Intel SSD DC S3500企业级固态硬盘评测

　　可以概括起来，Intel  SSD DC S3500企业级 固态硬盘有两个很鲜明的特点：20nm MLC芯片、Intel第三代主控，此外，还有一个不算非常突出的：完整的保护功能。它们对了解SSD DC S3500的特性表现非常重要，接下来我们将对它们进行分别介绍。

　　20nm MLC芯片：针对非写入密集应用　　

Intel SSD DC S3500上面使用的20nm MLC NAND颗粒，型号Intel 29F32B08MCMF2-ES（来源：ZDnet,下同）

　　首先是使用20nm MLC芯片，这很好理解，和前面说过的类似：由于采用了它导致了耐久度的降低（特别低，S3500采用的是普通的MLC而不是Intel的HET MLC），P/E周期大约为3000次；20nm MLC的优点则是新的工艺带来功耗和成本下降，因此我们可以看到，同等容量DC S3500要比DC S3700便宜不少。作为对比，根据JESD218耐久度规范，800GB的S3700，耐久度为14.6PB，800GB的S3500只有450TB，300GB的SSD 710耐久度也能达到1PB。显而易见，S3500并非面向高强度写入应用。

　　Intel第三代主控：解决延迟问题

　　而在明白Intel的新主控带来的变化之前，我们得先复习一下SSD的存储原理。我们都知道，和HDD天生的不同，SSD的读写单位为页（Page），页的一般大小为4KiB或8KiB；HDD的读写单位为扇区（Sector），一般大小为512B或者4KiB。而在擦除NAND的时候，则使用块（Block）为单位，一个块一般包含着128或256个Pages；HDD则没有这个概念。对于Intel的25nm NAND来说，一次擦除就是2MiB（8KiB每页）。

　　OK，这就是在处理上SSD和HDD的根本不同，由此衍生出一大堆不同的性能差异来。通常，为了保持上层操作系统/文件系统的一致性，SSD通过主控来隐藏了这个不同处理过程的区别，这个工作引入的就是FTL（ Flash Translation Layer，闪存转换层），FTL将操作系统熟悉的LBA（Logical Block Address，逻辑块地址）转换到SSD的PBA（Physical Block Address，物理块地址）。LBA到PBA显然是一张映射表，在HDD上，它是1:1对应关系，除了缺陷管理之外不会变更，而在SSD上，由于磨损平衡的关系，同一个LBA对应的PBA并不是固定不变的，因此，这个映射表是动态变化的。显然，FTL的转换性能影响着SSD的性能，这也是我们关注SSD主控的原因之一。

按查找方式划分的数据结构。FTL就是在一个数据结构中进行查找或其它操作以维持一个LBA到PBA的映射关系

　　FTL维护着动态变化的映射关系，这个映射关系通常是用一个叫B-tree的数据结构来保存，这个数据结构保存在SSD上面，但是通常会让FTL主控保存在一个Cache当中，以加快处理速度。注意B-tree的B是Balance，而不是Binary，前者是平衡多叉树，后者是二叉树。区别在于，前者不限制二个分叉，因此，B-tree树的高度通常比后者的要低，操作效率更高。

B-tree示例，可以看出，B-tree是一个有序集合，查询从树根开始一直到某一结点；通过B-tree，FTL可以以最低O(log2N)的效率进行LBA到PBA的映射查找

　　B-tree的如B+-tree、B*-tree、FD-tree等等的改进型广泛应用于存储相关的部件当中，如在文件系统中的应用就非常多。类B-tree的一个重要的问题就是其查找性能良好，然而其分裂、插入结点的操作相对缓慢。在FTL进行读取操作时需要的就是对B-tree进行查找，而写入则需要进行分裂、插入；对SSD连续的写入可以让一个结点包含一大块地址来解决，而随机写入则只能让B-tree变大，这会带来很明显的延迟，因此SSD的随机写入性能通常都比读取要慢。

