Ssd – PCIe 3 en high-end 4 en flashgeheugen onder de loep genomen

PCI Express 4.0 zet zich langzaam maar zeker door als de nieuwe standaard voor de high-end ssd, maar ssd’s met PCIe 3.0 zijn alles behalve traag, zoals blijkt uit de test van negen ssd’s. De schikking van het flashgeheugen is in grote mate bepalend.

Daniel Dupré

Tegenwoordig zit er in alle beetje moderne pc’s standaard een ssd. Wat voor een ssd dat is, is echter verre van eenduidig. Als het vooral om de kosten gaat, zul je kiezen voor een SATA-ssd. Die modellen zijn in het algemeen nog steeds iets goedkoper dan de snellere PCI Express (PCIe) ssd’s. Als het om de hoogste prestaties gaat, dan is een PCIe 4.0-ssd met de nieuwste controller de beste keuze. Die zijn bij sequentiële overdrachten meer dan tien keer zo snel als SATA-ssd’s. Tussen die modellen zitten ssd’s met een PCIe 3.0-interface. Die zijn snel, komen qua prijs steeds dichter in de buurt van SATA-ssd’s en zijn daarmee op weg de nieuwe middenklasse-ssd’s te worden.

We hebben negen nieuwe PCIe (NVMe) ssd’s onder de loep genomen:

Ze hebben allemaal de M.2-formfactor, met ­uitzondering van de WD Black AN1500 die een PCIe 3.0 x8-kaart is. Enkele van de M.2-ssd’s met PCIe 4.0-controllers zijn voorzien van een gigantische koeler.

De SSD 980 Pro van ssd-marktleider Samsung hebben we getest in c’t 12/2020. Hij is snel, maar ook relatief duur. In plaats daarvan hebben we hier de Samsung 980 (zonder ‘Pro’) getest, die pas kort voor de redactionele deadline geïntroduceerd werd. Op papier is dat de traagste ssd in deze test omdat hij ‘slechts’ vier PCIe 3.0-lanes gebruikt.

De WD Black AN1500 belooft dezelfde hogere snelheid als een M.2-ssd met PCIe 4.0 x4 met tweemaal het aantal lanes.

Flashgeheugen dat een of twee bits per cel kan opslaan is razendsnel, maar ook erg duur. De huidige standaard is de langzamere TLC. Dat type flashgeheugen slaat drie bits op in elke cel. Flash­geheugen met een capaciteit van vier bits (QLC) is nog iets goedkoper, maar weer een tikje trager. Het wordt vooral gebruikt in ssd’s met een hoge capaciteit.

Flashgeheugenfabrikanten zijn bovendien optimistisch dat zij binnenkort met PLC een nieuwe stap kunnen zetten. Dat geheugen zal nog een stuk trager en minder duurzaam zijn dan het TLC-flashgeheugen. Bij iedere verhoging van het aantal bits per cel wordt het aantal spanningsniveaus en combinaties van de 0-en &  1-en per cel verdubbeld. De grotere nauwkeurigheid die dit vraagt gaat ten koste van de snelheid en de levensduur.

Er zijn grote verschillen bij de PCIe 4.0-ssd’s. De Corsair MP600 Core en de Sabrent Rocket Q4 gebruiken QLC-flash. Lastige controllers en grote pseudo-SLC-caches kunnen de nadelen van QLC niet volledig compenseren. De TLC-ssd’s XPG Gammix S70 en MP600 Pro behoren daarentegen tot de hogere klasse: beide halen ruim 7 GB/s bij sequentiële leesbenaderingen en enkele honderdduizenden IOPS bij willekeurig benaderingen.

De controller speelt een belangrijke rol. Het is zijn taak om de binnenkomende data over de ­afzonderlijke flashcomponenten te verdelen en ook om te onthouden waar hij die gegevens heeft opgeslagen. Voor dat doel bevatten de meeste ssd’s DRAM ter grootte van één promille van de flashcapaciteit, terwijl andere ­ssd’s gebruik maken van het werkgeheugen van de pc – wat zich vertaalt in iets lagere resultaten bij benchmarks.

