高端企业级SATA SSD是干什么用的？TOSHIBA HK4R 960GB SSD评测

第一，一直不敢在自己的文章里面加上评测两个字，因为评测的门槛很深，就自己以前那些文章加上这两个字也确实胆战心惊，也一直懒得为了完整评测一个产品而耗费自己有限的时间，其实也不是懒，而是值得不值得自己用心评测的产品而已，这次很意外的从阿里云的相关渠道面交购得一块自己从未见过的高端企业级SATA SSD，也从这个过程中理解了大级别的云对很多企业级产品考量和应用产品的评估手段，那么可能放在民用会有很多不妥之处，比如跑分，企业级无视任何跑分，只考虑真实负载下的可提供的安全使用时间和每一段应用时间内所提供的IOPS速度，纠结了很久，还是放出来这个测试，作为我在KOOLSHARE的一个完整的产品评测而出现。为什么做这个评测，第一京东无货，第二天猫无货，第三淘宝无货，仅仅是一款旗舰孤独的树立在那里，这个文章无论如何去写，都是一个电子产品爱好者的执念作祟，丝毫不涉及任何营销推广途径。

第二，很多朋友会说，我都买不到这个产品，为啥要看这个，往往我们对企业级SSD的印象都是产品跑分不高，价格死贵，那么此篇就作为这个印象的一个答疑解惑篇出现。

很多朋友问购买途径，无法购买，这种企业级产品要不海淘，要不咸鱼，要不去直接和东芝签批量订单，但是高端货我们需要了解其高端在哪里，然后就是适合不适合自己来使用。举个例子，有的朋友去马云家淘来了INTEL DC S3500/S3700但是到手发现跑分比三星850EVO还低，于是就骂骂咧咧开来了，其实我想说，AS SSD BENCHMARK本身就是三星注资的一款软件，而用来做企业级测试本身就不合适，我们需要更多考量手法去评估企业级产品。

高端企业级SATA SSD是干什么用的？TOSHIBA HK4R 960GB SSD评测

目录：

第一章 外观
第二章 拆解
第三章 企业级测试
第一节 SNIA PTS
第二节 延迟
第三节 负载对比测试
一、4K QD32写入测试
二、 INTEL企业级应用环境测试
1、数据仓库服务器
2、EMAIL和短信服务器
3、前端WEB服务器
4、流媒体播放服务器
第四章、民用测试
第五章、温度
总结




关于东芝最新的HK4R企业级SSD，一般是市面上很难见到相关的产品，如果百度的话，你仅仅只能够搜到如下信息：



东芝的HK4R系列企业级固态硬盘 在“2016开放数据中心峰会（ODCC） ”重点推行的企业级硬盘基准测试项目中斩获“年度企业级固态硬盘性能一致性奖"。  ---来自伟大的百度

然后没了，真的没了，作为一款东芝产出高端企业级SSD，百度就这样一行字解读了它！

但是实物一直难得见到，型号THNSN8960PCSE属于东芝企业读取密集型SSD产品，HK4R系列，SATA6G接口，MTTF平均无故障运行时间是200万小时，DWPD显示5年质保内的每日写入量是1P/E也就是960GB。产品的官方介绍如下：


东芝THNSN8960PCSE采用了东芝15nm eMLC颗粒制造，64K顺序读取500MB/S，64K顺序写入480MB/S，4K随机读取75K IOPS，4K随机写入14K IOPS。

第一章 外观



正面



背面



铭牌显示的信息：
型号：THNSN8960PCSE
生产日期：2016年1月19日
固件版本：8EET6101
硬件版本：A0
菲律宾制造

第二章 拆解




下面我将对产品进行一个拆解。



下掉盘体正面的四颗螺丝，即可开盖，首先暴露的是盘体的背面PCB，上盖和PCB之间采用了10颗硅胶垫片，进行隔离的同时也有被动散热效果。



继续下掉PCB背面的四颗固定螺丝即可完全拆解，PCB正面采用了13颗硅胶垫片，针对主控、缓存和8颗闪存进行被动散热。


正面PCB正面主要包含:

