舊版。

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          至于SLC緩存外的寫入速度,以1TB容量為例, PCIe 3.0主流級SSD每秒寫入數據量通常為0.0005倍全盤容量,PCIe 3.0旗艦級通常為0.001倍全盤容量,PCIe 4.0旗艦接近0.002倍全盤容量。

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          新版970EP依然處于它所在定位的正常水平之上,只是固件的SLC緩存釋放前置(SLC緩存用完就開始釋放,而不是等空白塊全部用盡才開始),所以通過HDTune文件基準測試才會得出偏低的成績。

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          同時我們也要看到,上面的SLC緩存理論測試跟實際使用情況是有些脫節的。SSD作為系統盤很少會遇到一次寫入上百GB數據的情況,所以還是需要從實際應用出發去看待問題。

          PCMark 10完整系統盤基準測試:

          PCMark 10完整系統盤基準針對當代最新固態硬盤的廣泛測試,涵蓋了系統開機啟動、Adobe設計套件應用、Office辦公套件應用、圖片/ISO文件拷貝復制、多個游戲加載過程等測試內容。測試需要至少80GB的硬盤空間,單次測試產生的寫入量達到204GB,復雜度超過了PCMark 8存儲測試。

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          導出詳細測試數據后我們重點分析Windows 10系統啟動、游戲加載、以及日常辦公部分的內容,這些都是PC系統盤最常見的工作負載。

          Windows開機啟動過程是典型的IO密集型工作,SSD會在很大程度上影響開機速度。通過對比不難發現,新版970EVO Plus的性能明顯優于舊版:

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          游戲加載過程同樣有SSD的大量參與,PCMark 10完整系統盤基準中包含了戰地5、使命召喚15和守望先鋒三個游戲的加載過程,對比可發現很多信息:1.老版970EVO Plus 2TB的性能略低于老版970EVO Plus 1TB,在容量提升的同時性能略有降低;2.新版970EVO Plus 2TB的性能和新版970EVO Plus 1TB相比基本一致,還略有提高;3.新版970EVO Plus整體優于老版本。

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          Adobe設計軟件的測試項目分成了加載和應用兩部分,加載部分和游戲項目的情況類似,都是新版比舊版快,新版2TB容量沒有舊版的性能問題,速度比1TB容量更快。

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          Adboe設計軟件的應用部分出現一個小小的意外,在印刷和數字媒體排版軟件InDesign使用過程中,老版970EVO Plus比新版更快,其他項目如Photoshop輕負載/重負載、Illustrator應用、Affter Effects應用,都是新版比舊版快。

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          SLC緩存深入測試:

          上面的PCMark 10完整系統盤基準測試是在空盤條件下進行的。由于新版970EVO Plus擁有比舊版大2.7到2.85倍的SLC緩存容量,或許有朋友會質疑空盤測試的說服力。接下來我們就詳細分析ELPIS主控下新版970EVO Plus的SLC緩存策略。

          新版970EVO Plus 1TB空盤時的SLC緩存容量為114GB,而舊款1TB是42GB。

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          50%半盤容量測試:

          測試的第一步是使用IOMeter生成不可壓縮數據,向970EVO Plus填充一半空間,休息過后新舊兩個版本970EVO Plus 1TB的CrystalDiskMark測速都能恢復到和空盤時相同的水平(左新版,右舊版):

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          半盤狀態下新版970EVO Plus 1TB的可用SLC緩存容量依然是114GB。

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          舊版當然也沒有變化,仍然是42GB:

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          70%空間使用率測試:

          繼續利用IOMeter向盤內填充更多不可壓縮數據,直至全盤空間使用率達到70%的高占用水平。空閑休息使SLC緩存自動釋放,CrystalDiskMark測速同空盤時基本一致(左新版,右舊版):

        新技術回饋經典產品:三星970EVO Plus深度對比測試

          70%空間使用率狀態下新版970EVO Plus 1TB的可用SLC緩存容量變為67GB左右,仍然大于舊版的42GB。

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          80%空間使用率測試:

