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SSD 910是Intel的第一款PCIe插卡式固态硬盘,也是9系列SSD的第一款产品。通过采用PCIe接口,它提供了比传统SAS/SATA接口高得多的性能。

来源:ZDNetCBSi企业方案解决中心频道 2012年08月27日

关键字:SSD Intel SSD 910 固态硬盘

  说起企业级固态硬盘,Intel是一个较早的玩家,其早期采用SLC闪存芯片的X25-E就非常有名。和通常消费级固态硬盘使用的MLC芯片相比,SLC芯片在每个CELL里面仅保存了单位不是多位的信息,逻辑更加简单、内容更持久,因此从性能和可靠性方面来说都是企业级存储的首选。Intel的X25-E提供了200万小时的MTBF和1PB(32GB)/2PB(64GB)的耐久度。

Intel SSD 910企业级PCIE固态硬盘评测笔者在2010年测试的Intel X25-E 64G,50nm SLC芯片,属于Intel的第一代企业级固态硬盘,发布日期2008年Q4,代号Ephraim

  不过相比起消费级的产品来,Intel在企业级固态硬盘上的动作比较缓慢。从50nm的X25-M、34nm的X25-M G2和SSD 310/510,到25nm的SSD 320/520,Intel推出了非常多的消费级固态硬盘,而在企业级方面却一直没有动静,一直到Intel SSD 710横空出现,采用了25nm HET MLC芯片。SSD 710直接跳过了34nm工艺节点,改用MLC也让人颇为吃了一惊,虽然仍然提供了200万小时的MTBF,不过相对来说耐久度就不如从前了,100GB为900TB,200GB版本为1PB,300GB版本为1.8PB。

Intel 7系固态硬盘的第一款产品SSD 710,7系是Intel的企业级固态硬盘产品线,之前推出的3、5系均属于消费级产品Intel 7系固态硬盘的第一款产品SSD 710,7系是Intel的企业级固态硬盘产品线;710采用了25nm HET MLC,发布日期2011年Q3,代号Lyndonville

  早在上一年测试Intel采用新命名法后的首款企业级固态硬盘Intel SSD 710的时候,笔者就听到了Intel的第一款插卡式固态硬盘的消息。而在这之前,市面上已经有了不少的类似产品,最有名的可能数Fusion-IO的产品。Fusion-IO的固态硬盘均面向企业级产品线,在2009年的时,笔者测试过其一款叫做ioDrive的插卡式固态硬盘,容量为80GB,接口为PCI Express Gen1 x4,其速率为10Gb/s,显然要比普通的SAS/SATA 6Gb/s高出一截。

Intel SSD 910企业级PCIE固态硬盘评测
Fusion-IO ioDrive,笔者接触的第一款插卡式固态硬盘

  虽然步调慢了一些,不过Intel也清楚随着计算性能和SSD性能的不断提升,插卡式将是顶级固态硬盘的一个方向,当时Intel将其命名为SSD 720,列为710的后继产品,不过由于产品形态以及性能都有些明显的差异,最后它被改名自成一系,也就是本文中的SSD 910系列。显然,PCI Express接口比通常的SAS/SATA接口提供了更大的带宽,并且可以减少中间的连接转换层。一般的插卡式固态硬盘仅仅是将磁盘控制器和固态硬盘集中到一块PCIe插卡上,不过业界包括Intel在内均开始了进一步集成的研究,如T10/INCITS的SOP/PQI(SCSI over PCIe/PCIe Queuing Interface)以及Intel的NVMe(Non-Volatile memory Express),此外还有一些专有的方案,这些方案都将FTL(Flash Translation Layer,闪存转换层)与PCI Express界面集成到同一个控制器当中,或者干脆就用软件来实现FTL,因此比起传统的SSD其延迟大为降低,可以达到非常优异的性能水准。

Intel SSD 910企业级PCIE固态硬盘评测
Intel SSD 910固态硬盘,是Intel的第一款PCI Express插卡式固态硬盘,25nm HET MLC,发布日期2012年Q2,代号Ramsdale

  作为Intel的首款插卡式固态硬盘,SSD 910跟上面说的SOP、NVMe都统统没有关系。它是一款将PCI Express to SAS转换芯片以及SAS固态硬盘集中到一起的传统插卡式固态硬盘。尽管如此,它仍然提供了非常出色的性能,接下来我们可以看到。

