消費型、企業用SSD測試大解謎

根據市調機構iSuppli的報告,2014全年NAND Flash價格恐將持續下滑。使用NAND Flash等半導體作為資訊儲存裝置的固態硬碟(Solid State Drive;SSD),也將從原本高不可攀的價格逐漸親民化,增加消費者的採購意願並同時加速市場普及率。超輕薄設計的SSD不只是應用於消費性電子產品上,其優異的性能表現也開始被廣泛地運用在企業級(Enterprise)產品上,同時市面上也出現了介於消費者跟企業級應用間的產品。

為了瞭解消費者跟企業級產品在能性能表現上的差異,我們挑選了六顆市面上販售的SSD做為受測產品,其中硬碟A至E為同一家廠牌的產品,包含了作為入門等級跟高階用途的eSSD跟cSSD產品,硬碟F則為另外一間大廠的企業級硬碟。在此篇測試比較報告中我們將依序測試六顆SSD,並就硬碟本身的硬體元件跟性能表現做進一步地分析比較,揭露廠商針對不同的市場需求所採取的不同開發重點,並掌握產品在不同測項上的表現,協助廠商開發設計新產品。

六顆受測產品的產品類別及基本特色:

六顆受測產品的產品類別及基本特色

在本次的測試分析上,我們聚焦在以下兩個重點,做近一步的分析:

  • 硬體元件分析 Hardware Components Analysis
  • SSD性能表現足跡分析 SSD Performance Footprint Analysis

硬體元件分析(Hardware Components Analysis

SSD標榜高效能、低功耗、高耐受度及體積輕薄等特性,即使是相同廠牌的SSD也會有不同的硬體設計,尤其針對不同的目標客戶群時,會有些許零件上材料上的差異,這些差異就有可能造成性能及穩定度的不同。在硬體元件分析的過程中,百佳泰的資深專家團隊拆開硬碟,檢視其內部構造,並分析硬碟的各項元件,包含:Controller、PMIC、NAND Flash、Poly-Tantalum Capacitor及LPDDR2,並就其排列設計觀察優缺點,給予建議。

表二:六顆受測硬碟的硬體元件結構

列印

如表二中簡單地列出了這六顆硬碟的組成元件。

SSD性能表現足跡分析(SSD Performance Footprint Analysis

市面上針對消費型硬碟所設計的效能測試工具,例如:CrystalDiskMark,並不能忠實呈現企業用硬碟在真實環境中的表現,無法驗證企業級產品的真實功效。如表三所示,硬碟A在消費型測試工具上的表現理想,但是在企業級測試標準上卻不盡理想;反觀硬碟F雖然在消費型測試工具上表現平平,但是在企業環境使用上卻性能表現良好。因此,百佳泰選了幾個專門測試企業用硬碟的工具,加上我們自己累積多年經驗開發的工具,針對企業用伺服器工作量模擬、讀寫速度耐久度、產品性能退化、性能退化一致性…等,各方面來評估受測產品的整體表現。以下為分析SSD性能表現足跡所採用的三種不同測試工具:

  1. File IO Benchmark – Server Workload
  2. File IO Benchmark – Sustained Test
  3. Allion Benchmark – Performance Stability Test
  4. File IO Benchmark – Enterprise File IO Data Payload
  5. Database Benchmark – SysBench

表三:消費型測試標準VS. 企業級測試標準

表三-消費型測試標準VS. 企業級測試標準

  • File IO Benchmark – Server Workload
測試工具為:VDBench
測試平台為:Intel Z87、Core i7、16GB RAM

企業所需要處理的資料規模比一般消費者使用的還要大,因此我們所選的這套工具能夠模擬企業用伺服器在面對巨量資料時的情景,反應硬碟在處理郵件、串流影音、網路檔案時的效能表現,做廠商再挑選產品時的參考之一。