De controllers voor PCIe 3.0 zijn min of meer uitontwikkeld en er zijn op dat vlak slechts nog geringe toenames te verwachten. De beste PCIe 3.0-­ssd’s putten de potentiële snelheid van PCIe 3.0 x4 (ongeveer 3,9 GB/s) bijna volledig uit met snelheden tot 3,5 GB/s voor lezen en leveren tot 700.000 IOPS met willekeurig verdeelde toegang tot 4kB-blokken. Dat is ongeveer zeven keer zoveel als een SATA-ssd in beide disciplines.

De rol die de controller speelt bij echt snelle ­ssd’s wordt bij onze test duidelijk. De eerste PCIe 4.0-­ssd’s werkten met de Phison E16-controller en haalden daarmee maximaal 5 GB/s, wat duidelijk onder de grens van rond de 7,8 GB/s van de nieuwe interface zat. De ssd’s met nieuwere controllers benaderen de grenzen van PCIe 4.0: de Corsair MP600 Pro met de Phison E18 haalt 7,25 GB/s en de Innogrit IG5236 versnelt de Gammix S70 tot 7,45 GB/s – er is daarbij niet veel ruimte voor verbetering omdat PCIe 4.0 x4 netto maximaal 7,8 GB/s kan overbrengen.

De Phison-controller ligt op één vlak ver voor op het Innogrit-model: het benaderen van willekeurige adressen. De Corsair haalt 1,25 miljoen IOPS bij het schrijven. Ons AMD Ryzen 7 5800X-testsysteem (zie verderop) dat voor ssd-tests geoptimaliseerd is, loopt daar al mee tegen zijn limiet aan. De QLC-ssd’s zijn uitgerust met de eerder genoemde Phison E16, en bij het lezen mag je daarbij niet meer dan 5 GB/s verwachten.

Samsung gebruikt zoals gewoonlijk een eigen controller. Een bijzonder kenmerk is het ontbreken van een DRAM-cache, wat kosten- en energiebesparend is. Dat is een noviteit voor een interne ssd van Samsung. De controller van de AN1500-ssd’s is afkomstig van Western Digital, verdere details zijn niet bekend.

PCIe 4.0-ssd’s werken in principe ook in PCIe 3.0-systemen, maar dan hooguit met PCIe 3.0-snelheid. Aangezien PCIe 4.0-ssd’s meestal iets duurder zijn, is het gebruik ervan in oudere computers niet direct zinvol.

Blijf op de hoogte van de nieuwste informatie en tips! Schrijf je in voor de nieuwsbrief:

De printplaten van de ssd’s van Integral en Silicon Power zijn niet van elkaar te onderscheiden – tot aan de identieke printplaatrevisie die op de rand gedrukt staat. Hetzelfde nummer vind je ook terug op de Gigabyte Aorus NVMe Gen4-ssd, de eerste PCIe 4.0-ssd die in juni 2019 verschenen is.

De verschillen zitten echter in de onderdelen: terwijl de ssd van Gigabyte werd geleverd met 2 TB aan opslagruimte, heeft de Silicon Power 1 TB en de Integral slechts 512 GB. De controller is een Phison E16, het flashgeheugen komt van Kioxia (voorheen Toshiba Memory) en de DRAM-cache is van SK Hynix – net zoals bij de Gigabyte Aorus. De firm­ware van de Silicon Power is iets nieuwer en sommige onder­delen hebben iets hogere serienummers.

Dat die twee ssd’s niet door de bedrijven zelf ontwikkeld zijn zie je ook terug aan de software-ondersteuning: Integral heeft helemaal geen eigen software, en de toolbox van Silicon Power herkent de ssd wel, maar kan geen Secure Erase uitvoeren of nieuwe firmware installeren.

De WD Black AN1500 meldt zich aan het systeem als een ssd met 2 TB opslagcapaciteit. In werkelijkheid gaat het echter om twee 1TB-ssd’s van het type WD SN730, die op de PCIe-kaart via de PCIe-switch 88NR2241 van Marvell tot een RAID 0 aan elkaar zijn gekoppeld.