          繼續增加難度,使用IOMeter將盤內空間使用率推高到80%的水平,此時盤內剩余空間為186GB左右。在這種近滿盤狀態下新版970EVO Plus 1TB的SLC緩存釋放策略更加積極,CrystalDiskMark的一些測試項目成績開始受到緩存釋放的影響,但整體上依然優于舊版表現。

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          80%空間使用率狀態下新版970EVO Plus 1TB的可用SLC緩存容量變為6GB左右,容量同舊版持平。

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          80%及更高空間使用率下無論是新版還是舊版,都已經變為固定SLC緩存模式。此時新版970EVO Plus 1TB在寫入速度上的劣勢應該是徹底展現出來了。那么實際應用性能會有怎樣的變化呢?我們還是使用PCMark 10完整系統盤基準測試來驗證:總成績上來看新版依然比舊版高。

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          下面導出詳細測試數據進行分析。

          新版970EVO Plus 1TB在盤內空間使用率超過80%后,系統啟動性能會出現下滑,但依然比舊版快:

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          對于新版三星970EVO Plus 1TB來說,截止到70%空間占用率時,游戲加載性能以及Adobe設計軟件啟動性能依然同空盤時一致。在達到80%空間占用率后,新版970EVO Plus的性能下滑,但同舊版相比基本仍在同等水平上。

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          Adobe設計軟件使用過程中,新版970EVO Plus 1TB在空間使用率達到80%之后,同舊版相比互有勝負。

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          簡單總結一下,盤內空間使用率在80%以下時,新版970EVO Plus全面領先于舊版;盤內空間使用率大于80%時,新版和舊版的性能表現幾乎不分上下。

          以上都是1TB容量下的對比,2TB型號的情況相對簡單一些。新版970EVO Plus 2TB的緩存容量更大,而且緩存外寫入速度也和舊版一樣,甚至更高一些。

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          SLC緩存技術的發展:

          三星840EVO首創用TLC模擬SLC來提升SSD爆發性能的TurboWrite技術,SLC緩存現在已經成為幾乎所有消費級固態硬盤的標配特性。從其發展歷史來看,基本可以分為固定SLC緩存、全盤SLC緩存、動態SLC緩存等若干階段。固定SLC緩存的算法最為簡單,僅使用OP預留空間的閃存空白塊模擬SLC,閃存磨損均衡也較為容易,但緩存容量較小,爆發力不足。

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          在固定SLC緩存之后又流行起了全盤SLC緩存,這是一種激進的緩存策略:將SSD內全部閃存空白位置用于模擬SLC供寫入使用,優點是緩存容量最大化,缺陷是緩存用完后的性能懲罰嚴重:SSD需要邊釋放邊寫入新數據,性能一致性不好。

          動態SLC緩存介于二者之間,它可以超過OP預留空間范圍去借用用戶空間,但固件主動限制了SLC緩存的總容量,以避免后期出現嚴重性能懲罰。比如鎧俠RD20以及大部分群聯公版固件的1TB容量NVMe固態硬盤最大SLC緩存容量限制為24GB、舊版三星970EVO Plus 1TB的最大SLC緩存容量限制為42GB。

          從980PRO開始,三星推出了緩存容量更大的TurboWrite 2.0技術,1TB型號可以提供超過100GB的SLC緩存,在提升爆發寫入性能的同時還通過算法優化減少了速度波動,使得使用體驗更加順滑。隨著ELPIS主控的應用,TurboWrite 2.0也進入到新版970EVO Plus當中。

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          總結:

          新版970EVO Plus在主控和閃存兩端都應用了源自980PRO的新技術。盡管新版出于產品定位需要而采用了512Gb die,SLC緩存外寫入速度略有遺憾,但從整體上來看,新版970EVO Plus 1TB在實際應用中的表現比舊版產品更好。如果對存儲空間的需求較高,選擇2TB容量的新版970EVO Plus可以徹底打消你的全部疑慮。

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