圖三:模擬郵件伺服器工作量測試

圖3---Mail-Server-測試_r

圖四:模擬多媒體串流工作量測試

圖4---Media-Streaming-測試_r

圖五:模擬伺服器在處理網頁檔案工作量測試

圖5---Web-File-測試_r

表四:Server Workload的測試結構

Server Block Size in Bytes Read/Write Percentage Random/Sequential

Percentage

Mail Server 4KB 67% / 33% 100% / 0%
Media Streaming Server 64KB 98% / 2% 0% / 100%
Web File Server 4KB, 8KB, 64KB 95% / 5% 75% / 25%

在Server Workload的測試中,硬碟E在郵件伺服器工作量(Mail Server Workload)中,在相同的時間內以最高的每秒輸入輸出數(IOPS)贏過其他五顆硬碟。而硬碟F在多媒體串流工作量(Media Streaming Workload)和網頁檔案工作量(Web File Server Workload)兩測項中,表現最優異,尤其在網頁檔案工作量上,硬碟F大幅領先其他產品。從上面三張圖可以看到硬碟C的表現皆為倒數第二名,甚至名次低於消費型硬碟B,顯示出的企業用低階eSSD入門產品並不一定在各方面表現都優於消費型硬碟。

  • File IO Benchmark – Sustained Test
測試工具:IOmeter
測試平台:Intel Z87、Core i7、16GB RAM

根據聯合電子設備工程委員會(JEDEC)的資料顯示,4K單位大小檔案是企業用SSD最常遭遇的檔案大小。此耐久度測試採用IOmeter工具產生的4K QD 32 Random Write來測試6顆硬碟在連續24小時中,讀寫速度是否會因為時間的拉長而改變。

圖六:24小時讀寫速度耐久度測試

圖6---24hr-sustained-test-測試_r

如圖六所示,在24小時讀寫速度耐久度測試中,每一顆硬碟一開始都會有很高的IOPS值,但是在剩下的22小時中都會驟降至穩定的速度狀態。

圖七:前30分鐘內效能退化比較表

圖7---前30分鐘退化_r

我們若把耐久度測試的數據結果聚焦在第一個小時中,由圖七可以發現硬碟A跟硬碟C的效能退化下降幅度比較大。另一方面,硬碟F的效能退化低於其他五顆,平均而言,在24小時的測試當中擁有最高的讀寫速度,顯示出硬碟F在長時間的Random Write壓力測試下能夠有最佳的表現,符合企業級產品所需的可靠穩定性特質。

  • Allion Benchmark – Performance Stability Test
測試工具:Allion stress tool
測試平台:Intel DZ68DB system

差勁的耗損平均技術(Wear Leveling)遇上吃重的工作負荷時,硬碟可能會產生性能不一致(Performance Inconsistency)或尚餘儲存空間變動減少(Fluctuation)現象。因此,百佳泰憑藉著耕耘SSD產品驗證多年的技術,特地開發企業級產品測試解決方案,客製化的性能穩定度測試(Performance Stability Test)能診斷出受測產品是否有性能不一致缺點,確保產品品質可靠度。百佳泰的性能穩定度測試能模擬企業用硬碟在處理大檔案的情境,設計總共10TB的真實資料存取工作量,檔案類型包含:影片(例如:3GP、AVI)、聲音(例如:MP3、WAV)、圖片(例如:BMP、JPG)及其他(例如:BAT、DLL、ZIP),並針對4K Random/Sequential讀寫、16K Random讀寫、64K Sequential讀寫進行性能表現監控。

評分標準是以每一受測產品整體的讀寫表現數值做為平均值,並設自身平均值的正負10%為標準範圍。如果一硬碟95%以上的讀寫表現數值落在自己的標準範圍外,則會被警告為性能不穩定(Unstable)。彙整並整理原始資料後,從表四可以看到硬碟F有最好的穩定度表現,只有在4K Random寫入速度上表現不穩定。硬碟A則有最差的表現。硬碟E雖然售價比企業用入門等級硬碟D高,但是在穩定度表現卻沒有相對穩定的表現,因為硬碟E在大檔案的寫入存取上,穩定度表現並不理想。

表五:性能穩定度測試比較I.

表五:性能穩定度測試比較I.

