目录
- 性能瓶颈不只是PCIe接口
- 测试平台：PCIe Gen4的另类尝试
- 评估SLC Cache容量&稳态写性能的2种方法
- 随机写起步30-25万IOPS、与企业级SSD差别
- 90℃温度保护、散热设计
- PCIe 4.0平台展望：从11代Core到服务器/工作站
我很少下功夫去做消费级/一般商用SSD的测试，除了3年前的《Optane SSD 900P评测(2)：比拼4x闪存NVMe RAID0》，不过Intel傲腾900P/905P是基于3D XPoint Memory而不是NAND闪存，性能基本等同于企业级的P4800X。
这次是因为终于拿到了PCIe 4.0（Intel架构）平台，我就找CCF的刘委员（平台小秘书）借来了WD SN850，M.2 NVMe接口的x4 lane理论带宽接近8GB/s，虽然SSD还跑不到那么快，但标称100万读IOPS还是有点吸引力的。
测试平台1（PCIe 4.0） | 某11代Core主机 |
CPU | Intel Core i3-1115G4（双核） |
测试平台2（PCIe 3.0） | Dell Precision 5820X Tower工作站（X299芯片组） |
CPU | Intel Core i9-9980XE（18核） |
操作系统 | Windows 10 20H2 |
测试软件 | CrystalDiskMark HD Tune Pro Iometer |
性能瓶颈不只是PCIe接口
如下图，我先拿CrystalDiskMark简单跑了一轮。
注：点击图片后可缩放，以下同
左右两边测的都是这款WD SN850 1TB，却用了不同的主机平台。有朋友应该能看出右边是在PCIe 3.0上，超过3500MB/s也算达标了吧；左边的顺序读写带宽才是这款PCIe 4.0 SSD的真实水平。西部数据官方规格写的是读7,000MB/s、写5,300 MB/s。
上图中其实还有一个信息：左边的4KB随机读Q32T16性能比右边低不少，这是因为使用的双核的Core i3-1115G4 CPU跑满了。目前上市的Intel 11代CPU都还是针对中低功耗笔记本的，45W H系列、台式机，以及支持PCIe4.0的Xeon服务器还要等几个月。
结合这张IOPS视图看的更直观，47万读/40万写IOPS时Core i3-1115G4占用率达到100%。WD SN850官方标称4KB随机读/写IOPS为100万和72万，右边测试中看到的83万也是遇到了PCIe 3.0的瓶颈；至于64万写IOPS，这个只是在有限的LBA范围内（64GiB测试文件），如果按照企业级/数据中心SSD的标准，整盘能跑到多少我会在下文中测给大家看。
WD SSD配套的Dashboard软件中，可以看到当前的接口速率等信息。其中4K对齐判断是有帮助的，我就曾在这里看到“未对齐”而重新分过区。
消费级SSD的图形管理界面，其实这些功能也有别的方式可以实现。简单方便就好，后面我还会用到它的温度监测。
PCIe Gen4测试平台的另类尝试
当我在Dell 5820工作站上测试时，WD SN850是装在机箱前置的NVMe SSD热插拔位。具体的M.2转接套件结构我之前介绍过。
WD SN850使用了SanDisk自家主控、2颗512GB堆叠TLC闪存（应该是8通道，大约7-10%的OP冗余空间），还可以看到1颗Nanya DRAM缓存——1TB SSD上对应的是1GB。
这台Dell Precision 5820工作站本身配置了1个256GB NVMe前置SSD，测试中我就把这个位置换成WD SN850。铝质套件和导热贴对散热有一定帮助。
其实我还费了一番周折，尝试在这台工作站上搭建出对PCIe4.0的支持。具体来说是借来了《PCIe Switch Adapter：不只是NVMe HBA？》中介绍过的Broadcom P411W-32P转接卡，把PCIe 4.0 Switch插在主板上的x16 PCIe 3.0插槽，希望借此支持1-2个Gen4 NVMe SSD。
看上去有点资源浪费吧？结果还没完全成功——当我将一块U.2接口的Optane 900P插在P411W-32P连接的背板上，已经可以识别到；但再经过接口转换之后却无法识别M.2的WD SN850。这个测试方案只好先作罢…
虽然没成功，还是要感谢下热情借给我PCIe/ SAS 4.0线缆的老同事、老朋友。友情推荐下他的淘宝店铺 http://shop35723783.taobao.com（极致一号店），Amphenol多年合作伙伴，特别是服务器/存储里用到的线缆，不同线序都是可以提要求定制的：）
测试SLC Cache容量 & 稳态写性能的2种方法
注：如无特别说明，以下测试都是在PCIe 3.0平台上进行。
从TLC闪存开始，多数消费级SSD就设计了模拟SLC Cache来加速写入的机制。不同SSD的SLC Cache区域容量不等，在实际应用/测试中看到的表现也就各异。
对于这方面的评估方法，我以前并没有仔细研究。本次用2款测试软件对比参照，相信能给大家一个满意的结果。
注：我跑的不是“文件基准”测试（点击放大查看）
受到PCIe 3.0接口限制，再加上HD Tune测试软件的“基准-写入”不能完全发挥高速NVMe SSD的带宽，WD SN850一开始跑到2600MB/s多，当写入量接近300GB时速度降到1100MB/s多。同时我也在观察Windows任务管理器显示的实时盘速，并且计时——第一阶段1分48秒也是相符的。