  如前面所述,Intel SSD 910属于传统架构的PCIE插卡式固态硬盘,它将普通解决方案的PCIE to SAS芯片和多个固态硬盘集成到了一块PCIE插卡上,如下图所示:

Intel SSD 910企业级PCIE固态硬盘评测

Intel SSD 910 & 710
测试分组
类别 Intel SSD 910 SSD

Intel SSD 710 SSD

型号 SSDPEDPX800G3 SSDSA2BZ200G3
容量 800GB 200GB
读延迟 < 65 μs 75 μs
写延迟 < 65 μs 85 μs
MTBF 100万小时 200万小时
耐久度 10PB/14PB(4K/8K) 1.0PB(4K/8K)
磁盘控制器
型号 LSISAS2008(Intel SSD 910 SSD内置) -
规格 PowerPC 440 @ 533MHz -
主机接口 PCIe 2.0 x8 -
IO接口 SAS 6Gb/s x8 -
Flash控制器
型号 Intel EW29AA31AA1 Intel PC29AS21BA0
主机接口 SAS 6Gb/s SATA 3Gb/s
闪存接口 ONFI 2.0 66MHz ~
Flash控制器RAM
型号 Micron D9LHQ Hynix H55S5162EER-60M
规格 DDR2-800 SDRAM SDR166 SDRAM
容量 128MiB 64MiB
数量 16(4每控制器,共4控制器) 1
总容量 2GiB(512MiB每控制器,共4控制器) 64MiB
存储芯片
型号 Intel 29F32B08JCNE2 Intel 29F16B08CCME1
规格 Intel 25nm HET eMLC NAND Intel 25nm HET eMLC NAND
容量 16GiB 16GiB
数量 56(14每控制器,共4控制器) 20
总容量 896GiB(224GiB每控制器,共4控制器) 320GiB
标称容量 800GB(200GB每控制器,共4控制器) 200GB

Intel SSD 910企业级PCIE固态硬盘评测

Intel SSD 910企业级PCIE固态硬盘评测

  半高、半长规格的Intel SSD 910,按容量划分规格有两种:400GB和800GB。接口是PCIExpress Gen2 x8,单向理论带宽为4GB/s。SSD 910的发布在Romley-EP之后,Romley-EP就是支持PCI Express Gen3的Sandy Bridge-EP平台,PCI Express带宽比上一代提高了近一倍,为什么SSD 910没有采用PCI Express Gen3接口呢?一方面4GB/s的速率确实足够了,另一方面,SSD 910开发的时候市面上并没有Gen3的PCI Express界面芯片。

Intel SSD 910企业级PCIE固态硬盘评测

  型号为SSDPEDPX800G3,"SSD"后两位"PE"代表了接口类型:PCI Express。作为对比,SSD 710的200GB型号为SSDSA2BZ200G3。

Intel SSD 910企业级PCIE固态硬盘评测

  背部主要是8颗Micron芯片以及一颗Cypress CY14B256LA-ZS25X1芯片,Micron芯片稍后会再说,Cypress的这个芯片是一块32KiB的nvSRAM,非易失性SRAM,平时当作普通的SRAM使用,系统掉电时可以保存其中的内容不会丢失。它用来搭配PCI Express to SAS控制器使用。

Intel SSD 910企业级PCIE固态硬盘评测

  整个SSD被分割为三层PCB,上面两层为NAND层,800GB版本使用两层,400GB版本使用一层就够了;最下面一层则为控制器芯片层,包含了PCI Express to SAS控制器芯片以及SSD控制芯片。PCI Express to SAS控制器被散热器覆盖住无法看到型号,不过操作系统将其认作LSISAS2008芯片——实际上也是这个型号。LSISAS2008是一个PCI ExpressGen2 x8接口的8端口SAS 6Gb/s控制芯片,内置一个533MHz的PowerPC 440处理器,性能强大,可以支持RAID 0/1/1E/10等功能。

