Ssd's met SATA- en PCIe-interface getest

Flashgeheugen wordt niet alleen steeds sneller, maar ook steeds zuiniger. Althans, dat beloven de fabrikanten. Goedkoper worden de ssd’s in ieder geval wel, zelfs de snelle modellen met PCIe-interface.

De actuele opslagstandaard voor ssd’s is 3D-TLCNAND, het flashgeheugen dat op driedimensionale wijze is opgebouwd en per cel een opslagcapaciteit van drie bits heeft. Het oudere en duurdere MLC-NAND-geheugen zit nog maar in weinig ssd’s en het goedkopere QLC-NAND met een geheugencapaciteit van vier bit per cel kom je nog bijna nergens tegen.

In alle tien de ssd’s die we getest hebben zit dan ook het momenteel gangbare TLC-NAND. De collectie ssd’s die we in huis hadden bestond onder andere uit de betaalbare Micron 1300 en de Verbatim Vi550 S3, en twee buitenbeentjes: de Seagate Ironwolf 110-ssd voor NAS-systemen en de Teamgroup T-Force Delta Phantom Gaming RGB-ssd, waarvan zijn rgb-ledlampjes naar wens vanuit de pc aan te sturen zijn.

De PCIe-ssd’s die we getest hebben zijn de Adata Gammix S11 Pro, Patriot Viper VPN100 PCIe m.2 SSD, Seagate Firecuda 510, Transcend PCIe-ssd 220S en de

Black SN750 en Blue SN500 van WD. Deze M.2-ssd's zijn 22 millimeter breed en 80 millimeter lang (2280).

SATA VERSUS PCIE

In theorie is een ssd met PCIe-interface beduidend sneller dan een ssd met sata-aansluiting. In plaats van maximaal 600 MB/s haalt de PCIe-interface met een aansluiting van vier PCIe-3.0-lanes een brutosnelheid van bijna 4 GB/s. In de praktijk merk je echter nauwelijks verschil, hooguit bij het kopiëren van grote hoeveelheden gegevens of als je bijvoorbeeld een videoproject opslaat.

De snelheid waar je echt iets van merkt, is de veel kortere reactietijd vergeleken met een mechanische harde schijf. Bij een harde schijf moet eerst de leeskop zich naar de juiste positie verplaatsen, die dan gemiddeld een halve rotatie moet wachten totdat de juiste gegevens langskomen. Een ssd heeft echter maar een latentie van enkele tientallen microseconden.

Bij het starten van een besturingssysteem of van een groot softwarepakket moeten er allerlei kleine bestanden worden geladen die overal op de harde schijf verspreid kunnen zijn. Ssd’s leveren de gegevens dan beduidend sneller. Maar of een snelle sata-ssd in een benchmark nu tot 100.000 zogeheten ‘input/output operations per second’ (IOPS) haalt of een echt snelle

PCIe-ssd meer dan 700.000, speelt in de praktijk geen grote rol. Want zoveel gegevens hoeven nooit tegelijkertijd verwerkt te worden, niet door het besturingssysteem en niet door een softwaresuite. Volgens een intern onderzoek van Intel is de gemiddelde aanvraagdiepte (Queue Depth, QD) op de desktop-pc’s van hun medewerkers 2. Ook het starten van een besturingssysteem wordt door het gebruik van een PCIe-ssd niet korter. Het tegendeel is eerder het geval: nogal wat BIOS-versies treuzelen behoorlijk bij het initialiseren van een PCIe-ssd.

Voor kantoor-pc’s die redelijk eenvoudige taken moeten verrichten, is de aanschaf van een PCIe-ssd doorgaans een zinloze investering. Dergelijke schijven worden pas interessant wanneer een pc complexere taken moet doen, zoals foto- en videobewerking.

Als je je systeem het liefst zo strak mogelijk wilt hebben, kan de extra prijs voor een ssd zonder kabels de moeite waard zijn, temeer omdat het prijsverschil tussen sata- en PCIe-ssd’s steeds kleiner wordt. Het beste voorbeeld is de WD Blue SN500 in deze test, die met een prijs van rond 17 cent per GB inmiddels even duur of zelfs goedkoper is dan veel snelle sata-ssd’s.

KOELE BOEL

Met name snelle PCIe-ssd’s worden flink warm bij langere schrijfopdrachten. Op sommige moederborden zijn zelfs al koelers geïntegreerd om de warmte van de M.2-ssd’s af te voeren. Ssd-fabrikanten passen steeds vaker eigen oplossingen toe om de warmte af te voeren, door bijvoorbeeld een koperfolie op de ssd aan te brengen in plaats van er gewoon een sticker op te plakken. Adata en Patriot bevestigen koellichamen van aluminium op hun ssd’s. Daardoor passen die ssd’s echter niet meer in een notebook. De Patriot Viper heeft zelfs een koellichaam van 10 millimeter hoog. Daardoor kan de ssd langere tijd beter blijven presteren. In de praktijk is dat echter alleen handig als er vaak grote hoeveelheden data geschreven worden.

SLC-CACHE EN DRAM

TLC-flash is sneller dan het nieuwere QLC-flash, maar tijdens het schrijven in de praktijk trager dan MLC- of zelfs SLC-flash. Daarom gebruiken fabrikanten de truc om een deel van de TLC-cellen in een snellere modus te schakelen, het zogenaamde SLC-cache. De cellen slaan daar maar één bit in op in plaats van drie, maar doen dat aanzienlijk sneller. Als de ssd vervolgens even niets te doen heeft, worden de gegevens naar de tragere cellen verplaatst.

