產(chǎn)品介紹

前段時(shí)間在Solidigm D5-P5316的幫助下，計(jì)算圓周率100萬(wàn)億位數(shù)的世界紀(jì)錄被刷新，新紀(jì)錄的計(jì)算效率達(dá)到之前的三倍。我們一方面能夠感受到SSD對(duì)高性能計(jì)算的影響，另一方面也看到QLC已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心中得到廣泛采用。今天PCEVA評(píng)測(cè)的是使用Solidigm第四代QLC閃存的D5-P5430 15.36TB數(shù)據(jù)中心級(jí)SSD。

作為QLC閃存產(chǎn)品，D5-P5430延續(xù)大容量高密度優(yōu)勢(shì)，最大存儲(chǔ)容量可達(dá)30.72TB。寫入耐久度指標(biāo)從0.41 DWPD提升至0.58 DWPD，同時(shí)提供U.2、E1.S和E3.S多種豐富的規(guī)格選項(xiàng)。

相比前面提到的D5-P5316，采用Solidigm第四代192層堆疊QLC閃存的D5-P5430在性能和寫入耐久度表現(xiàn)上更進(jìn)一步，定位也從“高效和讀取優(yōu)化的PCIe 4.0 SSD”提升為“高效和堅(jiān)固耐用的PCIe 4.0 SSD”，適合的工作負(fù)載類型不再局限于順序讀寫，而是可以滿足更加廣泛的主流和讀取密集型工作負(fù)載。

讀取密集型SSD通常提供1 DWPD的寫入耐久度指標(biāo)，D5-P5430雖然在DWPD上仍有一些差距，但更高的存儲(chǔ)容量可以彌補(bǔ)這一不足，并在PBW指標(biāo)上超越一些采用TLC閃存的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。與此同時(shí)，D5-P5430還可在主流應(yīng)用中提供媲美TLC閃存產(chǎn)品的使用性能，幫助優(yōu)化總擁有成本(TCO)。

硬件拆解

Solidigm成立于2021年底，名稱由Solid-state（固態(tài)）和paradigm（范式）兩個(gè)詞組合而成，取樹立固態(tài)存儲(chǔ)行業(yè)范式之意，是當(dāng)前唯一同時(shí)掌握Charge Trap電荷捕獲結(jié)構(gòu)和Floating Gate浮柵結(jié)構(gòu)兩種當(dāng)代3D NAND技術(shù)的公司。相比去年評(píng)測(cè)時(shí)依舊帶著英特爾標(biāo)簽的D7-P5520，這次我們收到的D5-P5430樣品已經(jīng)完全換上了Solidigm標(biāo)簽。

當(dāng)然這個(gè)U.2外殼的結(jié)構(gòu)還是一點(diǎn)沒(méi)變，包括螺絲和卡扣設(shè)計(jì)還是過(guò)去那個(gè)已經(jīng)被證明是非常合理的方式。

Solidigm D5-P5430使用了D5-P5520同款主控，這顆主控在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的中子源經(jīng)過(guò)SDC（Silent Data Corruption靜默數(shù)據(jù)損壞）測(cè)試。所謂靜默數(shù)據(jù)損壞，就是未被ECC糾錯(cuò)機(jī)制捕獲的、無(wú)法在第一時(shí)間被發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤，到數(shù)據(jù)需要使用時(shí)才被發(fā)現(xiàn)，即便有RAID陣列也不一定能修正。前幾年就曾有國(guó)內(nèi)云存儲(chǔ)大廠因SDC丟失客戶數(shù)據(jù)并招致巨額索賠。

靜默數(shù)據(jù)損壞通常是偶發(fā)性事件，可由一些射線或環(huán)境影響引發(fā)比特翻轉(zhuǎn)所產(chǎn)生。Solidigm的SDC測(cè)試通過(guò)將中子束聚焦在主控中心來(lái)進(jìn)行，SSD內(nèi)預(yù)先填充了數(shù)據(jù)，測(cè)試過(guò)程中主控連續(xù)發(fā)出I/O指令。實(shí)驗(yàn)室會(huì)檢查數(shù)據(jù)完整性來(lái)確認(rèn)有無(wú)靜默數(shù)據(jù)損壞。Solidigm已經(jīng)在數(shù)代產(chǎn)品中采用了這種測(cè)試程序，累計(jì)測(cè)試時(shí)間相當(dāng)于超過(guò)600萬(wàn)年運(yùn)行壽命，期間沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何SDC錯(cuò)誤，可見其對(duì)數(shù)據(jù)完整性的保護(hù)非常到位。

