Поддержка NVMe Boot
Технический обзор
Поскольку технология NVMe до сих пор развивается, конфигурирование вашей системы для осуществления загрузки с устройства SSD с использованием NVMe может оказаться сложной задачей. Для лучшего понимания конечной цели и более эффективного решения возможных проблем важно иметь общие представления о процессе загрузки и UEFI.
Основные определения
| Аббревиатура | Расшифровка | Значение |
| NVMe | Non-Volatile Memory Express | Инструкция следующего поколения для обращения к SSD через шину PCI Express с большей пропускной способностью и меньшей задержкой |
| PCIe | Peripheral Component Interconnect Express | Стандартное соединение у большинства систем, поддерживающее высокую скорость SSD с NVMe |
| UEFI | Unified Extensible Firmware Interface | Пришедшая на смену классическому BIOS инструкция для системной прошивки, обеспечивающая программную прослойку между операционной системой и системной прошивкой |
| CSM | Compatibility Support Module | Настройка совместимости с UEFI, дающая возможность осуществлять загрузку в традиционном BIOS-формате путем эмуляции среды BIOS |
Загрузка с SSD с использованием NVMe и PCIe осуществляется только в системе, которая поддерживает UEFI – новую системную прошивку для усовершенствования классического BIOS и стандартизации системных процессов загрузки, установки драйверов и др.
Важно, что установщик операционной системы загружается в режиме UEFI, чтобы обеспечить требуемую конфигурацию операционной системы для осуществления загрузки также в режиме UEFI. Загрузка в UEFI-режиме позволяет установщику создать вход в загрузочное меню UEFI и создать на загрузочном устройстве системный раздел EFI, в котором будет размещаться загрузчик устанавливаемой операционной системы.
Когда начинается процесс загрузки системы, менеджер загрузки UEFI начинает загрузку драйвера UEFI, встроенного в прошивку SSD. Этот процесс позволяет системной прошивке получить полный доступ к SSD – включая любые разделы, имеющиеся на устройстве. Менеджер загрузки продолжит искать загрузчик операционной системы в системном разделе EFI. Этот загрузчик в дальнейшем будет запускаться каждый раз при загрузке операционной системы.
Условия совместимости
Загрузка с SSD с использованием NVMe не гарантирует работу на любой системной конфигурации; даже при успешной загрузке могут обнаружиться специфические требования.
Аппаратная совместимость
Для поддержки необходимого драйвера NVMe на базе UEFI ваша система должна иметь прошивку UEFI 2.3.1 или более позднюю версию. Если ваша система куплена после 2012 г. или поставлялась с предустановленной операционной системой Windows* 8, она скорей всего поддерживает UEFI. Уточните это у представителей производителя вашей системы.
В общем случае это материнские платы на чипсетах Intel Z97, X99 и более современных, с BIOS, обновленным до последней версии. Для более старых плат следует уточнять поддержку NVMe Boot на сайте производителя материнской платы.
Совместимость с операционными системами
Для успешного использования в качестве загрузочного устройства SSD с NVMe и PCIe операционная система должна поддерживать NVMe: непосредственно или через дополнительный драйвер (см. таблицу ниже). Поддержка UEFI осуществляется только в 64-разрядных операционных системах. Для наилучшей совместимости рекомендуется использовать Windows* 10.
Апгрейд по-чёрному: запускаем NVMe SSD в Windows 7 и 10
Мы рассмотрим преимущества логического интерфейса NVMe новой спецификации 1.3 на примере твердотельного накопителя формата M.2 из обновлённой серии WD Black SN750. Заодно покажем, как сделать «невозможное» и использовать современные SSD на старых компьютерах.
Над контроллером и чипами памяти этой серии трудились инженеры одной команды, так что модель обещает быть интересной сама по себе. Для чистоты эксперимента тесты выполнялись параллельно в Windows 10 Enterprise v.1803 и Windows 7 SP1 x64.