De sequentiële benchmarks die we gebruiken om te testen, schrijven een minuut lang data naar een ssd. Bij sata-ssd’s wordt er dan ongeveer 30 GB aan data (60 seconden à 500 MB/s) geschreven, bij PCIe-ssd’s op hun maximaal zesvoudige snelheid tot 180 GB/s. Er zijn maar weinig modellen die zo’n groot SLC-cachegeheugen hebben om dat een minuut lang vol te houden, de overige ssd’s zijn bij grote schrijfopdrachten gemiddeld langzamer. Hun SLC-cachegeheugen is dan snel vol en de gegevens moeten dan direct naar het tragere TLC-flashgeheugen worden geschreven.

De grootte van de SLC-cache varieert. Terwijl de ene fabrikant daar een vast percentage van de totale capaciteit voor reserveert, gebruiken andere een procentueel aandeel van de vrije capaciteit. Geen enkele fabrikant vermeldt hoe ze dat precies aanpakken, maar in de praktijk zal de grootte ook alleen maar een rol spelen bij uitgebreide kopieeracties.

Ook zie je bij de specificaties steeds minder vaak gegevens staan over de schrijfversnelling met DRAM. In het algemeen wordt er 1 GB DRAM-cache per TB NAND-flashgeheugen gebruikt. Dat kun je echter niet via meetsoftware controleren, hooguit door te kijken welke DRAM-chips er op de printplaat zitten. Die zitten bij snelle PCIe-ssd’s echter vaak achter heatsinks verborgen, waardoor je de grootte niet kunt vaststellen.

CONTROLLER

Een essentiële bouwsteen van elke ssd is de controller. Bij de sata-ssd’s is er nauwelijks nog prestatiewinst te behalen door nieuwe ontwikkelingen, maar dat ziet er bij de snellere PCIe-ssd’s anders uit: de voorsprong die Samsung met zijn eerste PCIe-ssd’s had, is verdwenen. Met uitzondering van de WD Blue, die met maar twee PCIe-lanes wordt verbonden, halen alle PCIe-ssd’s bij het lezen een snelheid van ongeveer 3,5 GB/s. Bij het schrijven kunnen de modellen van Adata en Patriot met ongeveer 3 GB/s de ssd’s van Samsung bijbenen.

Adata gebruikt de Silicon Motion Controller SM2262EN met 8 kanalen, de Phison PS5012-E12 die in de Patriot zit kan zijn schrijfbenaderingen ook over 8 flashchips verdelen – dat zorgt voor hoge schrijfprestaties. Transcend gebruikt waarschijnlijk ook een SM2262EN-controller met eigen firmware, maar met een kleinere SLC-cache – en dat zorgt ervoor dat de snelheid eerder inzakt bij lange schrijfbenaderingen. Transcend maakt naar alle waarschijnlijkheid ook gebruik van een SM2262EN-controller, maar gebruikt een kleiner cachegeheugen, waardoor de prestaties inzakken bij langere schrijfbenaderingen.

Seagate bouwt zijn eigen hardware in, vermoedelijk op basis van een controller van Sandforce – een bedrijf dat Seagate enkele jaren geleden overgenomen heeft. Ook WD gebruikt voor zijn ssd’s een zelfontwikkelde controller waar het bedrijf verder geen informatie over heeft vrijgegeven.

ENERGIEVERBRUIK

Als we de fabrikanten mogen geloven, verbruikt 3D-flashgeheugen met 64 of 96 lagen minder stroom dan zijn voorganger. Voor een hoge performance is echter ook meer energie nodig. De snelle PCIe-ssd’s verbruiken tijdens schrijf- en leesactiviteiten tussen de 6 en 7 watt. De ssd van WD, die maar via twee lanes verbonden is, neemt al genoegen met 4,5 watt. Het verbruik dat we idle gemeten hebben, is met 3 watt ook nog redelijk hoog. De NVMe-specificatie kent sinds versie 1.1 een Autonomous Power State Transitions-modus (APST), waarbij het verbruik tijdens idle moet dalen tot enkele milliwatt. Die modus is echter niet verplicht. En ook als de ssd die modus ondersteunt, is het nog niet gezegd dat het moederbord en UEFI-BIOS dat ook doen. Op ons meetsysteem kregen we het in ieder geval niet voor elkaar om de PCIe-ssd’s in die modus te krijgen.

Bij sata-ssd’s is Link Power Management (LPM) al jaren de standaard. Ssd’s en ook harde schijven, schakelen die modus na enkele seconden van inactiviteit in. Goede sata-ssd’s verbruiken in die modus minder dan 100 milliwatt, maar er zijn uitzonderingen. De ssd van Teamgroup en de NAS-ssd van Seagate blijven ook in die modus circa 1 watt gebruiken. Alleen de Micron 1300 schakelt zijn energiebehoefte omlaag naar 0,1 watt. Ook de ssd van Verbatim verbruikt maar 250 milliwatt, maar met een verbruik van maar 400 milliwatt zonder LPM is die sowieso al bijzonder zuinig.

Bij het energieverbruik bij activiteit konden we de gegevens van de fabrikanten inderdaad bevestigen: de ssd van Verbatim verbruikt bij het lezen en schrijven bijvoorbeeld bijna 1 watt en de Seagate ongeveer 1,5 watt. De ssd's van Micron en Teamgroup verbruiken tussen 2