咱们就算280GB的SLC Cache吧，这需要用840GB左右的TLC闪存来模拟。降速之后这个阶段，我理解一方面要把SLC Cache中的数据转存（downgrade）到TLC区域，释放出更多的TLC闪存空间，同时还要接收新写入的数据。
HD Tune这个只能连续写入1000GB，为了进一步验证我又用Iometer做了30分钟的顺序写测试。
Iometer在PCIe 3.0接口上也能跑到3000MB/s以上，我们同样看到SLC Cache写满之后的降速，而当模拟Cache区完全清空之后，WD SN850的顺序写带宽又能回升到2000MB/s以上——这时才是TLC的原始性能。
如果我在测试前先把SSD写满数据，那么一开始就是2000MB/s出头这样。
企业级SSD不会有模拟SLC Cache的设计，因此顺序写一开始就应该是稳态（随机写有些不同，下文中有测试数据示例）。商用客户端平台如果不想要SLC Cache，也有符合要求的SSD，比如Dell标准的Class 50等级，参见在《万兆NAS模拟测试：是什么限制了性能？》中做过的介绍。
横坐标为总队列深度：线程x QD；延时单位是微秒
我习惯性用Iometer也跑了WD SN850的随机读IOPS折线图，手头正好有几年前Intel企业级P3700 SSD的结果就顺便对照下。
SN850在队列深度256时才达到819,303读IOPS（仍受限于PCIe 3.0测试平台，没看到100万IOPS稍显遗憾），我以前写过一篇基于NAND闪存SSD性能的“色子效应”，低队列深度要想更好只有Optane。
延时方面WD SN850可低至100µs以内，这一块我并没有反复测试以求尽量精确的对比，大家参考一下即可，毕竟Intel P3700是多年前的SSD了。
企业级和消费级/一般商用SSD的性能差别，主要是在稳态写方面，当然还有写寿命。
随机写起步30-25万IOPS、与企业级SSD差别
这里延时的单位是毫秒（以下同），总队列深度16
WD SN850的随机写一样受SLC Cache影响。在上面图表的测试之前，我准备了TRIM之后的空盘。在全盘容量范围测试，这时看不到六、七十万那么高的IOPS，起步有一小段30万，然后保持大约15分钟的25万IOPS，再往后就降到10万以内。由于4KB小块写入的放大效应，SLC Cache中容不下像顺序写那么多的数据。
最“严酷”的压力在下面——如果是企业级SSD我们通常会这样测试：
在预先已经写满数据的情况下，SN850大多数时候超不过3万随机写IOPS，这个测试确实有些勉强消费级SSD了。如果有28%的闪存OP也不会是这个算法，下面我们简单参考下企业级SSD的水平：
Intel SSD P3700随机写IOPS测试曲线
上图中的文字有点小，大家可以点击放大，我也辅助说明下——测试曲线是4K随机写IOPS，纵坐标刻度从10万到40万，横坐标为时间3600秒（1小时），蓝色、橙色和绿色曲线分别对应并发/QD16、64和512。Intel P3700的4KB随机写IOPS最终稳定在标称的17.5万。
90℃温度保护、散热设计
大品牌OEM整机厂商有做系统化散热设计；对于不确定SSD表面气流速度的DIY用户推荐加装散热片的M.2固态盘；笔记本用户空间有限另论。
尽管在WD SN850官方规格里运行温度建议不超过70摄氏度，但实际当中不小心还是容易超过。
SSD的发热与持续负载密切相关，如上图：由于我在做3000MB/s以上的读I/O压测，未经优化时SN850已经自我报告接近80℃。
我手头这个WD SN850到达90℃左右才会触发降速保护，如果长期运行在高温下SSD的老化应该会加快一些，当然个人/普通商用与数据中心服务器的平均负载压力有很大不同。
本次测试我采取的应对措施是，在Dell 5820工作站BIOS中调高对应HDDZone区域的风扇转速，比如+30偏移量。如果不是前置热插拔SSD还有另一种散热解决方案：
Dell Precision Ultra-Speed Drive这种PCIe to M.2转接卡分为Duo（PCIe x8，双盘）和Quad（PCIe x16，四盘）两种，上图中就是后者，可以看到散热风扇的位置。
我之前手上有过一片Ultra-Speed Drive卡，上面配了4个WD SN730。
注：Dell PC和工作站的SSD默认出厂时只限定Class等级，如果用户想选择指定的品牌型号，需要提出CFI定制。
PCIe 4.0平台展望：从11代Core到服务器/工作站
Intel在PCIe 4.0平台的推出上落后，已经是个事实。目前有部分笔记本/商用客户端开始支持PCIe 4.0的NVMe SSD。
比如Dell Latitude 5520笔记本，以及Precision 3560移动工作站，在不选配独立显卡的时候，就可以有一个NVMe SSD直连11代Core CPU的PCIe 4.0通道。
但我觉得这还远没有到普及的时候。首先高IOPS在桌面应用中并不多见，现有PCIe 3.0 SSD的带宽也可以满足绝大多数场景。
对于服务器和工作站的情况则不太一样，在多盘环境中，如果单盘性能提升则可能减少需要使用的SSD数量。除了现有的AMD平台，Intel 10nm的Xeon Scalable（Ice Lake-SP）也快点来吧：）
扩展阅读：《企业存储技术》文章分类索引（微信公众号专辑）》
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