Как подружить любой NVMe SSD c Windows 7 SP1 x64? Для этого нужно установить два патча, которые добавляют в «семёрку» поддержку современных твердотельных накопителей с логическим интерфейсом NVMe. Microsoft внезапно™ убрала их со своего сайта, стимулируя переход на «десятку». Поэтому вот [копии KB3087873 + KB2990941] и контрольные суммы (хеши MD5) для проверки их целостности. Вдохни новую жизнь в древнее железо!
Пропатченная Windows 7 SP1 x64 может использовать NVMe SSD как обычные накопители, но неспособна считывать их расширенные атрибуты через API. Поэтому возникают сложности с оценкой атрибутов SMART. На повседневной работе это никак не сказывается. Забегая вперёд, отмечу, что даже скорости в седьмой винде получаются практически такими же, как в «десятке», если накопителю не требуется специфический драйвер (как раз наш случай). Если на вашей материнке нет разъёма M.2 (NGFF), то установите SSD в переходник M.2 – PCI-E x4. Он выглядит примерно так.
Адаптер M.2 – PCI-E x4
# Технические характеристики
В серии SN750 присутствуют модели объёмом от 250 Гб до 2 Тб. Самые шустрые – терабайтные накопители WDS100T3X0C и WDS100T3XHC (бука «H» расшифровывается heatsink и указывает на наличие радиатора). Именно их характеристики указываются на коробке любого экземпляра.
Вот краткие спецификации предоставленной на обзор модели WDS500G3X0C без радиатора:
- форм-фактор: M.2 2280;
- логический интерфейс: NVMe 1.3;
- расположение чипов: одностороннее (легче установить в компактные системы);
- буфер SDRAM: DDR4-2400, 512 Мб;
- ресурс записи: 300 Тб (600 P/E циклов на ячейку)
- неформатированная ёмкость: 500 107 862 016 байт
- среднее время наработки на отказ: 1,75 млн. часов
- размеры: 80 х 22 х 2,4 мм
- масса: 7,5 г.
После создания одного раздела NTFS доступный пользователю объём составляет 465,76 Гб. Около 2% занимает служебная область (over-provisioning), ещё немного теряется при форматировании, а остальное «съедает» разница между двоичной и десятичной системой счисления. В итоге полезный объём оказывается на 18 гигабайт больше по сравнению с другими SSD, выпускаемыми с паспортной ёмкостью 480 Гб.
Полная и доступная ёмкость на WD Black SN750, 500 Гб
Наиболее полные характеристики можно посмотреть в программе AIDA64.
Полный паспорт WD Black SN750 (картинка кликабельна)
# WD Black SN750 под микроскопом
По привычке хотел написать «проведём вскрытие», но в данном случае вскрывать нечего – разве что снять наклейку и посмотреть маркировку чипов под ней с небольшим увеличением. Так и сделаем!
Обнажённый SSD WDS500G3X0C (картинка кликабельна)
Посередине платы находится фирменный контроллер SanDisk 20-82-007011. Как вы наверняка помните, в 2016 году Western Digital купила SanDisk. Поэтому не удивительно, что на WD Black SN750 мы видим 28-нм восьмиканальный чип «дочки» концерна WD. Правда, в тестируемой нами 500-гигабайтной модели задействовано всего два канала.
Зато контроллер помимо трёх процессорных ядер архитектуры ARM Cortex-R содержит дополнительные модули, реализующие на аппаратном уровне те функции ускорения, которые у других выполняются драйверами. За чтение флэш-памяти и начальную коррекцию ошибок в контроллере отвечают отдельные вычислительные блоки, разгружая ядра ARM для более ресурсоёмких операций. Поэтому специфичного драйвера для WD Black SN750 не требуется, он работает с универсальным.