Intel SSD 910企业级PCIE固态硬盘评测

Intel SSD 910的4个单元以及使用的LSISAS2008 SAS适配器;顺便一提,这台Xeon E5服务器并不是测试使用的平台

  由于元件繁多的原因,SSD 910的标称MTBF只有100万小时。SSD 710的标称MTBF为200万小时。

Intel SSD 910企业级PCIE固态硬盘评测

  SSD控制芯片型号为Intel EW29AA31AA1,这是Intel和Hitachi合作开发的SAS 6Gb/s接口的主控,在Hitachi的企业级SSD上就有使用。SSD控制芯片的数量一共为4个,因此Intel SSD 910 800GB呈现给用户的将是4个独立的200GB SSD;400GB型号提供的就是两个,因为它只有两个EW29AA31AA1芯片。每个芯片搭配4块Micron的D9LHQ(PCB背后还有一半的Micron芯片),DDR2-800规格的SDRAM,运行速率不详,容量为128MiB,这样,每个控制器就具备了512MiB的RAM作为Cahce,或者其它用途。

  提供4个独立的磁盘有点超乎了大众的想象,因为一般的SSD产品提供的都是单一的磁盘映像。尽管SSD 910使用的LSISAS2008芯片可以各种RAID功能,不过Intel并没有将它们提供给用户,甚至,连启动功能都没有!显然,SSD 910被定为于纯数据盘,将操作系统盘和数据盘分开是企业级应用一贯的做法。如果用户需要单一磁盘映像,需要自己使用软RAID方案。

Intel SSD 910企业级PCIE固态硬盘评测
Intel SSD 710固态硬盘,主控为Intel PC29AS21BA0,接口为SATA 3.0Gb/s

  作为对比的Intel SSD 710主控型号为Intel PC29AS21BA0,RAM为Hynix H55S5162EER-60M,64MiB的SDR166 SDRAM,从规格上看,SSD 910要比SSD 710强上不少,这应该也是Intel要将其原名SSD 720改为SSD 910的原因之一。

Intel SSD 910企业级PCIE固态硬盘评测
Intel提供的驱动中仍然将SSD 910称作SSD 720

下载请猛击:Intel SSD 910官方驱动。实际上就是LSI的SAS2 2.0.55.0驱动

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  最顶上的一块PCB,可以看到NAND Flash芯片型号为Intel 29F32B08JCNE2,SSD 710上使用的是Intel 29F16B08CCME1,它们容量均为16GiB,同属Intel 25nm HET eMLC NAND FLASH芯片,不过接口宽度似乎有些不同。Intel 29F32B08JCNE2通过66MHz的ONFI 2.0接口和Intel EW29AA31AA1相连,在每块PCB上,放置的FLASH芯片数量为28块,总容量就是448GiB。两块PCB总容量为896GiB,不过标称容量仅为800GB(注意GiB和GB本身还有差别),大部分多出的容量被用来做beyond ECC(Intel宣称采用的级别更高的ECC)、磨损控制以及Over Provisioning等。这让Intel SSD 910 800GB的耐久度达到了10PB/14PB(4K/8K),Intel SSD 710 200GB的耐久度仅有1PB(4K/8K) 。SSD 910是
Intel真正为高性能、高负荷设计的固态硬盘产品。

  我们使用了一台双Westmere-EP至强工作站来进行测试,它采用了双Xeon X5680处理器,主频3.33GHz,搭配的芯片组为Intel 5520 IOH,提供了36个PCI Express Gen2 Lanes,Intel SSD 910就插在其中一个PCIe 2.0 x8插槽上。这个平台也是Intel SSD 710测试时使用的平台,当时SSD 710连接至一块同样插在PCIe 2.0 x8插槽的LSI SAS3081E-R HBA上,LSI SAS3081E-R采用的LSISAS1068E是一块PCI Express Gen1 x8界面的8端口SAS 3Gb/s控制芯片,基于一个255MHz的ARM966内核,性能比起LSISAS2008来自是大有不如,不过用来连接单块Intel SSD 710当是足够。测试使用的操作系统是Windows Server 2008 R2 SP1,分别安装了各自的最新驱动。使用的测试软件为Iometer 1.1.0 rc1。