從整體的表現來看,數值最高的10%跟數值最低的10%相差值如果超過平均數值的20%,則代表有潛在的風險危機。在表五中我們可以發現,硬碟F只有在4K Random寫入測項上有高的高低差異性,整體的表現則是最為穩定,符合企業用產品所需的特徵。反觀硬碟A與硬碟E在10TB資料量存取上有極高的高低差異性顯示出SSD的發展至今,雖然性能表現速度越來越快,但是廠商在維持產品的穩定度上還是有長足進步的空間。

表六:性能穩定度測試比較II.

表六:性能穩定度測試比較II.

  • File IO Benchmark – Enterprise File IO Data Payload
測試工具:VDBench
測試平台:Gigabyte GA-Z77-D3H

為了要評量受測產品在長時間企業用環境下的壓力表現,我們選用VDBench測試工具,模擬硬碟在處理0.5K、4K、16K到64K等不同檔案大小時的性能表現。除了設定檔案大小外,並根據JEDEC的企業用工作量定義:40% Random讀取、60% Random寫入,設定測試標準,分析硬碟在50個小時受測時間中的性能表現,並依照IOPS的結果來評斷受測產品的表現。從圖八可以看到硬碟F的IOPS的平均值超過1000,領先其他產品,性能表現最佳。

圖八:Enterprise File IO Data Payload測試比較結果

圖8---JEDEC企業用定義_r

若我們把Random讀取調高至70%、Random寫入調低到30%,同樣可以看到硬碟F的IOPS仍然保持高水準,顯示出這顆硬碟在處理不管是隨機讀取還是隨機寫入檔案時都能保有一定水準的效能表現。如圖九所示,硬碟C在8至16小時中間發生性能下降的現象,顯示出這顆硬碟在處理企業用資料時有不穩定的現象。

圖九:Enterprise File IO Data Payload II. 測試比較結果

圖9---客製化測試_r

  • Database Benchmark – SysBench MySQL
測試工具:SysBench MySQL

測試平台:Dell T620 Xeon*2, 64GB RAM

MySQL作為企業使用的資料庫系統已經有多年歷史,最大的優點就是效能高且可靠度高。我們以此測試工具模擬200個使用者的中型企業資料庫環境,測試設定使用40個Table同時運算,每個Table有一千萬筆資料(資料量約106GB)。評量方式為儲存裝置在不同的Buffer Pool Size設定和多個Thread設定下的性能表現。

當設定OLTP吞吐量的Buffer Pool Size低於15GB,且Thread為64時,如圖十所示,硬碟F的平均資料吞吐量值為2820.63,為表現最佳的硬碟。而圖中每一個點都是測試時的吞吐量落點,點與點之間越離散的話則表示性能表現不一致,例如:硬碟A和硬碟C,都有此問題。而硬碟F除了在此測試上有最佳表現外,其穩定的性能足以勝任中型企業資料庫環境的使用。

圖十:OLTP吞吐量測試比較結果

圖10---OLTP-throughput-HK3R_r

表七:受測產品的競爭力分析

列印

百佳泰的專家團隊認為硬碟F在絕大多數的企業級性能測試上都有絕佳的表現,其硬體元件也是採高規格的設計,但是他的高價定價策略可能會讓中型及小型企業卻步,因為不是每個公司都需要頂級規格的SSD。此外,我們觀察到硬碟A至E受測產品中,彼此之間的的硬體元件設計並沒有特別顯著的差別,但是其價格歧視(Price Discrimination)策略讓這廠牌各類型的產品能夠符合各種不同需求,進而增加市占率,因此如果硬碟F的廠商也採取此方式的話,開發適用於不同規模企業的SSD話,定而能夠增加競爭優勢。

SSD在隨著使用時間的增長、讀寫次數增加之後,造成效能退化或是可用儲存空間減少,都會影響到SSD整體的表現。我們預測隨著SSD的價格逐漸親民化,勢必未來不管是一般消費者用還是企業級產品,將會有一場廝殺戰即將開打。雖然此次的測試著重於效能衰退、耐受性及穩定度的測試,但是我們建議廠商除了採取完善的性能測試之外,也能同時比較競爭對手的產品,增加自己產品的競爭力,才能在市場上傲視群雄。更多SSD相關測試解決辦法請參閱http://www.allion.com.tw/storage.html