Слева и справа от контроллера находятся две микросхемы флэш-памяти SanDisk 05563 256G. Это сборки по восемь 256-гигабитных 64-слойных чипов TLC 3D NAND третьего поколения (BiSC3). Они были крайне популярны в 2018 году, а сейчас производители массово внедряют микросхемы памяти четвёртого поколения (BiSC4, 96 слоёв) и одновременно анонсируют скорый выход BiSC5 (128 слоёв).
Многослойные чипы хороши с точки зрения более высокой плотности хранения данных и удешевления массового производства, однако наращивание слоёв негативно влияет на стабильность показателей ячеек и ресурс их перезаписи.
Так или иначе, WD даёт на этот накопитель пятилетнюю гарантию, а морально устаревшие BiSC3 сейчас выглядят разумным компромиссом. Каких-то проблем с компактным размещением больших объёмов с ними тоже не наблюдается. В серии WD Black SN750 есть даже двухтерабайтные модели!
Между контроллером и одним из модулей памяти находится микросхема H5AN4G6NBJR производства SK Hynix. Это SDRAM-буфер стандарта DDR4, имеющий объём 512 Мб и работающей на частоте 2400 МГц с таймингами 17-17-17.
Основная роль этого буфера – ускорить трансляцию адресов, поэтому его объём подбирается исходя из ёмкости самого SSD. Дополнительные мегабайты погоды не сделают, а вот за высокую частоту производителю большое спасибо! Обычно с ростом тактовой частоты повышается и нагрев, но здесь беспокоиться не о чем. Допустимая работа модуля DDR4 составляет 95°С. Это на 10 градусов ниже критической температуры контроллера и на 25°С выше той, на которой SSD начинает сбрасывать частоты во избежание перегрева.
Кстати говоря, контроллер SanDisk 20-82-007011 применяет двухуровневый троттлинг согласно спецификациям NVMe 1.3. При температуре выше 70°С он сначала пропускает единичные такты, а затем снижает эффективную частоту сильнее, и только если температура продолжает расти.
На практике ни того, ни другого обычно не происходит. В наших тестах максимально зарегистрированная температура WD Black SN750 составила 48°С при 22°C за бортом. Никакого дополнительного охлаждения не использовалось, просто рядом со слотом M.2 не было дискретной видюхи, которая обычно нагревает всё вокруг.
Едва заметный чип под вторым модулем памяти – схема управления питанием со встроенным стабилизатором. Опознать её по маркировке у нас не получилось, но результат её работы великолепен. Накопитель моментально переключается между состоянием простоя и максимальным быстродействием, радует скоростями и практически не греется. Возможно, благодарить за это стоит и новые спецификации NVMe, предусматривающие продвинутые режимы управления питанием.
Если у вас ноутбук или компьютер, подключённый через ИБП, то для максимальной производительности SSD компания Western Digital рекомендует отключить очистку буфера кэша записей Windows и функции энергосбережения в свойствах накопителя.
Отключение очистки буфера
Последнее также можно выполнить, включив режим Gaming Mode в фирменной утилите SSD Dashboard. Помимо этого она предоставит информацию о текущем состоянии накопителя, обновит прошивку и покажет степень его износа. Также в ней есть функция мониторинга текущей производительности SSD, чем мы и воспользуемся в тестах.
# Тесты реальные и синтетические
По негласной традиции начнём со скриншотов Crystal Disk Benchmark. Большие (во всех смыслах) цифры этого бенчмарка очень радуют обозревателей и покупателей.
WD Black NVMe SN750 в CrystalDiskBenchmark 6.0.2
Внушительные значения полностью соответствуют заявлению производителя о скоростных характеристиках SSD. Действительно, он демонстрирует «до 3470 Мб/с» и даже чуть выше. При этом не стоит забывать, что CrystalDiskMark – хитрая программа. Она фиксирует максимальный результат чтения из SLC-кэша, которому в реальной жизни соответствует начало операций с файлами, превышающими его размер.