第一代Intel SSD主控：PC29AS21AA0，来自Intel SSD X25-E，Cache为16MiB DRAM

第二代Intel SSD主控：PC29AS21BA0，来自 Intel SSD 710，Cache容量为64MiB DRAM

　　这个B-tree——映射表通常保存在Cache当中（再一次：这点跟CPU当中的TLB很像），在Intel的第一第二代上，搭配了一个容量相对较小的Cache，分别为16MiB和64MiB，Intel引以为豪的是这个Cache完全不保存用户数据，仅保存映射表，因此掉电保护只需要很小的电容就能达到。和其它SSD相对较小的Cache是Intel SSD的一个特点，不过这带来了一个问题：映射表不能完全载入Cache当中，并且，映射表也需要不停地对进行 压缩、重平衡，这带来了进一步的延迟。　　

4KiB随机读取延迟对比：低队列深度下，SSD 710的延迟较低，然而随着队列深度增加，其延迟增长比SSD 520明显要快；SF2281主控内置SRAM，容量不明　　

4KiB随机写入延迟对比：在1队列深度下，SSD 710的延迟是SSD 520的1.55倍，在256下飙升到10.7倍；测试基于非对齐的重复数据，因此SF2281可以启动其硬件压缩引擎

　　按照映射表在DRAM Cache中缓冲多寡来分的话，SSD可以分为DRAM完全缓冲、DRAM部分缓冲、DRAM完全不缓冲型，还有一种主机内存完全缓冲型（映射表保存在系统内存中，由 驱动维护）。显然，Intel PC29AS21AA0和Intel PC29AS21BA0属于DRAM部分缓冲型，而SandForce SF2281则属于DRAM完全不缓冲型——不过SF2281内置SRAM进行了部分缓冲，两种方案可以看做有些相似。在上面的对比中我们可以看到，Intel的第二代主控延迟表现不甚理想，特别是4KiB随机写入，比SF2281要慢很多。需要说明的是，背后的因素有些复杂，在我们的例子当中，使用的测试数据是重复数据，因此在SF2281硬件压缩引擎的作用下，可以有充分的带宽去读取Flash芯片上的映射表。

第三代Intel SSD主控：PC29AS21CA0，来自Intel SSD DC S3500，Cache容量为1GiB DRAM

　　到了第三代主控，Intel使用了完全不同的做法：它取消了B-tree使用了一种平面1:1映射表，并完全装载入新的1GiB大容量DRAM当中，因此不再需要动态维护B-tree。因此PC29AS21CA0的随机操作延迟特别是写入延迟理论上会有很明显的降低，此外，延迟的时间不均衡性也会得到降低，Intel宣称SSD DC S3500可以提供75K/11K的4K随机读写延迟，并且提供了一致性的IO延迟——也就是说，提供一致性的IOPS，不会因为长时间的使用或者边界条件而导致很差的性能。

Intel SSD DC S3500的随机读写一致性，Intel保证提供在99.9%的情况下可以达到90%的读IOPS和75%的写入IOPS

　　完整的数据保护：面向数据中心

　　使用新的映射表架构的代价是需要针对1GiB容量的DRAM进行掉电保护，Intel的做法和此前没有什么不同，都是采用了大电容来进行保护，不过具体实现不太一样：

Intel SSD 710上的6个KEMET基美的T520系聚合钽贴片电容，规格为6V 470uF

Intel SSD DC S3500上具有两个35V 47uF的NCC（日本化工）Chemi-con KZH系列 黑金刚铝电解电容

　　可见，不知为何，相比SSD 710，SSD DC S3500的储电能力有所下降，这样的变化一定有其原因。

　　除了掉电保护之外，SSD DC S3500还具有完整的端到端数据保护，包括SRAM Cache、DRAM Cache、Flash NAND等全部都具有ECC保护，并且S3500提供AES-256数据加密保护，而Intel SSD 710和Intel SSD 520都只支持AES-128。