Solidigm第四代192層堆疊3D QLC閃存基于Float Gate浮柵結(jié)構(gòu)，由位于大連的晶圓廠制造。Solidigm LOGO靠近顆粒邊緣，正面是8顆編號(hào)為29F04P2BNCQL1的QLC閃存顆粒(4die 4CE)，PCB背面另有8顆編號(hào)為29F08P2BOCQL1的QLC閃存顆粒(8die 8CE)。

測(cè)試平臺(tái)和工具軟件

測(cè)試平臺(tái)：

CPU：intel Core i9-13900KS（禁用C State）

主板：ROG MAXIMUS Z690 HERO

內(nèi)存：金士頓DDR5-6000 16GB*2

SSD：Plextor M6Pro 128GB（系統(tǒng)盤）

Solidigm D5-P5430 15.36TB

OS：Ubuntu 22.04 LTS

對(duì)于習(xí)慣使用GUI圖形界面的朋友來(lái)說(shuō)，GSmartControl可以在Linux系統(tǒng)下替代CrystalDiskInfo，作為硬盤SMART健康信息檢測(cè)工具使用。遺憾的是這款軟件至今不支持NVMe SSD。

功能全面的smartmontools工具只有CLI命令行版本可用，我們?cè)赪indows下也經(jīng)常會(huì)用到它，應(yīng)該也比較熟悉了。它能夠提供過(guò)熱溫度預(yù)設(shè)、電源狀態(tài)、扇區(qū)格式支持情況和SMART健康度等信息。

從NVMe 1.1開始，SSD可以支持3種活動(dòng)電源狀態(tài)和2種非活動(dòng)電源狀態(tài)，消費(fèi)級(jí)SSD可以在空閑時(shí)自動(dòng)進(jìn)入非活動(dòng)電源狀態(tài)（PS3/PS4）實(shí)現(xiàn)節(jié)能降溫。不過(guò)數(shù)據(jù)中心級(jí)SSD不需要這種自主電源轉(zhuǎn)換能力，取而代之的是三種可由用戶指定的活動(dòng)電源狀態(tài)。對(duì)于Solidigm D5-P5430而言，PS0全速狀態(tài)最大功耗25瓦，PS1狀態(tài)限制15瓦，PS2狀態(tài)限制10瓦。

我們可以通過(guò)Solidigm Storage Tool工具箱來(lái)指定D5-P5430的電源模式，默認(rèn)是PS0全速狀態(tài)。設(shè)定PowerGovernorMode 1就是限制到15瓦功耗，設(shè)定PowerGovernor Mode2則限制到10瓦功耗。

和消費(fèi)級(jí)SSD崇尚“足容”設(shè)計(jì)不同，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心SSD都設(shè)計(jì)有二級(jí)OP預(yù)留空間。在需要更高性能或?qū)懭肽途枚鹊那闆r下，用戶還可以通過(guò)廠商的工具箱軟件增設(shè)三級(jí)OP預(yù)留空間。下圖中我們使用Solidigm Storage Tool將D5-P5430 OP到12.75TB。通過(guò)nvme list可以確認(rèn)增加OP預(yù)留空間后的可用容量。

理論性能測(cè)試

Linux下的硬盤性能測(cè)試工具大多離不開fio，這款軟件功能強(qiáng)大但使用起來(lái)有一些門檻。

1.KDiskMark測(cè)試

對(duì)于習(xí)慣使用圖形界面的朋友可以使用KDiskMark來(lái)替代Windows下的CrystalDiskMark，它在底層調(diào)用fio執(zhí)行了類似于CrystalDiskMark的理論帶寬測(cè)試項(xiàng)目。