测试平台、测试环境
测试分组
类别 Intel SSD 910测试平台 Intel SSD 710测试平台
处理器子系统
处理器 双路Intel Xeon X5680 双路Intel Xeon X5680
处理器架构 Intel 32nm Westmere-EP Intel 32nm Westmere-EP
处理器封装 Socket 1366 LGA Socket 1366 LGA
处理器规格 六核 六核
处理器指令集 MMX,SSE(1,2,3,3S,4.1,4.2),EM64T,VT-x,AES MMX,SSE(1,2,3,3S,4.1,4.2),EM64T,VT-x,AES
内存控制器 每CPU集成三通道R-ECC DDR3 1333 每CPU集成三通道R-ECC DDR3 1333
内存 4GiB R-ECC DDR3 1333 SDRAM x12
@ DDR3-1333
4GiB R-ECC DDR3 1333 SDRAM x12
@ DDR3-1333
IO连接子系统
IOH Intel IOH 5520(Typersburg-36D) Intel IOH 5520(Typersburg-36D)
IOH架构 Intel 65nm Typersburg-EP Intel 65nm Typersburg-EP
IOH封装 FC-BGA 1295 FC-BGA 1295
IOH规格 QPI x2(6.4GT/s)
PCIe 2.0 Lanes x36(5.0Gb/s)
ESI/DMI 1.0 x4(2.5Gb/s)
QPI x2(6.4GT/s)
PCIe 2.0 Lanes x36(5.0Gb/s)
ESI/DMI 1.0 x4(2.5Gb/s)
IO控制器子系统
IOC Intel SSD 910 SSD内置 LSI SAS3081E-R
IOC SoC LSISAS2008 LSISAS1068E
SoC规格 PowerPC 440 @ 533MHz LSI Fusion-MPT
ARM966 @ 255MHz
主机接口 PCIe 2.0 x8 PCIe 1.0 x8
IO接口 SAS 6Gb/s x8 SAS 3Gb/s x8
软件环境
操作系统 Microsoft
Windows Server 2008 R2 Datacenter Edition SP1(64-bit)
Microsoft
Windows Server 2008 R2 Datacenter Edition SP1(64-bit)
驱动程序 Intel 720/910 Series Driver
(aka LSI SAS2 2.0.55.0 x64)
LSI Fusion-MPT SAS Driver
LSI SAS 1.34.02 x64

  我们首先测试了Intel SSD 910在单个模块/单个控制器在默认模式/普通模式下的性能,并与Intel SSD 710进行对比;稍后我们测试了Intel SSD 910在开启Max Performance Mode下的性能提升;最后我们对比了4个模块/4个控制器下的总性能并与Max Performance Mode下的进行了对比。

  首先测试的是在单个模块/单个控制器在默认模式/普通模式下的性能,对应的另一个模式:Max Performance Mode最大性能模式将在相应测试内进行介绍。

Intel SSD 910企业级PCIE固态硬盘评测

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  可以看出,在较小队列深度下,SSD 710 200GB的理论指标要比SSD 910 800GB的一个200GB模块要好点,16以上队列深度则是SSD 910占明显优势,在其他指标上亦是如此。SSD 910的单个模块可以提供约55,000的4K随机读IOps和约8,670的4K随机写IOps,1MB顺序吞吐量则是470MBps/254MBps(读/写),后者体现了SAS 6Gb/s的带宽优势,此外,与SATA接口的SSD 710对比的话,SAS接口在中、大队列深度下的优势也可以很清晰地看到。

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  可以看出,除了大致上就是8KB性能的Workstation工作站测试之外,其它3个服务器配置文件下都是SSD 910性能明显高出一截,FileServer文件服务器高约75%,WebServer网页服务器高63%,DatabaseServer高81%

  Intel SSD 910还有一个少为人知的秘密:Max Performance Mode最大性能模式,这个模式随着Intel释放出Intel SSD Data Center Tool工具而为人知晓。这个模式只适用于Intel SSD 910 800GB版本,它是基于这样的一个事实:半高的PCI Express x8插槽功能被限制为25W。但是尽管PCI Express插槽的信道规格可以检测出来,但是其高度确是无法知晓的。全高的x8插槽应该可以提供37.5或者说38W的电力。Intel SSD 910既可能插在半高的插槽,也可能插在全高的插槽。

  功率限制对固态硬盘有什么影响呢?SSD CELL在擦写的时候,需要施加足够的能量将电子跃迁到Floating Gate浮栅层囚牢当中,SSD的写入需要比读取更大的电流,高性能的写入通过大规模的CELL并行写入来达到,因此需要的电流颇为可观。也就是说,功率限制有时也意味着性能限制,对于Intel SSD 910 800GB来说就是这样。为了保障安全,Intel将SSD 910 800GB做了限制,让其功耗不会超过25W,代价是性能受到影响。

