SSD PCIe 4.0, test in anteprima: controller Phison PS5016-E16 alla prova

Proprio gli SSD, più delle schede video, sembrano giovarsi (sulla carta) dalla maggiore banda a disposizione. Ma è realmente così? Abbiamo davvero bisogno di una nuova interfaccia più veloce e un throughput fino a 5 GB/s, specialmente alla luce dei maggiori costi associati al passaggio alle piattaforme X570? Per scoprirlo, nell’attesa che arrivino sul mercato gli SSD dei vari produttori, siamo riusciti a mettere le mani su un SSD PCI Express 4.0 di riferimento con controller Phison.

Il PCI Express 4.0 garantisce un bit rate pari a 16 GT/s, il doppio del bandwidth del PCI Express 3.0, mantenendo la retrocompatibilità con le versioni precedenti. L’approdo della memoria NAND flash nel mondo dello storage ha sconvolto il panorama dell’archiviazione, soprattutto con l’avvento dell’interfaccia PCI Express e del protocollo NVMe (Non-Volatile Memory Express) che hanno abbattuto i limiti di banda dell’interfaccia SATA (ferma alla versione 3.0 a 6 Gbps).

L’evoluzione tanto della memoria quanto dei controller ha però portato gli ultimi SSD a saturare anche l’interfaccia PCIe 3.0 x4. Così ecco il nuovo passo evolutivo degli SSD NVMe, il PCI Express 4.0, in grado di spostare il limite più avanti.

AMD è stata la prima credere nel nuovo standard, così dalle schede video Radeon RX 5000 fino alle CPU Ryzen ed EPYC di ultima generazione per arrivare alle piattaforme, ha deciso di fare uno degli elementi caratterizzanti della sua offerta. Tanto che si racconta che l’azienda abbia investito 15 milioni di dollari per accelerare lo sviluppo del primo controller PCIe 4.0, il PS5016-E16 di Phison.

Questo controller sarà a bordo di alcuni degli SSD che abbiamo visto al Computex 2019 e che saranno disponibili nei prossimi mesi, da parte di aziende come Corsair, Gigabyte, Patriot e alcune altre. Ci aspettiamo l’arrivo di altri prodotti successivamente. Nel 2020 è atteso un altro controller in grado di favorire lo sviluppo di unità ancora più veloci.

Nell’attesa di toccare con mani i nuovi prodotti, siamo riusciti a provare un progetto di riferimento di Phison, che non dovrebbe discostarsi molto dai primi SSD PCIe 4.0 in arrivo presto sul mercato. Abbiamo avuto la rara opportunità di testare questo SSD con uno speciale adattatore PCIe da 20.000 per vedere come le maggiori prestazioni impattano sui carichi reali.

L’inizio di una nuova era

Il PCI Express è l'interconnessione di archiviazione più veloce e ampiamente diffusa sulle schede madre. Acquistando oggi un SSD NVMe potete raggiungere velocità fino a 3,5 GB/s tramite il PCIe 3.0 x4. Il nuovo chipset AMD X570, accoppiato alle CPU Ryzen 3000, apre però nuove opportunità, supportando la più veloce interfaccia PCI Express 4.0.

Il PCIe 4.0 favorisce una configurazione più flessibile delle linee e raddoppia il potenziale di bandwidth. Questo significa che offre fino a 2 GB/s per linea rispetto a circa 1 GB/s del PCIe 3.0. Il nuovo standard mantiene la stessa codifica 128b/130b del PCIe 3.0, quindi la maggior parte del bandwidth non viene persa a causa dell’overhead del protocollo. Con il passare del tempo, vedremo migliorare tanto la memoria quanto i controller, e vedremo gli SSD raggiungere un throughput di circa 8 GB/s o più in ogni direzione.

Phison è sempre stata piuttosto veloce nel portare sul mercato nuovi controller e questa volta non fa eccezione. Al CES 2019 Phison mostrò i primi engineering sample di SSD PCIe 4.0 funzionare a circa 4 GB/s insieme alla memoria Toshiba BiCS3 TLC a 64 layer, che rallentava le potenzialità del controller. Grazie a una nuova memoria infatti, Phison dice di essere riuscita a raggiungere circa 4,8 GB/s.

