原创 消费型、企业用SSD测试大解谜

1. 硬盘元件分析  Hardware Components Analysis
2. SSD性能表现足迹分析 SSD Performance Footprint Analysis

 

硬件组件分析 （Hardware Components Analysis）

SSD标榜高效能、低功耗、高耐受度及体积轻薄等特性，即使是相同品牌的SSD也会有不同的硬件设计，尤其针对不同的目标客户群时，会有些许零件上材料上的差异，这些差异就有可能造成性能及稳定度的不同。在硬件组件分析的过程中，百佳泰的资深专家团队拆开硬盘，检视其内部构造，并分析硬盘的各项组件，包含：Controller、PMIC、NAND Flash、Poly-Tantalum Capacitor及LPDDR2，并就其排列设计观察优缺点，给予建议。

表二：六款受测硬盘的硬件组件结构

如表二中简单地列出了这六款硬盘的组成组件，其中硬盘E与F这两款硬盘在各方面的条件上等级是比较接近的，因此我们再进一步挑选了这两款硬盘做比较，分别就「断电装置保护设计」及「印刷电路板设计」两个层面做个案分析。

图一：左图为硬盘E；右图为硬盘F

 

断电装置保护设计（ Power Protection Design）

硬盘E与F这两款企业级硬盘都有设计断电保护装置，来预防意外断电产生时，保护数据存取完整性。图一中，硬盘E使用15颗POS cap和12V的电压升压装置（Voltage Boost）。至于右图的硬盘F则在Power Loss Protection设计上使用了2颗Supercap，在设计成本上高于硬盘E。然而，根据资深专家指出，除了Supercap的工作电压过于接近操作电压外，硬盘F的4V电源设计比较有机会在系统开关机的过程中，产生开机时序错乱的问题。

 

图二：左图为硬盘E；右图为硬盘F

 

印刷电路板设计要点分析（PCB Layout Point）

由图二可以看到硬盘E的印刷电路板（Printed circuit board；PCB）设计明显比硬盘F的还要干净、整齐，而简洁的电路更容易让设计者能对电源的Layout布局做有效的分配，避免不必要的信号干扰。硬盘E把电源电路依序分置于PCB上不同地方并靠近电力的使用源，而这样的安排不仅能够减少讯号交互藕合（Noise Coupling）进而造成干扰（Interference）的问题，也能有效抑制因为设计不良而导致热消耗（Thermal Dissipation）无法散热的风险。硬盘F则因所有电源的安置邻近彼此，进而会增加讯号交互藕合的机会，干扰硬盘运作、增加不稳定性，同时也较容易产生热消耗的问题，影响整体的质量。

 

SSD性能表现足迹分析 （SSD Performance Footprint Analysis）

市面上针对消费型硬盘所设计的效能测试工具，例如：CrystalDiskMark，并不能忠实呈现企业用硬盘在真实环境中的表现，无法验证企业级产品的真实功效。如表三所示，硬盘A在消费型测试工具上的表现理想，但是在企业级测试标准上却不尽理想；反观硬盘F虽然在消费型测试工具上表现平平，但是在企业环境使用上却性能表现良好。因此，百佳泰选了几个专门测试企业用硬盘的工具，加上我们自己累积多年经验开发的工具，针对企业用服务器工作量仿真、读写速度耐久度、产品性能退化、性能退化一致性…等，各方面来评估受测产品的整体表现。以下为分析SSD性能表现足迹所采用的三种不同测试工具：

File IO Benchmark - Server Workload

File IO Benchmark - Sustained Test

Allion Benchmark - Performance Stability Test

File IO Benchmark - Enterprise File IO Data Payload

Database Benchmark - SysBench

表三：消费型测试标准VS. 企业级测试标准

 