De meeste ssd-diagnose SMART-tools als CrystalDiskMark en Smartmontools zien alleen de AN1500, maar niet de achterliggende SN730-ssd’s. Voor zover wij weten is alleen Hard Disk Sentinel in staat om de SMART-status van de twee SN730-disks uit te lezen en de bijbehorende meldingen te tonen.

Veel nieuwere high-end moederborden hebben meer dan één M.2-slot om meerdere PCIe-ssd’s te plaatsen en de trend naar geïntegreerde ssd-heatsinks zet zich ook voort. Als gevolg daarvan komen de fabrikanten er langzaam weer van terug om grote koellichamen op hun ssd’s te plakken. Toch is een groot aantal van de ssd’s in deze test nog voorzien van – deels flinke – koellichamen om de warmte af te voeren die tijdens het gebruik ontstaat. Volgens Sabrent is de Rocket Q4 ook verkrijgbaar zonder een koellichaam, maar we zijn die nog niet tegengekomen voor het geteste 1 TB model.

Het is ook van belang dat de koellichamen in veel gevallen ook de onderkant van de ssd bedekken. Voordat je een van die modellen koopt, moet je bij je moederbord nakijken of daar voldoende ruimte voor zal zijn. Ook  zit er vaak nog een plastic over de chips geplakt. Omdat er aan de onderzijde bij ssd’s zonder koellichaam vaak ook chips zitten, kan door de extra plastic afdekking het geheel te dik ­worden voor laptops met bijzonder weinig ruimte. De WD Black SB850 heeft ondanks zijn hoge capaciteit alleen chips aan één zijde, wat betekent dat hij minder chips, maar met een hogere capaciteit heeft.

Eerder (maart 2021) verscheen een artikel over ssd koeling: ssd koeling nuttig of alleen voor de show?

Bij de WD Black AN1500 valt in eerste instantie ook het grote zwarte koellichaam op, al zal hij eenmaal in een pc vooral door de ledjes zichtbaar zijn. De PCIe-­insteekkaart is voorzien van driekleurige leds en kan dus in een RGB-set-up opgenomen worden. We hebben dat geprobeerd met de Aura-software van Asus die bij ons testmoederbord hoort. De leds hebben geen effect hebben op de snelheid van de ssd. Het massieve koellichaam moet weinig problemen hebben met de extra restwarmte van hooguit 1 watt die de leds genereren.

Bij eerdere tests van PCIe 4.0-ssd’s konden we ondanks een zeer snelle processor de door de fabrikanten beloofde prestaties bij het benaderen van willekeurige adressen niet reproduceren. De 64 cores van de AMD Ryzen 3990X waren tijdens metingen met IOmeter bij ongeveer 600.000 IOPS allemaal al op 100 procent aan het presteren.

Inmiddels zijn we overgestapt op een Ryzen 7 5800 met acht kernen, die ondanks een belasting van een miljoen IOPS nog wat ruimte over heeft. Tests met een 16-core Ryzen 9 5950X vertoonden opnieuw een daling van de IOPS-prestaties. Vermoedelijk slokt de communicatie tussen de twee 8-core dus een deel van de cpu- prestaties op. De 5800 zou ook wel eens weer te traag kunnen zijn voor de test van de nieuwe Optane-ssd’s – Intel belooft tot 1,8 miljoen IOPS. Dat toont tegelijk aan dat een gemiddelde desktop-pc niet in staat is om de maximale prestaties van de snelste ssd’s volledig te benutten.

De snelheidswinst die je bij ssd’s waarneemt ten opzichte van traditionele harde schijven komt niet door de hogere snelheid bij sequentieel lezen en schrijven, maar de veel snellere reactie op verzoeken om veel kleine, willekeurig verdeelde bestanden. Voor metingen van sata-ssd’s worden over het algemeen blokken gebruikt met een grootte van 4 kB met een queue-depth van 32, oftewel 32 gelijktijdige benaderingen.

