Технологии HDD: "Эволюция SSD" зачем нужны такие скорости?⁠⁠

Скорости твердотельных накопителей растут семимильными шагами. Технические характеристики современных моделей на порядок превосходят таковые у SSD десятилетней давности. Но действительно ли они в разы быстрее? Везде ли есть толк от таких скоростей, или обычный пользователь их может попросту не заметить?

Как росли скорости SSD и их интерфейсов

Первые потребительские SSD появились на рынке еще в конце 2000-х годов. Они имели небольшие объемы, а линейные скорости многих моделей лишь слегка превышали возможности жестких дисков. И хотя твердотельные накопители могли заметно ускорить работу ОС и программ, на момент появления мало кто бежал за новинками в магазины — уж слишком они были дороги, да и надежность моделей в первые годы оставляла желать лучшего.

Дебютные модели SSD, как и жесткие диски того времени, работали через интерфейс SATA2. На практике он позволял достигать скоростей до 280 Мб/c. С 2011 года стали появляться модели с интерфейсом SATA3. Он удваивал возможности предшественника, предоставляя полосу до 560 Мб/c. Но вскоре флэш-память уперлась и в этот потолок: ее возможности росли не по дням, а по часам.

Тогда начались первые эксперименты производителей SSD по переходу на шину PCI-E. Им сопутствовал вскоре появившийся стандарт SATA Express. Но ни то, ни другое не сыскало особой популярности: такие накопители были дороги, а ограниченная совместимость с материнскими платами поставила крест на их массовом распространении.

В 2014 году дальнейшее развитие SSD определило появление разъема M.2 — сначала в ноутбуках, а затем и в десктопных материнских платах. С его помощью можно было реализовать как интерфейс PCI-E, так и SATA. А ограничения последнего снял вовремя подоспевший протокол NVMe: в отличие от предшественника AHCI, он обладал практически неограниченной глубиной очереди и количеством возможных одновременных запросов. В 2015 году была выпущена массовая платформа Intel LGA1151, открывшая эпоху NVMe-накопителей. Слоты M2 с режимом работы PCI-E 3.0 x4 перестали быть редкостью, открывая пользователям поддержку SSD со скоростями до 3.6 Гб/c.

В середине 2020 года AMD перехватила эстафету, запустив первые чипсеты для платформы AM4 c поддержкой PCI-E 4.0. На них впервые можно было задействовать твердотельные накопители со скоростью до 7.2 Гб/c. А в конце 2021 года стала доступна платформа Intel LGA1700, с которой впервые стало возможным (пусть и не без костылей) реализовать подключение SSD с еще вдвое более быстрым интерфейсом — PCI-E 5.0.

А что же сами накопители? С распространением NVMe-моделей их скорости планомерно начали расти от 2 Гб/c, достигнув невероятных 14 Гб/c к сегодняшнему дню. В итоге за последние 10 лет SSD ускорились практически на порядок.

Что влияет на производительность системного накопителя

При работе операционная система взаимодействует с огромным количеством небольших файлов. В эпоху жестких дисков части этих файлов находились вразброс по поверхностям их «блинов». Для того чтобы считывать их и параллельно успевать записывать новые данные головки HDD были вынуждены все время двигаться. Поэтому случайные операции с мелкими блоками вносили ощутимую задержку, и в разы роняли скорость передачи данных по сравнению с линейным чтением или записью.

К счастью, программное обеспечение тех лет не было особо требовательно к этому параметру. Им было можно пользоваться относительно комфортно и с системным жестким диском. Но даже тогда первые твердотельные накопители всколыхнули компьютерный мир, заставив софт заметно ускориться. И причина тут совсем не в высоких линейных скоростях SSD, а именно в скоростях случайного доступа к мелким блокам. В твердотельных накопителях нет движущихся частей, поэтому доступ ко всем данным во флэш-памяти осуществляется с одинаково низкой задержкой. Это позволяет в разы сократить время, необходимое для случайных операций с мелкими блоками, и поднять их скорости на недостижимую для жестких дисков планку. Поэтому с любым SSD (даже старым, сравнимым по линейным скоростям с HDD) софт будет устанавливаться и запускаться заметно быстрее, а время его отклика при работе будет гораздо меньше.

Со временем программное обеспечение становилось требовательнее к дисковой подсистеме, а твердотельные накопители распространялись все шире. Разработчики ПО приняли это во внимание, потихоньку перестав оптимизировать программы для запуска с жестких дисков. Окончательную точку в этом вопросе поставило появление в 2015 году операционной системы Windows 10: ее все еще можно было установить на HDD, но «тормозов» при работе тогда было бы не избежать.

Это привело к тому, что к сегодняшнему дню «твердотельники» стали безальтернативным видом накопителей для установки ОС и программ. Однако случайное чтение мелких блоков у SSD хоть и быстрое, но все еще ограниченное производительностью чипов памяти и контроллера. Поэтому с их совершенствованием растут не только линейные, но и случайные мелкоблочные скорости. Причем интерфейс тут бутылочным горлышком совсем не становится: даже лучшие современные SSD в таком сценарии обеспечивают лишь чуть больше 100 Мб/c при чтении в один поток.