8颗闪存，型号：TH58TFT0EFLBA8K，东芝15NM eMLC颗粒；

1颗缓存，型号：5SA47D9STP，镁光DDR3L 1600 1GB的DRAM颗粒；

1颗主控，型号：TC58NC9K16GSB

1颗日本村田制作所的DMT超级电容，额定电压4.2V，标称电容394mF 。


PCB背面




闪存：TH58TFT0EFLBA8H




关于此颗闪存为了避免太多冗繁的信息量摄入，我制作了该闪存的编号含义图，红色的方框为重点关注参数，这样大家就很简单可以认识到TH58TFT0EFLBA8H是东芝15NM制成128GB单颗的eMLC（企业级MLC）颗粒，内部4Die/4CE，8颗组成1024GB容量，32Die/32CE规格的组合，OP了64GB容量之后实际可用容量960GB。从HK4R 960GB和1920GB持续和4K随机读写的性能一致性方面猜测，32Die/32CE应该是主控的最大效能容许值。




5SA47 D9STP是镁光的DDR3L 1600缓存芯片，容量1GB，电压1.35V，CL11。



TC58NC9K16GSB这颗主控很难拍的很清楚，但是基本编号还是可以识别的，这颗主控是东芝的定制版主控，按照前面的颗粒搭配的规则来猜测，这颗主控应该最大容许32Die/CE的闪存颗粒接驳，关于这颗主控也没有更多的资料可以参考到详情。



HK4R 960GB采用了一颗日本村田制作所的DMT超级电容，额定电压4.2V，标称电容394mF,超级电容也被称为电气双层电容器，它 是一种蓄电装置，其功率密度特性是传统电容器技术1000倍以上。村田制作所 （Murata）的超级电容在小而薄的封装内集合了各种优异性能，包括电极结构在内的电化学系统的优化，可在一定温度范围内进行灵活的充电和放电。 DMT系列的设计针对SSD优化,与铝电容器或钽电容器相比，村田超级电容能存储更多能量且每单位体积的静电容量值更高。此外供电时间更长，更节省设 计空间。与常见的超级电容相比，如纽扣式、筒状超级电容，村田超级电容的ESR 要低很多。支持的输出功率的范围更广。应用范围更广。超级电容左边的TPS61030是具有 20?A Iq、可调节4A 开关的 96% 高效升压转换器，配合DMT超级电容使用来保证异常掉电情况下的数据安全

下面简单说下东芝SSD的ECC机制:




一级ECC采用的是东芝独创的QSBC(Quadruple Swing-By Code)，翻译过来四联摆动ECC，其本质可以理解成多层ECC。多层ECC的好处就是保护机制健全，纠错能力强，破了一层还有一层，缺点就是延迟随着层数的提升而不断增大。
二级ECC东芝多采用Hamming ecc

ECC就是“Error Correcting Code”的简写，数据检测与误差修正编码，因为闪存中会有出错的可能，如果没有使用ECC模块，读出的数据和写入的数据会有不匹配的可能，也许一个文件中只有一两个bit不匹配，这也是不能容忍的。相对来说SLC中出错概率比较低，所以使用一个纠错能力不强的Hanming码就可以了，在MLC中Hanming码就显得力不从心了，需要纠错能力更强的BCH码了。

NAND闪存的ECC比较多见的：Hamming汉明码，BCH码，LDPC（低密度奇偶校验）等。
1、Hamming汉明码是经常使用在早代SLC闪存。汉明码的计算通过软件实现简单，占用资源比BCH小，但是效果也比BCH弱。
2、BCH码具有嵌段长度和误差的灵活性校正能力。和功率消耗小相对于纠错能力。BCH擅长处理随机错误，由于NAND Flash自身的特点，出现随机错误的概率更大一些，所以在MLC中目前应用最多的还是BCH方式。
3、LDPC码的纠错能力是非常高的。但对于功耗和处理问题所需的时间要求很高。

为了解决这个权衡，东芝开发自己的错误检测和校正技术QSBC?(Quadruple Swing-By Code)。这种所谓的专利技术，我觉得有夸大的成分在里面，号称达到LDPC码的8倍，加上是个保护专利，东芝还是宣传效果的多，具体代码谈的少。

大家知道即使是校验错误，如奇偶校验或者CRC校验都需要在原始信息数据的基础上增加一些额外的数据。能够纠正错误的ECC需要额外的数据空间保存纠错码生成的校验数据。所以在NAND Flash中Page的1K数据并不是1024Byte，大多数是1024＋32Byte, 有的是更多的额外空间；额外空间越多意味着可以使用纠错能力越强的ECC，因为对于同一ECC算法纠错能力越强需要的额外空间越大。