Met het NVMe-protocol zijn veel meer gelijktijdige benaderingen mogelijk, waardoor ook de snelheid bij de meeste ssd’s aanzienlijk hoger is. Daarom hebben we alle ssd’s aanvullend getest met een queue-depth van 256 bij het lezen en schrijven van willekeurige benaderingen tot adressen – alleen dan halen de meeste ssd’s hun hoogste prestaties. Bij praktisch gebruik is die waarde echter nauwelijks van betekenis. We gebruiken IOmeter voor de snelheidsmetingen en de grootte van de SLC-cache bepalen we met H2benchw (download).

De overdrachtssnelheden bij het sequentieel schrijven liggen bij onze meetmethode gedeeltelijk onder de specificaties van de fabrikant. Zij vermelden de maximumwaarden, terwijl wij een gemiddelde overdrachtssnelheid over één minuut meten – dan is de SLC-cache bij de meeste ssd’s al vol en daalt de snelheid.

Een hoge snelheid tijdens kortstondig schrijven betekent niet dat een ssd die snelheid ook permanent aanhoudt. Enerzijds gebruiken vrijwel alle fabrikanten een SLC-cache, waarmee de ssd’s enkele tientallen giga­bytes zeer snel kunnen opnemen, maar anderzijds zakt bij de meeste ssd’s bij permanente belasting de snelheid zodanig in dat ze een bepaalde tijd nodig hebben om zich weer te herstellen. Dat nadeel is in de praktijk meestal niet relevant omdat je op een pc maar zelden meer dan 4 of zelfs 10 gigabyte aan gegevens in één keer kopieert.

We gebruiken de applicatiebenchmark PCMark 10 om ssd’s te vergelijken. Twee benchmarks dragen daarbij bij aan de evaluatie: de Full System Drive-­benchmark controleert in welke mate een ssd geschikt is als opstartschijf, terwijl de Drive Performance Consistency Test de ssd’s urenlang aan het werk zet en vervolgens een beoordeling geeft voor de geschiktheid onder hoge belasting. Bij typisch pc-gebruik speelt de permanente belasting echter slechts een onder­geschikte rol. Bij snelheden van 4 GB/s duurt het bijvoorbeeld maar 13 seconden om 50 GB te kopiëren, wat meer is dan de capaciteit van een blu-ray disc. Het kopiëren van een complete ssd van 1 TB zou met 4 GB/s nauwelijks meer dan 4 minuten duren.

Als je de specificaties van de afzonderlijke ssd’s bekijkt (als je die al vindt), krijg je hooguit informatie over de snelheid, maar zelden gegevens over de gebruikte controller of de daadwerkelijke fabrikant van het flashgeheugen. De gebruikte onderdelen zijn daarmee ook geen gegarandeerde kenmerken van de ssd. Als je na enige tijd een ssd van hetzelfde type aanschaft, bestaat de kans dat er een andere controller of flash­geheugen in zit, ondanks dezelfde typeaanduiding.

In het algemeen zijn het vooral de kleinere fabrikanten die onderdelen uitwisselen, vaak als gevolg van de verkrijgbaarheid of een tekort aan onderdelen tijdens de levensduur van het product. Dat probleem zal de komende maanden nog groter worden door tekorten aan chips op dit moment. Als je het zekere voor het onzekere wilt nemen, kun je daarom beter een schijf aanschaffen van de grote fabrikanten Samsung, SK Hynix, Micron/Crucial en Western Digital, die niet alleen zelf het flashgeheugen produceren, maar ook hun eigen controllers ontwikkelen.

Sommige ssd-fabrikanten doen geen moeite met softwaretools: Adata’s Toolbox ondersteunt de Gammix S70 niet, Corsairs SSD Toolbox kan ook niets met de modellen uit de MP600-serie. Met de Rocket Control-tool van Sabrent is het tenminste nog mogelijk om een firmware-update uit te voeren. Positieve uitzonderingen zijn de bekende Magician van Samsung en het SSD Dashboard van WD. Met beide tools is het mogelijk firmware-updates te doen en de ssd veilig te wissen (zij het via een omweg met een opstartbare usb-stick).