File IO Benchmark - Server Workload

测试工具为：VDBench

测试平台为：Intel Z87、Core i7、16GB RAM

企业所需要处理的数据规模比一般消费者使用的还要大，因此我们所选的这套工具能够模拟企业用服务器在面对巨量资料时的情景，反应硬盘在处理邮件、串流影音、网络档案时的效能表现，做厂商再挑选产品时的参考之一。

图三：模拟邮件服务器工作量测试

 

图四：仿真多媒体串流工作量测试

 

图五：模拟服务器在处理网页档案工作量测试

 

 

表四：Server Workload的测试结构

 

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的测试中，硬盘E在邮件服务器工作量（Mail Server Workload）中，在相同的时间内以最高的每秒输入输出数（IOPS）超过其他五款硬盘。而硬盘F在多媒体串流工作量（Media Streaming Workload）和网页档案工作量（Web File Server Workload）两测项中，表现最优异，尤其在网页档案工作量上，硬盘F大幅领先其他产品。从上面三张图可以看到硬盘C的表现皆为倒数第二名，甚至名次低于消费型硬盘B，显示出的企业用低级eSSD入门产品并不一定在各方面表现都优于消费型硬盘。

File IO Benchmark - Sustained Test

测试工具：IOmeter

测试平台：Intel Z87、Core i7、16GB RAM

根据联合电子设备工程委员会（JEDEC）的数据显示，4K单位大小档案是企业用SSD最常遭遇的档案大小。此耐久度测试采用IOmeter工具产生的4K QD 32 Random Write来测试6款硬盘在连续24小时中，读写速度是否会因为时间的拉长而改变。

图六：24小时读写速度耐久度测试

如图六所示，在24小时读写速度耐久度测试中，每一款硬盘一开始都会有很高的IOPS值，但是在剩下的22小时中都会骤降至稳定的速度状态。

图七：前30分钟内效能退化比较表

我们若把耐久度测试的数据结果聚焦在第一个小时中，由图七可以发现硬盘A跟硬盘C的效能退化下降幅度比较大。另一方面，硬盘F的效能退化低于其他五款，平均而言，在24小时的测试当中拥有最高的读写速度，显示出硬盘F在长时间的Random Write压力测试下能够有最佳的表现，符合企业级产品所需的可靠稳定性特质。

Allion Benchmark - Performance Stability Test

测试工具：Allion stress tool

测试平台：Intel DZ68DB system

差劲的耗损平均技术（Wear Leveling）遇上吃重的工作负荷时，硬盘可能会产生性能不一致（Performance Inconsistency）或尚余储存空间变动减少（Fluctuation）现象。因此，百佳泰凭借着耕耘SSD产品验证多年的技术经验，专门开发的企业级产品测试解决方案，客制化的性能稳定度测试（Performance Stability Test）能诊断出受测产品是否有性能不一致缺点，确保产品质量可靠度。百佳泰的性能稳定度测试能仿真企业用硬盘在处理大档案的情境，设计总共10TB的真实数据存取工作量，文件类型包含：影片（例如：3GP、AVI）、声音（例如：MP3、WAV）、图片（例如：BMP、JPG）及其他（例如：BAT、DLL、ZIP），并针对4K Random/Sequential读写、16K Random读写、64K Sequential读写进行性能表现监控。

评分标准是以每一受测产品整体的读写表现数值做为平均值，并设自身平均值的正负10%为标准范围。如果一硬盘95%以上的读写表现数值均分布在自己的标准范围外，则会被警告为性能不稳定（Unstable）。汇整并整理原始资料后，从表四可以看到硬盘F有最好的稳定度表现，只有在4K Random写入速度上表现不稳定。硬盘A则表现最差。硬盘E虽然售价比企业用入门等级硬盘D高，但是在稳定度表现却没有相对稳定的表现，因为硬盘E在大档案的写入存取上，稳定度表现并不理想。

表五：性能稳定度测试比较I.