Phison ha sviluppato l’E16 con in mente la nuova memoria 3D NAND TLC e QLC. Il chip supporta otto canali NAND con 32 chip enables (CE) con velocità fino a 800 MT/s, per una capacità totale fino a 2 TB. L’attuale Phison E12 (PCIe 3.0) può teoricamente supportare fino a 8 TB di memoria NAND flash, ma dato che non c’è una grande domanda per capacità così alte, Phison ha ottimizzato l’ultimo controller perle capacità più popolari.

Specifiche tecniche

Il sample giunto nei nostri laboratori era equipaggiato con il firmware EGFM10E3 e la memoria BiCS4 TLC a 96 layer di Toshiba che ha sbloccato maggiori prestazioni rispetto a quanto Phison sperava inizialmente. Con la nuova memoria e un firmware maggiormente ottimizzato, l’E16 è in grado di raggiungere velocità di 5 GB/s in lettura e 4,4 GB/s in scrittura. È un record.

L’E16 è prodotto a 28 nanometri, come il precedente E12. In effetti i due controller sono molto simili. Phison ha realizzato l’E16 basandosi sul progetto dell’E12, quindi ritroviamo caratteristiche come la cifratura dei dati end-to-end e il monitoraggio della temperatura.

Il controller E16 supporta la cifratura AES-256, TCG OPAL 2.0 e Pyrite ma anche il report dei dati S.M.A.R.T., TRIM e il comando Format NVMe per assicurare la cancellazione sicura dei dati. In sintesi, il controller usa il back end dell’E12 accoppiato a un PHY (physical layer) PCIe 4.0 più veloce, l’engine ECC LDPC di quarta generazione di Phison e una IP NAND un po’ migliorata. Perciò, mentre il PHY è nuovo, non ci sono molti cambiamenti sul fronte delle capacità di calcolo: la maggior parte dell’innovazione sta nel codice.

Sguardo ravvicinato

Dato che Phison ha basato l’E16 sulle fondamenta dell’E12, il progetto del PCB è anch’esso quasi identico. Abbiamo un form factor M.2 2280 a doppia faccia da 1 TB come gli attuali SSD sul mercato, eccetto per una cosa: come Silicon Motion, vediamo che Phison ha posto una finitura in nickel sul controller per favorire la dissipazione del calore. È un’ottima aggiunta ma la speranza è che i produttori passino a qualcosa di diverso rispetto al PCB blu.

Come abbiamo scritto prima, il nostro sample si basa su memoria BICS4 TLC a 96 layer di Toshiba. I prodotti da 1 TB e inferiori avranno die da 256 Gbit, mentre quelli da 2 TB avranno die da 512 Gbit. BiCS4 garantisce un aumento delle prestazioni rispetto a BiCS3 e, in base alla resistenza di 3600 TBW dichiarata da Gigabyte per l’Aorus NVMe da 2 TB, i dati di resistenza sono leggermente migliorati rispetto a quanto garantito dall’E12, ossia un massimo di 3120 TBW. Questo potrebbe essere parzialmente dovuto anche alla quarta generazione dell’engine LDPC.

Configurazione di prova dell’SSD

Prima di parlare di test, dobbiamo rispondere a un’ovvia domanda: ma se le motherboard PCIe 4.0 non sono ancora sul mercato, come abbiamo testato l’SSD? Siamo riusciti a mettere le mani su una scheda Gen4HOST da 20.000 dollari di PLDA. Si tratta di una scheda che converte il nostro slot PCIe 3.0 x16 sul sistema in una connessione PCIe 4.0 x8 che comunica con un endpoint PCIe 4.0. Questo tipo di scheda è usata per sviluppo e validazione, ed è proprio quello che faremo in questo articolo, validando le prestazioni dell’SSD di riferimento di Phison.