　　概括

还有一些值得一提的要点是：新的控制器支持SATA 6Gb/s，提供7mm 2.5"和5mm 1.8"两种外形因子，可靠性为200万MTBF小时

　　看完对SSD DC S3500的特点介绍，我们接下来来实际看看这个产品的样子：

Intel SSD DC S3500只有这样的环保纸盒包装，没有零售版本

　　我很怀疑企业用户是否会需要背后那张SPEED  DEMON贴纸，除了贴纸之外，S3500完全没有其它附件

Intel SSD DC S3500固态硬盘，7mm 2.5“外形因子

和一般固态硬盘稍微不太一样的是，它同时能接受+5V和+12V输入，额定电流分别为1.44A和0.6A，简单计算可以得到一样的标称功耗数值：7.2W　　

另一面是一如既往的粗糙……

你想要拆解的话，需要把正面的贴纸掀起一角，这一点也和之前的型号不同

　　除了一个螺丝孔被遮住这一点之外，S3500的拆解丝毫不成问题：

拆开来首先看到的是非主控那一侧，此外，拆下来的盖子可以看到有塑料膜保护层，企业级产品还是讲究一点

这无主控的一面另有玄机：仔细观察，第二排最右一个NAND芯片与其他七片很不相同，它的型号为Intel 29F16B08LCMF2，其它为Intel 29F32B08MCMF2-ES。

企业级SSD的讲究：防震加固PCB的几个小部件

Intel SSD DC S3500的主控侧

　　除了FTL闪存转换层的改变之外，PC29AS21CA0还是Intel首个基于SATA 3.0的控制器，它支持SATA 6Gb/s速率，支持ATA8-ACS2和SCT指令集，支持SMART、NCQ和Trim。PC29AS21CA0是一个8通道的主控，之前的BA0、AA0均为10通道。它搭配了两块Micron的D9PCP DDR3-1600 ECC DRAM。

　　此外，跟另一面对比，SSD S3500主控这一面的NAND芯片也有玄机：第二排最后一个NAND与众不同，它的型号为Intel 29F64B08NCMF2-ES，其它为Intel 29F32B08MCMF2-ES，结合另一面，可以看到S3500总共用了14片32GiB的29F32B08MCMF2-ES、1片32GiB的29F64B08NCMF2-ES、1片16GiB的29F16B08LCMF2。总容量为528GiB，提供给用户的则是480GB，注意到GiB和GB的差异，有约15.3%的总容量用于存放映射表、ECC以及Over Provisioning和Wear Leveling。这样不对称的搭配有些诡异，它表明映射表可能是保存在固定的NAND芯片上面。

两个35V 47uF的NCC（日本化工）Chemi-con KZH系列 黑金刚铝电解电容。

Intel SSD DC S3500总拆解图

　　看完拆解，接下来我们就开始准备测试了。

　　我们使用了一台Intel Sandy Bridge-E + X79平台来进行测试，Sandy Bridge-E是Intel顶端的桌面平台（直到最近被Ivy Bridge-E替代）。平台采用Core i7 3960X处理器，主频3.33GHz，搭配的芯片组为Intel Patsburg，也就是PCH X79。CPU提供了40个PCI Express Gen3 Lanes，PCH额外提供了8个PCI Express Gen2 Lanes。PCH X79提供了6个SATA接口：2个SATA 6Gb/s、4个SATA 3Gb/s，Intel SSD DC S3500接在第二个SATA 6Gb/s接口上。测试使用的操作系统是Windows Server 2012 Datacenter，安装了最新的Intel Rapid Storage Technology 12.8.0.1016 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 Sandy Bridge + X79测试平台