为了提高数据存储在闪存中的可靠性，东芝企业级主控至少提供1级和2级的ECC纠错功能，当检测到错误时，数据首先通过闪存控制器提供的一级ECC（QSBC）。如果错误无法被一级ECC校正，数据会下传到闪存控制器外部二级ECC（Hamming ECC）。

第三章 企业级测试



测试平台：
CPU：INTEL I7 5820K
主板：华擎X99太极
内存：芝奇TRIDEN Z DDR4 3200 8GBX4
显卡：微星GTX1070 8GB暗黑龙爵
电源：先马钛金800W
SSD1：INTEL 750 1.2TB U2 主盘
SSD2：INTEL DC S3500 800GB从盘
SSD3：东芝HK4R 960GB从盘
系统：WIN2012 R2 X64（企业级测试）/WIN10 专业版 X64（民用测试）

第一节 SNIA PTS

SNIA发布的企业级SSD评测规范(Solid State Storage Performance Test Specification Enterprise v1.1),简称为PTS，包括IOPS测试，但它不仅仅是Iometer 运行4K写入。SNIA测试更像是一场马拉松而不是短跑，总共有25个回合的测试，每次持续56分钟。每一轮由8个不同的块大小（512B到1MB）和7个不同的访问模式（100％读取到100％写入）。25轮完成后（超过23个小时才多一点的时间），我们进入稳定状态后，记录的4轮的平均表现。

 * 清洗：安全擦除即SCURE EARSE
 * 预热：128K持续写入双倍SSD容量
 * 每一轮测试包含.512B，4K，8K，16K，32K，64K，128K，以及1MB数据块大小
 * 每个数据块在100％，95％，65％，50％，35％，5％和0％运行读/写混合测试，各为一分钟。
 * 试验由25轮组成（一个循环需要56分钟，25轮=1400分钟）




虽然SNIA测试只持续1分钟的时间相对较短，但涵盖很多的访问模式和传输数据块的大小。所有的测试均在QD32做纵观100％的读写性能：
4K读取突破额定的75K IOPS达到91K IOPS
4K写入突破额定的14K IOPS达到16K IOPS

第二节 延迟

具体测量延迟的方案，我采用了一系列的512B，4K和8K大小数据块在QD32深度下进行100％读，65％读/35％写和100％写的测试。



平均延迟：512B和4K的延迟数据是差不多的，8K下的测试接近4K的双倍延迟。



最大延迟，在100％读测试中，3个数据块大小的测试结果都在3毫秒以内，65％读/35％写和100％写的延迟会有接近十倍的巨大增幅。
从平均和最大延迟来看，HK4R绝对是一个读导向类型的SSD产品，也符合其定位在读密集型任务。

第三节 负载对比测试

其实没有对比就没有性能好坏的概念，HK4R企业级SSD的价格定位主打是INTEL的DC S3500系列产品，那么我就用INTEL DC S3500 800GB来对比测试下各种负载下的两个盘的表现力如何。



一、4K QD32写入测试



在4K QD32的随机写入3000秒的测试中可以发现，两个盘的表现都是很好的：
HK4R 960GB最大峰值在80K IOPS以上，从始至终都可以稳定在10K IOPS以上
S3500 800GB最大峰值在60K IOPS附近，最低下潜已经接近6K IOPS了。



在4K QD32的随机写入3000秒的测试中，观察平均的延迟情况
HK4R 960GB控制在0.5-3ms左右
S3500 800GB控制在0.5-7ms左右

二、 INTEL企业级应用环境测试

企业级SSD寿命计算器 http://estimator.intel.com/ssdendurance/是INTEL根据在思科甲骨文等大公司投放企业级SSD在企业级应用的测试数据回收后建立的企业级模板，其中涉及到很多的企业级应用是非常真实可靠的。换句话说INTEL在产品服务和产品使用信息调研上投入的资金是其他任何一家公司无法相比的！我用INTEL的企业级应用的设定去模拟其运行的IOMETER模板来进行性能的探索。我在INTEL的库里挑选了几个典型代表意义的企业级应用模型建立IOMETER模板运行15分钟进行对比。