Сравнение скоростей в разных задачах

С появлением каждого нового поколения интерфейса производители накопителей торопятся как можно быстрее выпустить SSD с его поддержкой. Ну и куда же без рекламных лозунгов: быстрее, выше, сильнее! В качестве аргументов обычно приводятся тесты в различных бенчмарках — например, CrystalDisk Mark.

Эффектно, не так ли? Особенно если смотреть на первые две полоски, которые показывают линейные скорости. Однако именно они могут быть востребованы только в специфичных сценариях — вроде импорта или экспорта больших объемов видео при монтаже. И тут ждет следующий подводный камень: современные накопители долго поддерживать такие скорости при записи не умеют. Обычно на них выделяется максимум треть от свободного объема диска — так работает SLC-кэширование. Поэтому часть SSD для достижения таких скоростей на нужном объеме придется держать пустым.

А вот прочитать весь объем без падения производительности — пожалуйста. Правда, придется придумать сценарий для линейного чтения с такой скоростью в домашних условиях. Может, оно пригодится для загрузки игр?

Для современных проектов действительно рекомендуется использовать SSD, чтобы избежать долгих загрузок и просадок производительности во время игры. По сравнению с жесткими дисками разница зачастую колоссальная, а вот «сорта» SSD между собой отличаются мало. И если переход на модели с PCI-E 3.0 в этом случае еще как-то оправдан, то от скоростей PCI-E 5.0 тут уже практически ничего не меняется — в данном случае производительность упирается в процессор и скорость ОЗУ системы. Высокие линейные скорости могут пригодиться при копировании крупных файлов. Но куда и откуда их копировать в случае с SSD PCI-E 5.0, чтобы добиться таких скоростей? Правильно, только со второго такого же SSD. Однако даже в этом, крайне притянутом за уши случае, разница будет существенна по сравнению с SATA SSD, но не с накопителем на базе интерфейса PCI-E 3.0.

А скорости случайного доступа к мелким файлам, как уже упоминалось, от поколения интерфейса не зависят. Тут все упирается в контроллер и чипы памяти твердотельного накопителя. Поэтому не исключены случаи, когда топовые SSD с PCI-E 3.0 могут оказаться наравне с моделями на базе PCI-E 5.0. Например, при установке программного обеспечения нас ждет примерно следующая картина:

Линейные скорости твердотельных накопителей нельзя напрямую сопоставлять с их производительностью в реальных задачах. Скорость установки, запуска и отзывчивости операционной системы с программами зависят от производительности работы SSD с мелкими блоками, которая не находится в прямой зависимости от линейных операций и скорости интерфейса.

Играм тоже не нужны такие скорости, потому что время их загрузки упирается в другие компоненты системы. По крайней мере, на данный момент. C повсеместным внедрением технологий DirectStorage и RTX IO, призванных устранить узкое место в виде процессора, быстрые накопители смогут дать определенный прирост. Но, во-первых, до этого еще далеко — DirectStorage была представлена еще три года назад, а толку в единичных проектах с ее поддержкой до сих пор почти нет. Во-вторых, даже если прирост и будет заметен, то только при сравнении SSD с интерфейсом PCI-E 5.0 и морально устаревшим SATA. Накопители с PCI-E 3.0 и PCI-E 4.0 от «старшего брата» вряд ли отстанут.

Где же тогда могут пригодиться рекламируемые тысячи мегабайт в секунду? В домашнем использовании таких сценариев немного. Разве что монтаж продолжительных видеозаписей высокого разрешения, да копирование большого объема информации. Причем во втором случае для этого понадобится второй накопитель с хотя бы близкими скоростями, что совсем далеко от реальных ситуаций.

При этом нужно не забыть о поддержке быстрых накопителей платформой. Сегодня интерфейс PCI-E 5.0 для SSD в полной мере доступен только на Intel LGA1851 и AMD AM5. На топовых платах платформы Intel LGA1700 тоже можно встретить слоты с его поддержкой, но при этом нужно учитывать — их использование отнимет половину линий PCI-E у видеокарты.

Пока накопители с PCI-E 5.0 заметно дороже своих сородичей. Но рано или поздно любая технология становится массовой. В 2020 году можно было то же самое сказать о SSD с интерфейсом PCI-E 4.0, а сегодня они продаются по вполне демократичным ценам. Но, что самое важное, у новых моделей понемногу растет и скорость случайных мелкоблочных операций. Именно благодаря этому параметру они становятся быстрее, хотя это и не так заметно. Поэтому особого смысла выбирать SATA SSD на сегодняшний день уже нет — разве что для апгрейда старых систем, где отсутствует слот M.2 с поддержкой NVMe-накопителей.