當(dāng)然二者還是略有不同，CrystalDiskMark結(jié)果顯示峰值速度，而KDiskMark則顯示平均值。這類測(cè)試由于缺乏預(yù)處理過(guò)程，只適合消費(fèi)級(jí)SSD快餐跑分。數(shù)據(jù)中心SSD的穩(wěn)定態(tài)性能測(cè)試還是需要回歸到fio。

2.GFIO測(cè)試

GFIO為fio提供了一個(gè)圖形化界面，不過(guò)配置文件還是需要提前動(dòng)手寫好，然后在GFIO中加載。GFIO會(huì)每秒刷新顯示測(cè)試過(guò)程中的傳輸帶寬和IOPS數(shù)值。首先是順序?qū)懭腩A(yù)處理過(guò)程，測(cè)試使用128KB QD256順序?qū)懭?，持續(xù)2小時(shí)。

測(cè)試結(jié)束后會(huì)提供整合測(cè)試結(jié)果，包括寫入數(shù)據(jù)總量、平均IOPS、最小/最大/平均帶寬，百分位延遲統(tǒng)計(jì)等等。

為了提供更出色的QoS表現(xiàn)，數(shù)據(jù)中心級(jí)SSD不會(huì)像消費(fèi)級(jí)SSD那樣使用SLC緩存。增加OP也不會(huì)對(duì)順序?qū)懭胨俣犬a(chǎn)生明顯影響。

接下來(lái)進(jìn)行4KB Q64T4隨機(jī)寫入，持續(xù)8小時(shí)，使SSD進(jìn)入穩(wěn)定態(tài)。

預(yù)處理過(guò)程產(chǎn)生了30TB寫入量。

測(cè)試初段的高速寫入對(duì)應(yīng)的是OP預(yù)留空間內(nèi)的空白塊，當(dāng)增設(shè)三級(jí)OP后這部分可以直接用于寫入的空白塊也相應(yīng)增加，同時(shí)穩(wěn)定態(tài)4K隨機(jī)寫入性能也更好。平時(shí)測(cè)消費(fèi)級(jí)SSD只要用Q32T1測(cè)5000秒就足夠看穩(wěn)定態(tài)性能了，而這次15.36TB的數(shù)據(jù)中心SSD測(cè)了8個(gè)小時(shí)的Q64T4。消費(fèi)級(jí)SSD的離散圖需要設(shè)置對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸才能看清，數(shù)據(jù)中心級(jí)SSD的離散度要好很多，可以省去這一步驟直接看。

4KB隨機(jī)寫入QD1測(cè)試，ramp_time=300秒，runtime=900秒。注意這里測(cè)出的隨機(jī)讀取性能是全盤范圍內(nèi)的閃存直接讀取性能，不能跟平時(shí)我們?cè)谙M(fèi)級(jí)SSD評(píng)測(cè)中看到的SLC緩存范圍內(nèi)讀取性能進(jìn)行對(duì)比。

第99百分位延遲為137微秒，第99.99百分位延遲為178微秒，這意味著99.99%的延遲都低于178微秒。

4KB隨機(jī)寫入Q64T4測(cè)試，ramp_time=300秒，runtime=900秒。

平均1050K IOPS，第99百分位延遲533微秒，第99.99百分位延遲906微秒。

3.ezFIO腳本測(cè)試

ezFIO是一個(gè)可重復(fù)進(jìn)行的穩(wěn)定態(tài)性能測(cè)試腳本。在測(cè)試開始前有兩次全盤容量寫入的預(yù)處理階段，幫助模擬企業(yè)級(jí)SSD的長(zhǎng)期性能。ezFIO同時(shí)支持Windows和Linux平臺(tái)，測(cè)試完成后可自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告。以下成績(jī)?cè)谑荓inux系統(tǒng)下搭配fio 3.31測(cè)得。