　　Intel Core i7 3960X

　　32GiB RAM

　　处理器子系统

　　处理器Intel Core i7 3960X

　　处理器架构Intel 32nm Sandy Bridge-E

　　处理器封装2011 FC-LGA

　　45.0 mm x 52.5 mm

　　2270M Transistor

　　处理器规格六核

　　TDP: 130W

　　处理器指令集MMX,SSE(1,2,3,3S,4.1,4.2),EM64T,VT-x,AES,AVX

　　L3 Cache20MiB @ Core Speed

　　20路组关联

　　内存控制器每CPU集成四通道DDR3 1600

　　内存4GiB DDR3 1600 SDRAM x8

　　@ DDR3-1600

　　IO子系统

　　PCI ExpressCPU:40 Lanes PCI Express 3.0

　　PCH:8 Lanes PCI Express 2.0

　　SATASATA 6Gb/s x2

　　SATA 3Gb/s x4

　　存储子系统

　　SSDIntel SSD DC S3500 480GB

　　控制器Intel PC29AS21CA0

　　接口SATA 6Gb/s

　　软件环境

　　操作系统Windows Server 2012 Datacenter x64

　　驱动程序Intel Rapid Storage Technology 12.8.0.1016

　　测试软件Iometer 1.1.0 rc1

　　我们首先测试了Intel SSD DC S3500的基准性能指标，并对其延迟进行了重点测试，接着进行应用性能指标测试。测试结果与Intel SSD 710和SSD 520进行对比。最后，我们还进行了一些特别的测试。在阅读接下来的测试前，我们再来复习一下二进制词头：

　　IEC（International Electrotechnical Commission）在1998年提出了新的二进制词头，在通常的SI十进制词头后面增加了一个字母i，i表示的是binary，例如，1KiB=1024B，依次类推，这套记法被称为IEC 60027-2单位制，后来演变成ISO/IEC IEC 80000-13：2008规范。

　　在后面我们可以看到4KiB、1MiB等容量，可有4KiB=4096B、1MiB=1024KiB=1048576B=1048.576KB=1.048576MB，请加以注意。

　　首先进行的是基准指标测试：4KiB和1MiB下的性能：

连续读取性能测试

随机读取性能测试

　　结果可能不令人惊讶，Intel SSD DC S3500提供了92.8K的4KiB连续读取IOps和84.3K的4KiB随机读取IOps，比Intel SSD 710分别要高108%和88.6%。

写入性能测试

连续性能测试

　　Intel SSD DC S3500的4KiB连续写入和随机写入可以达到约62.8K和63.7K，其中随机写入要比SSD 710高出很多，和默认的标称值11K也有明显的差距，这个是怎么回事呢？下一页我们再详细介绍。

读取性能测试

写入性能测试

　　使用1MiB的块大小，Intel SSD DC S3500可以获得546MiB/s的连续读取传输速率，注意MiB和MB的分别，换算过去可以达到572MB/s，很接近SATA 6Gb/s接口600MB/s的上限了。写入则大约在410MiB/s左右，峰值为423MiB/s。

　　前面说过，第三代Intel SSD主控采用了完全不同的FTL逻辑，因此其延迟会有提升，接下来我们就来看看这个提升：

随机读取延迟

　　相比710，S3500在32队列深度降低了47.2%的延迟，在256队列深度降低了46.8%的延迟；在256队列深度，S3500对比SSD 520也要低27%。

随机写入延迟

　　写入有两种情况：4KiB块对齐和不对齐，不对齐写入会有什么影响？这意味着4KiB的写入会跨越两个4KiB的Pages，这会很大地降低写入性能。根据测试，对齐和不对齐，S3500的延迟数值变化有5.9倍。不对齐写入，在高队列深度下，SSD S3500的延迟是SSD 520的3倍，改为对齐写入的话，延迟则反而只有SSD 520的42.8%（256队列深度）；至于SSD 710的延迟……在256队列深度下达到了103ms，是S3500的25倍！

随机写入性能测试

　　因此，根据对齐和不对齐，我们具有两个IOps曲线，4KiB对齐随机写入为63.7K IOps，4KiB不对齐随机写入为14.7K IOps，后者和标称的11K接近，因此我们知道了，Intel给出的标称值是不对齐情况下的。