  对于将Intel SSD 910 800GB插入全高插槽的用户来说,这个限制就显得没有必要了,Intel通过Intel SSD Data Center Tool工具提供了解锁的操作,这个工具可以到Intel的官方进行下载。

下载请猛击:Intel SSD Data Center Tool

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通过isdct -device 0 -power_setting max_performance命令解锁Intel SSD 910 800GB的最大性能模式

  解锁最大性能模式会提示你要确认插槽可以提供28W的平均电力、38W的峰值电力以及300 LFM的风冷散热能力,如果记得前面拆解中SSD 910使用的挡板形状的话,你就会知道这是一块很热的卡。因为体积小,实际上也是非常热,要注意散热!

  因为面向SATA接口的Intel SSD Toolbox无法用到加了一层SAS转换层的SSD 910之上,Intel SSD Data Center Tool还提供了Intel SSD Toolbox的一些功能,最重要的大概是完全擦除功能:

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执行isdct -device 0 -drive X -erase就可以擦除指定的X模块的内容,过程大约为30分钟,此外千万要小心:模块号顺序和你看到的驱动器顺序未必是一一对应的!

  顺便提一下,为了保证写入老化的影响,每测试一次写入之后就会进行一次擦除,可见测试固态硬盘的累人程度……

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  所有的读取操作都没有太大的变化——也许可以认为有些略微的提升。对于写入性能的提升是非常明显的,1MB块顺序写入从255MBps提升到了339MBps,幅度达33%。实际上,所有情况下的写入性能都得到了提升,只是小区块的要小一些,因为较大的区块驱动多个CELL进行同时写入的可能性更大一些。Max Performance Mode就是一个提升写入性能的模式。

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  测试没有任何变化是很显然的事——因为这4个测试当中只有FileServer文件服务器有20%、DatabaseServer有33%的写入操作,SSD 910跟上一代的不同之处非常轻微。

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  在所有模块都参与的情况下,最大性能模式在读取上也表现了一定的优势:4KB随机读提升了6.3%,1MB顺序读提升了10%。4KB随机写入提升了52%,1MB顺序写入提升了33.5%。打开最大性能模式的整个Intel SSD 910 800GB可以提供约250,000的512B随机读取IOps、约220,000的4KB随机读取IOps和53,089的4KB随机写入IOps,1MB写入吞吐量则是1375MBps,也就是1.375GB/s——跟宣称的1.5GB/s有点差距。

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  前面说过,最大性能模式是一个针对写入性能的模式,因此包含写入的应用:FileServer文件服务器应用有了可见的提升,除此之外,67%随机读、33%随机写的DatabaseServer数据库服务器也有所提升。

  可以看出,Intel SSD 910的SSD主控仍然具有Intel主控的特点,最高可以提供的IOps为50,000~60,000这个数量级上下,大概是由于NAND芯片方面读写延迟的提升,其IOps和以往的Intel主控相比有了进步,此外,通过与Hitachi的共同开发,SAS接口的Intel EW29AA31AA1主控在中高队列下的表现要明显优于以往SATA接口的Intel主控。

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IDF2012北京里面展出的Intel SSD 910 400GB版本,可以看到其PCB要比800GB版本明显少了一张

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Intel SSD 910 400GB背面;Intel SSD 910的发布会刚好在IDF2012北京的会场内

  单块Intel SSD 910 800GB即可以提供220,000的4K随机读IOps和53,089的4KB随机写入IOps,1MB写入吞吐量则是1375MBps,也就是1.375GB/s,这是在最大性能模式的情况下。在普通模式,写入性能要低20~33%,读取性能也要受一些影响。最关键的是,如果SSD 910的4个模块用作不同的用途,那么它们各自的操作很可能是无法预知的,在25W的功率限制下,各个模块的写入操作将会互相牵制。笔者认为,没有什么理由不使用最大性能模式,当然,要确认其使用环境:插槽可以提供28W的平均电力、38W的峰值电力以及300 LFM的风冷散热能力性能。

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Intel SSD 910固态硬盘,是Intel的第一款PCI Express插卡式固态硬盘

  作为Intel的第一款插卡式固态硬盘,SSD 910确实提供了不错的性能,不过,它还是一款将PCI Express to SAS转换芯片以及SAS固态硬盘集中到一起的传统插卡式固态硬盘。或许,更值得期待的是SSD 920?

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