借助ezFIO測(cè)試腳本可以自動(dòng)化測(cè)試更多內(nèi)容，如穩(wěn)定態(tài)下不同塊大小的順序/隨機(jī)讀寫性能：

下圖是將Solidigm D5-P5430 15.36TB OP到12.75TB后的成績(jī)，讀取性能基本不變，寫入性能大幅提升：

Solidigm D5-P5430 15.36TB穩(wěn)定態(tài)4KB隨機(jī)讀寫性能：

OP到12.75GB后4KB隨機(jī)寫入IOPS增長(zhǎng)98%，寫入延遲也降低了：

長(zhǎng)期性能穩(wěn)定性檢驗(yàn)通過(guò)穩(wěn)定態(tài)隨機(jī)混合讀寫進(jìn)行，根據(jù)平均IOPS和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算得出變異系數(shù)，離散系數(shù)越低說(shuō)明SSD在長(zhǎng)期高負(fù)荷使用后的性能越穩(wěn)定，越不容易產(chǎn)生程序需要等待IO的情況。Solidigm D5-P5430 15.36TB的4K R70:W30混合讀寫穩(wěn)定態(tài)平均IOPS：280867，離散系數(shù)：1.05%。OP到12.75TB之后，穩(wěn)定態(tài)混合讀寫IOPS為395347，離散系數(shù)1.51%。

Solidigm D5-P5430 15.36TB穩(wěn)定態(tài)4K混合隨機(jī)讀寫百位分延遲表現(xiàn)：

OP到12.75TB后的穩(wěn)定態(tài)4K混合隨機(jī)讀寫百分位延遲：

4.SNIA SSS PTS-E 2.0測(cè)試：

SSS PTS的全稱為Solid State Storage Performance Test Specification，即固態(tài)存儲(chǔ)性能測(cè)試規(guī)范，它由SNIA存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)行業(yè)協(xié)會(huì)制定，當(dāng)前最新版本是2.0，包括針對(duì)企業(yè)級(jí)SSD的PTS-E規(guī)范以及針對(duì)消費(fèi)級(jí)SSD的PTS-C規(guī)范。

PTS測(cè)試在設(shè)備而非文件系統(tǒng)級(jí)別進(jìn)行，通俗的說(shuō)就是SSD在沒(méi)有分區(qū)的狀態(tài)下進(jìn)行。PTS測(cè)試的是SS（Steady State穩(wěn)定態(tài)）性能，而非FOB（Fresh-Out-of-the-Box開箱狀態(tài)即出廠態(tài)）表現(xiàn)。

為了使SSD達(dá)到穩(wěn)定態(tài)，PTS測(cè)試需要先執(zhí)行預(yù)處理，也就是我們常說(shuō)的“填盤”：用隨機(jī)數(shù)據(jù)寫入全盤2倍容量。而后執(zhí)行一系列隨機(jī)寫入，穩(wěn)定態(tài)的判定方式為：檢查測(cè)試窗口中的4K隨機(jī)寫入、64K R65:W35混合隨機(jī)寫入和1024K隨機(jī)讀取三項(xiàng)成績(jī)，允許波動(dòng)范圍+-10%，確認(rèn)SSD已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定態(tài)后才會(huì)繼續(xù)后續(xù)測(cè)試。

SSS PTS測(cè)試的內(nèi)容包括512字節(jié)、4K、8K、16K、32K、64K、128K和1MB塊大小，在0/100、5/95、35/65、50/50、65/35、95/5和100/0混合讀寫比例下的穩(wěn)定態(tài)IOPS，并以數(shù)據(jù)表格、2D和3D圖示三種形式進(jìn)行展現(xiàn)。

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OP到12.75TB之后，Solidigm D5-P5430能夠在PTS IOPS測(cè)試中更快進(jìn)入穩(wěn)定態(tài)。

穩(wěn)定態(tài)混合讀寫性能亦獲得大幅提升：

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模擬實(shí)際應(yīng)用測(cè)試

VDBench是甲骨文推出的存儲(chǔ)性能評(píng)估工具，能夠支持去重和壓縮等特性。我們將使用它來(lái)測(cè)試4KB隨機(jī)讀取、4KB隨機(jī)寫入、4KB混合讀寫（讀70%寫30%）三種情況，并模擬Oracle/SQL數(shù)據(jù)庫(kù)、VSI、VDI四種企業(yè)級(jí)應(yīng)用負(fù)載。圖中橫軸為IOPS為IOPS（越高越好），縱軸為對(duì)應(yīng)的延遲（單位微秒，越低越好）。iorate的原理是VDBench先以無(wú)限制的方式測(cè)一次IOPS，而后以其作為100%基準(zhǔn)，按照curve參數(shù)中給出百分比的IOPS為目標(biāo)測(cè)定延遲。我們測(cè)試了P5430 15.36TB、P5430 OP 12.75TB、P5430限制電源模式1、P5430限制電源模式2四種情況。