Op veel moderne pc’s is het inmiddels mogelijk om een schijf via het BIOS veilig te wissen. Het is dan in ieder geval geen groot probleem als de schijffabrikant daar geen software voor levert. Met uitzondering van de AN1500, konden we alle ssd’s via het testmoederbord wissen. Bij de ssd’s van Corsair en Sabrent bood de routine zelfs een optionele sectorgrootte van 4096 bytes.

Bij de Gammix S70 en de 980 was slechts 512 ­bytes mogelijk. Anders dan bij de Windows-tools moet je daar wel bijzonder voorzichtig mee zijn: met twee klikken heb je ook de opstartschijf definitief verwijderd. Het is dan onmogelijk om partities of bestanden te herstellen – wat tenslotte wel de bedoeling is.

Samsung wil aan een komende versie van zijn ssd-beheersoftware Magician een functie toevoegen waarmee je alle energiebesparingsmechanismen kunt uitschakelen. De ssd zou daarmee ongeveer 5 procent hogere prestaties moeten leveren bij de applicatiebenchmark PCmark 10. Dat konden we voor de redactionele deadline nog niet testen.

Volgens de specificaties verbruikt de Samsung 980 in de diepste energiebesparende modus L1.2 slechts 5 milliwatt, maar dan moet het UEFI-BIOS ook meedoen. Zonder energiebesparingstechnieken is het energieverbruik ook in rusttoestand enkele watt. Als je de 980 in een laptop gebruikt en de Full Power-modus activeert, wordt de accuduur van het apparaat aanzienlijk korter.

Door zijn ontwerp is het verbruik van de WD AN1500 ook aardig hoog: de kaart herbergt niet alleen twee ssd’s, maar de NVMe-switch vergt ook veel energie. Het energieverbruik van de ssd’s konden we helaas niet exact vaststellen omdat onze meetopstelling nog steeds alleen met PCIe 3.0 werkt. Daardoor zouden de meetresultaten bij de PCIe 4.0-ssd’s te laag uitvallen – bovendien werd de AN1500 door het systeem niet herkend.

Alle ssd’s in deze test zijn prima geschikt voor eenvoudige taken, maar de Silicon Power US70, HP EX950, Corsair MP600 Pro en WD Black-modellen springen eruit met een hoge snelheid onder permanente belasting. De nieuwkomer LC-Power bevindt zich in de middenmoot van de 3.0-exemplaren.

De ssd’s met PCIe 4.0 zijn duurder dan de oudere met PCIe 3.0 – met uitzondering van de Adata S50 Lite, die qua snelheid echter ook meer op 3.0-niveau zit. De prijs van Samsungs eerste DRAM-loze PCIe-ssd zal nog moeten zakken om interessant te worden. Als je je oudere desktop-pc via PCIe 3.0 een snelheidsboost wilt geven, dan kan dat met de WD Black AN1500 – maar tegen een vrij hoge prijs.

De 4.0-ssd’s van Integral en Silicon Power, die op de capaciteit na identiek zijn, verschillen wat prestaties betreft nauwelijks van elkaar, hoewel de ssd van Silicon Power door een nieuwere firmware iets beter geschikt lijkt voor werk onder belasting. De HP-ssd neemt die rol over van de langzamere 3.0-ssd’s en is samen met de Corsair MP400 en de Samsung SSD 980 ook de goedkoopste ssd in deze test met slechts 14 cent per GB.

Bij de PCIe 4.0-ssd’s bieden de QLC-types veel opslagruimte tegen redelijke prijzen. De Sabrent Rocket Q4 is per GB de goedkoopste in de test, maar verschilt niet veel van de Adata S50 Lite en de Corsair MP600 Core. De Adata Gammix S70 en Corsair MP600 Pro bieden geen software-ondersteuning, maar zijn wel lekker snel. De Gammix S70 is iets goedkoper en leest iets sneller, maar de MP600 Pro houdt het langer uit en levert meer IOPS. Samen met de WD Black SN850 vechten ze om de eerste plaats. De WD staat in ieder geval wat de prijs betreft aan de top.

Dit artikel is verschenen in c’t 2021-06, pagina 36 Lutz Labs en Daniel Dupré

De hier beschreven reviews vormen een selectie van de beschrijvingen die in het c’t magazine  2021-06 besproken zijn.