1、数据仓库服务器

数据仓库的数据主要供企业决策分析之用，所涉及的数据操作主要是数据查询，一旦某个数据进入数据仓库以后，一般情况下将被长期保留，也就是数据仓库中一般有大量的查询操作，但修改和删除操作很少，通常只需要定期的加载、刷新。数据仓库中的数据通常包含历史信息，系统记录了企业从过去某一时点(如开始应用数据仓库的时点)到当前的各个阶段的信息，通过这些信息，可以对企业的发展历程和未来趋势做出定量分析和预测。



随机模式 8K QD128，读60%写40%，运行15分钟。



输出的IOPS而言，虽然两个盘都在最高45K IOPS附近，但是HK4R的峰值保持时间确实要比S3500要长很多。



从延迟来说，两个盘都能最低保持在3ms并且具有相当长的保留时间，但是最高值而言，HK4R能控制在8ms以内，而S3500已经在20ms以上了。

2、EMAIL和短信服务器

EMAIL和短信服务器很好理解，很多软件公司都有成熟的整套解决方案。



随机模式4K QD128，读50%写50%，运行15分钟。



IOPS而言：两个盘的散点都是非常稳健，HK4R在25K-30K IOPS稳定，S3500在15K-20K IOPS稳定。



延迟而言：HK4R稳定在4-6ms，S3500稳定在6-10ms。
3、前端WEB服务器

前端WEB服务器指负责生成页面视图的服务器，一般需要能应付前面响应的大量IO，相对而言后端负责业务处理的服务器，相对地需要大量的运算CPU和内存，对IO响应要求不高，如果直接让后端也处理IO效能不好，所以前端负责缓冲着请求，然后向后端再请求服务，后端处理完响应后再响应返回，分开处理。



随机模式4K QD32，读80%写20%，运行15分钟



我发现一旦偏重于读的测试中，HR4K和S3500的差距会进一步被拉大，比如这个80%读20%写的测试来说，HK4R的IOPS能稳定在50K-60K IOPS之间，而S3500控制在20K-50K IOPS之间



延迟而言：HK4R可以牢牢控制在0.4-0.6ms之间，而S3500只能控制在0.8-1.8ms之间。

4、流媒体播放服务器

流媒体播放服务器很容易理解，主要架构包括：内容管理，服务器支持，访问控制，举个例子：乐视、爱奇艺都有类似的开发项目。



持续模式64K QD128，读90%写10%，测试15分钟



针对此类大数据块大深度下的高读负载任务而言，HK4R控制在50K-70K IOPS之间，S3500控制在30K-70K IOPS之间。



延迟的话，HK4R控制在17-25ms，S3500控制在20-40ms之间。

经过以上4轮的企业级应用虚拟评估，HK4R的960GB企业级性能还是可圈可点，对S3500 800GB进行了全面的性能压制，其实INTEL S3500并不是达不到这个性能，而是限速和综合的寿命考量比较多，根据INTEL提供的企业级模板数据在多个项目里HK4R 960GB的稳定性和抗压能力给我留下了极为深刻的印象，如果非要一句话总结的话:那么在该混合读写测试环节，HK4R比S3500 IOPS更高，延迟更低，综合效能更趋于稳定。

第四章、民用测试

对于两块企业级都带有PLP掉电保护的SSD而言，民用测试的结果可能会丧失说服力，不过作为入门级用户加速对两个盘的基质有一个快速的了解还是具有一点点参考价值，故附上此章节，不做具体说明和分析了，前图为HK4E 960GB，后图为S3500 800GB。

1、AS SSD BENCHMARK




2、ANVIL





3、TXBENCH




4、CDM


5、PCMARK 8




第五章、温度

HK4R的官方建议工作温度是0-55度，在非密集型的使用坏境下，比如我测试的这种开放式测试环境下，HK4R的温度控制的还是比较出色的。


HK4R 960GB在满载写入的IOMETER测试的时候，温度能稳定控制在41度左右。




闲置状态下温度控制在28度左右。

总结：

HK4R 960GB作为东芝的新一代企业级读取密集型SSD的效能还是非常出色的，无论是读取还是写入型的负载测试中，IOPS和延迟都压制住了INTEL S3500 800GB。实际的工作温度控制很好，其高负载下超越S3500的稳定性给我留下了非常深刻的印象。东芝HK4R系列最大容量已经达到1920GB，但是性能上和960GB保持一致。那么其实企业级SSD是需要实际负载或者模拟负载去说明其存在价值的，它天生不是为了AS SSD BENCHMARK而生。