从整体的表现来看，数值最高的10%跟数值最低的10%相差值如果超过平均数值的20%，则代表有潜在的风险危机。在表五中我们可以发现，硬盘F只有在4K Random写入测项上有高的水平差异性（level disparity），整体的表现则是最为稳定，符合企业用产品所需的特征。反观硬盘A与硬盘E在10TB数据量存取上有极高的水平差异性（level disparity）显示出SSD的发展至今，虽然性能表现速度越来越快，但是厂商在维持产品的稳定度上还是有长足进步的空间。

表六：性能稳定度测试比较II.

File IO Benchmark - Enterprise File IO Data Payload

测试工具：VDBench

测试平台：Gigabyte GA-Z77-D3H

为了要评估受测产品在长时间企业用环境下的压力表现，我们选用VDBench测试工具，仿真硬盘在处理0.5K、4K、16K到64K等不同档案大小时的性能表现。除了配置文件案大小外，并根据JEDEC的企业用工作量定义：40% Random读取、60% Random写入，设定测试标准，分析硬盘在50个小时受测时间中的性能表现，并依照IOPS的结果来评断受测产品的表现。从图八可以看到硬盘F的IOPS的平均值超过1000，领先其他产品，性能表现最佳。

图八：Enterprise File IO Data Payload测试比较结果

若我们把Random读取调高至70%、Random写入调低到30%，同样可以看到硬盘F的IOPS仍然保持高水平，显示出这款硬盘在处理不管是随机读取还是随机写入档案时都能保有一定水平的效能表现。如图九所示，硬盘C在8至16小时中间发生性能下降的现象，显示出这款硬盘在处理企业用数据时有不稳定的现象。

图九：Enterprise File IO Data Payload II. 测试比较结果

Database Benchmark - SysBench MySQL

测试工具：SysBench MySQL

测试平台：Dell T620 Xeon*2, 64GB RAM

MySQL作为企业使用的数据库系统已经有多年历史，最大的优点就是效能高且可靠度高。我们以此测试工具模拟200个用户的中型企业数据库环境，测试设定使用40个Table同时运算，每个Table有一千万笔数据（数据量约106GB）。评量方式为储存装置在不同的Buffer Pool Size设定和多个Thread设定下的性能表现。

当设定OLTP吞吐量的Buffer Pool Size低于15GB，且Thread为64时，如图十所示，硬盘F的平均数据吞吐量值为2820.63，为表现最佳的硬盘。而图中每一个点都是测试时的吞吐量落点，点与点之间越离散的话则表示性能表现越不一致，例如：硬盘A和硬盘C，都有此问题。而硬盘F除了在此测试上有最佳表现外，其稳定的性能足以胜任中型企业数据库环境的使用。

图十：OLTP吞吐量测试比较结果

表七：受测产品的竞争力分析

 

百佳泰的专家团队认为硬盘F在绝大多数的企业级性能测试上都有绝佳的表现，其硬件组件也是采高规格的设计，但是他的高价定价策略可能会让中型及小型企业却步，因为不是每个公司都需要顶级规格的SSD。此外，我们观察到在硬盘A到E的受测产品中，彼此之间的硬件组件设计并没有特别显著的差别，但是其差别定价（Price Discrimination）策略让这品牌各类型的产品能够符合各种不同需求，进而增加市场占有率，因此如果硬盘F的厂商也采取此方式，开发适用于不同规模企业的SSD话，定而能够增加竞争优势。

 

SSD在随着使用时间增长、读写次数增加之后，造成效能退化或是可用储存空间减少，都会影响到SSD整体的表现。我们预测随着SSD的价格逐渐亲民化，未来不管是一般消费者用还是企业级产品，势必将会有一场厮杀战即将开打。虽然此次的测试着重于效能衰退、耐受性及稳定度的测试，但是我们建议厂商除了采取完善的性能测试之外，也能同时比较竞争对手的产品，增加自己产品的竞争力，这样才能在市场上傲视群雄。更多SSD相关测试解决办法请参阅http://www.allion.com.cn/storage.html 。