4KB隨機(jī)讀取測(cè)試使用Q32T8進(jìn)行測(cè)試。OP不影響4K隨機(jī)讀取性能，兩條曲線基本重合，最高963K IOPS。限制電源模式1（15瓦）時(shí)最高694K IOPS，限制電源模式2（10瓦）時(shí)最高298K IOPS。

4KB隨機(jī)寫入測(cè)試使用Q32T8進(jìn)行測(cè)試。增加三級(jí)OP后D5-P5430的4K隨機(jī)寫入性能提高近一倍（146K IOPS->288K IOPS）。限制電源模式1（15瓦）時(shí)最高77K IOPS，限制電源模式2（10瓦）時(shí)最高34K IOPS。

4KB混合隨機(jī)讀寫測(cè)試使用Q32T8進(jìn)行測(cè)試，讀取占比70%。增加三級(jí)OP后D5-P5430的4KB混合隨機(jī)寫入性能提高38%（285K IOPS->395K IOPS）。限制電源模式1（15瓦）時(shí)最高214K IOPS，限制電源模式2（10瓦）時(shí)最高93K IOPS。

Oralce測(cè)試數(shù)據(jù)模型中讀寫比例為83.14：16.86，其中4K、8K、16K讀取占比分別為22.1%、37.3%和19.12%，隨機(jī)存取占比80%。4K、8K和16K寫入占比分別為22.1%、37.3%和19.12%，隨機(jī)存取占比80%。Dedupratio=3，compratio=3。

SQL數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)試數(shù)據(jù)模型中，讀寫混合比例為68.42：31.58。8K和64K讀取占比分別為53.57%和28.75%，隨機(jī)存取占比80%。4K、8K和64K寫入占比分別為27.85%、35.24%和26.35%，隨機(jī)存取占比80%。Dedupratio=2，compratio=2。

Virtual Desktop Infrastructure測(cè)試數(shù)據(jù)模型中，讀寫混合比例為59.48：40.52。4K、16K、32K和64K讀取分別占比39.35%、16.47%、10.37%和12.86%，隨機(jī)存取占比80%。4K和8K寫入分別占比61.11%和13.05%，隨機(jī)存取占比80%。Dedupratio=7，compratio=8。

Virtual Storage Infrastructure測(cè)試數(shù)據(jù)模型中，讀寫混合比例為57.4：42.6。4K、8K、60K讀取占比分別為25.68%、26.31%和10.52%，隨機(jī)存取占比80%。4K和8K隨機(jī)寫入占比分別為59.62%和14.81%，隨機(jī)存取占比80%。在負(fù)載較低時(shí)，四種情況下的延遲表現(xiàn)接近，增加OP后可以極大地提升最高IOPS表現(xiàn)。Dedupratio=4，compratio=4。

總結(jié)

Solidigm QLC閃存技術(shù)目前已經(jīng)非常成熟，并被廣泛使用到數(shù)據(jù)中心SSD當(dāng)中，寫入壽命滿足現(xiàn)實(shí)工作負(fù)載需求，讀取性能跟入門級(jí)SSD相當(dāng)，QLC SSD在CDN、大數(shù)據(jù)、HCI等行業(yè)典型工作場(chǎng)景得到了廣泛的部署和價(jià)值證明。采用192L 3D QLC閃存的Solidigm D5-P5430使用4KB間接單元，將使用范圍擴(kuò)展至AI、機(jī)器學(xué)習(xí)、OLTP等小文件快讀密集型工作負(fù)載，在主流和讀取密集型工作負(fù)載中提供可替代TLC閃存SSD的性能，并兼具QLC閃存帶來(lái)的成本優(yōu)勢(shì)。Solidigm D5-P5430在性能、容量和成本之間的權(quán)衡中，為價(jià)值驅(qū)動(dòng)的主流數(shù)據(jù)中心應(yīng)用提供了更優(yōu)的選擇。

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