Чтение из основной памяти TLC 3D NAND хорошо показывает другая программа – обновлённая в 2019 году Victoria, в которую её бессменный разработчик Сергей Казанский добавил поддержку SSD.
Скорость чтения из TLC-памяти
Утилита выполняет прямое посекторное чтение, и на графике мы видим характерную для многоуровневых ячеек флэш-памяти «гребёнку». Максимальная скорость составляет около 700 Мб/с, минимальная – 420 Мб/с, а устоявшаяся средняя – 500 Мб/с. То есть, это примерно как у накопителей с интерфейсом SATA 3. Вполне ожидаемый результат – сама флэш-память ведь не стала быстрее, изменилась лишь логика работы с ней.
Следует отметить, что режим посекторного чтения характеризует физические возможности массива TLC 3D NAND. Файловые операции на SSD ускоряются как программно, так и самим контроллером. Поэтому в большинстве пользовательских сценариев WD Black NVMe SN750 оказывается гораздо быстрее.
Для проверки создадим файл с размером, заведомо превышающим объём SLC-кэша. Скажем, 50 гигабайт. Теперь скопируем его с другого SSD на наш тестовый WDS500G3X0C.
Запись на SSD 50-гигабайтного файла
Запись начинается очень бодро – около 2,5 Гб/с, но как только SLC-кэш заканчивается, происходит падение скорости. На графике мы видим плавное снижение, а не резкий провал. Причиной тому технология nCache 3.0, аппаратно реализованная в контроллере. Она позволяет организовать работу со статическим SLC-кэшем параллельно прямой записи в TLC-массив. Поэтому скорость записи после опустошения кэша получается выше, чем у большинства аналогов – 826 Мб/с.
Практически такой же результат показывает мониторинг активности SSD в режиме реального времени через фирменную утилиту WD SSD Dashboard.
Фирменная утилита Western Digital для SSD
Пик вначале, а затем спад до изолинии на уровне около 830 Мб/с. Весьма неплохо для TLC 3D NAND! Разделение потоков для повышения скорости записи также стало возможным благодаря поддержке WD Black SN750 спецификации NVMe 1.3.
Тест чтения случайных блоков хорошо имитирует одновременное обращение к накопителю нескольких процессов.
AIDA64 Random read
Здесь с учётом SLC-кэша (всплески до 1,5 Гб/с) наблюдается даже ещё более высокая средняя скорость на уровне 934 Мб/с. Запуск часто используемых программ и открытие недавних документов должны происходить практически мгновенно.
# Выводы
WD Black SN750 – это ремейк довольно удачной серии SN720 на уровне прошивки и вариантов компоновки. Она имеет расширенный до 2 Тб модельный ряд, накопители с радиатором и без, а сами SSD стали чуть умнее, быстрее и холоднее.
По сравнению с подобными SSD, использующими интерфейс SATA 3 (6 Гбит/с), новые NVMe-накопители серии WD Black SN750 демонстрируют многократный прирост скорости для ключевых операций. Случайное чтение и запись стали быстрее в 2-2,5 раза, а линейная запись в пределах SLC-кэша – в 3,3 раза. Последовательное чтение из SLC-кэша ускорилось в 4,5 раза и фактически лимитируется пропускной способностью PCI Express 3.0 x4, которая пару лет назад казалась запредельной.
Напомним, что линии PCI Express 3.0 имеют скоростной лимит на уровне 8 млрд транзакций в секунду, а для кодирования каждых 128 бит приходится использовать ещё 2 служебных. Таким образом, для четырёх линий PCI Express 3.0 получаем теоретическую планку 3,93 Гб/с. На отдельных операциях SSD WDS500G3X0C очень близко подошёл к теоретическому пределу внешнего интерфейса.
Если компания Western Digital увеличит объём SLC-кэша, или сделает его динамически настраиваемым в широких пределах, то обновлённые твердотельные накопители станут ещё более интересным решением.
Устройство для обзора предоставлено компанией Western Digital.