随机写入性能测试

　　重新做了一个包含对齐和不对齐的IOps图。现在很多HDD都已经迈向了4KiB扇区，而很多SSD也已经开始使用4KiB对齐读写作为指标，Intel应该顺应潮流才对。

　　我们的测试表明，Intel的第三代控制器具有着非凡的表现，在256队列深度下，读取延迟降低了46.8%，写入延迟降低了96.0%！在32队列深度下，读取延迟降低为47.1%，写入延迟降低为95.4%，效果显著，随机读写IOps也随着明显提升。

　　测试完基准性能指标之后，我们再来看看企业应用脚本下的性能：

文件 服务器：17.4K IOps。

网站服务器： 25.6K IOps。

数据库服务器：23.6K IOps。

工作站：29.4K IOps。

　　对比使用第二代控制器的Intel SSD 710，Intel SSD DC S3500在各种应用中提升的幅度在1倍到3.8倍左右。

　　我们对Intel SSD DC S3500使用的电容比较在意，正好笔者手上有一个UNI-T UT61E万用表，预示就进行了一个额外的小测试：

电路板上的两个35V 47uF的NCC（日本化工）Chemi-con KZH系列 黑金刚铝电解电容：

 电压测试

　　工作时电容上的电压高达33.29V，注意人体安全电压是36V，因此这个固态硬盘可不能随意乱碰！也因此SSD内部添加了塑料内衬以起保护作用。为何要浪费大量的PCB来添加DC-DC升压线路将电压从+5V/+12V升到33.29V，而不是使用Intel SSD 710上面的贴片方案呢？可能是为了维持PCB的电气性能。不过，尽管使用了较高的电压，不过其储存电量经过计算仍然不及SSD 710，这个应该就如前面所说的，第三代Intel控制器的映射表保存在特定的NAND芯片上，这个很可能跟S3500采用的非对称NAND芯片方案（14个32GiB芯片、1个64GiB、1个16GiB）有关——电容只需要对该NAND芯片供电即可。

Intel SSD 710上的6个KEMET基美的T520系聚合钽贴片电容，规格为6V 470uF

　　Intel SSDDC S3500采用了Intel的第三代SSD主控：PC29AS21CA0，其FTL映射表抛弃了以往的B-tree结构而转用1:1的平面结构，并通过高达1GiB的DDR3-1600 DRAM（较低容量的型号使用512MiB的DRAM）将整个映射表缓冲，从而达到了极为出色的随机访问性能，根据我们的测试，Intel SSD DC S3500 480GB在256队列深度下，读取延迟降低了46.8%，写入延迟降低了96.0%，它可以提供84.3K的4KiB随机读取IOps以及63.7K的4KiB随机写入IOps，远比基于第二代主控的Intel SSD 710要高。

第三代Intel SSD主控：PC29AS21CA0，来自Intel SSD DC S3500，Cache容量为1GiB DRAM

　　只是需要注意的是63.7K的4KiB随机写入数值需要4KiB块对齐，在不对齐的情况下，S3500只能达到14K的4KiB随机IOps。

Intel SSD DC S3500总拆解图

　　经过实际检测，我们还发现了SSD DC S3500内部使用两个35V 47uF的电解电容，储存了高达33.29V的电压，这样的结构可能跟S3500采用的非对称NAND芯片方案（14个32GiB芯片、1个64GiB、1个16GiB）有关联。

Intel SSD DC S3500固态硬盘，20nm MLC，发布日期2013年Q2，代号Wolfsville

　　还有一项未来得及表现的是IOps稳定性，在我们的测试当中，Intel SSD DC S3500表现很稳定，包括SSD 710的固态硬盘在经过笔者的测试脚本测试数次之后，性能都有较明显的降低，S3500则没有。除了不太耐写之外，Intel SSD DC S3500是一个让人十分满意的产品，这让笔者对Intel SSD DC S3700的兴趣变得更大了。

Intel SSD DC S3500拥有比标称值高4.5倍的4KiB随机写入性能，只要你的操作是4KiB对齐的