Апгрейд по-чёрному: запускаем NVMe SSD в Windows 7 и 10

Мы рассмотрим преимущества логического интерфейса NVMe новой спецификации 1.3 на примере твердотельного накопителя формата M.2 из обновлённой серии WD Black SN750. Заодно покажем, как сделать «невозможное» и использовать современные SSD на старых компьютерах.

Над контроллером и чипами памяти этой серии трудились инженеры одной команды, так что модель обещает быть интересной сама по себе. Для чистоты эксперимента тесты выполнялись параллельно в Windows 10 Enterprise v.1803 и Windows 7 SP1 x64.

Как подружить любой NVMe SSD c Windows 7 SP1 x64? Для этого нужно установить два патча, которые добавляют в «семёрку» поддержку современных твердотельных накопителей с логическим интерфейсом NVMe. Microsoft внезапно™ убрала их со своего сайта, стимулируя переход на «десятку». Поэтому вот [копии KB3087873 + KB2990941] и контрольные суммы (хеши MD5) для проверки их целостности. Вдохни новую жизнь в древнее железо!

Пропатченная Windows 7 SP1 x64 может использовать NVMe SSD как обычные накопители, но неспособна считывать их расширенные атрибуты через API. Поэтому возникают сложности с оценкой атрибутов SMART. На повседневной работе это никак не сказывается. Забегая вперёд, отмечу, что даже скорости в седьмой винде получаются практически такими же, как в «десятке», если накопителю не требуется специфический драйвер (как раз наш случай). Если на вашей материнке нет разъёма M.2 (NGFF), то установите SSD в переходник M.2 – PCI-E x4. Он выглядит примерно так.

Адаптер M.2 – PCI-E x4

# Технические характеристики

В серии SN750 присутствуют модели объёмом от 250 Гб до 2 Тб. Самые шустрые – терабайтные накопители WDS100T3X0C и WDS100T3XHC (бука «H» расшифровывается heatsink и указывает на наличие радиатора). Именно их характеристики указываются на коробке любого экземпляра.

Вот краткие спецификации предоставленной на обзор модели WDS500G3X0C без радиатора:

• форм-фактор: M.2 2280;
• логический интерфейс: NVMe 1.3;
• расположение чипов: одностороннее (легче установить в компактные системы);
• буфер SDRAM: DDR4-2400, 512 Мб;
• ресурс записи: 300 Тб (600 P/E циклов на ячейку)
• неформатированная ёмкость: 500 107 862 016 байт
• среднее время наработки на отказ: 1,75 млн. часов
• размеры: 80 х 22 х 2,4 мм
• масса: 7,5 г.

После создания одного раздела NTFS доступный пользователю объём составляет 465,76 Гб. Около 2% занимает служебная область (over-provisioning), ещё немного теряется при форматировании, а остальное «съедает» разница между двоичной и десятичной системой счисления. В итоге полезный объём оказывается на 18 гигабайт больше по сравнению с другими SSD, выпускаемыми с паспортной ёмкостью 480 Гб.

Полная и доступная ёмкость на WD Black SN750, 500 Гб

Наиболее полные характеристики можно посмотреть в программе AIDA64.

Полный паспорт WD Black SN750 (картинка кликабельна)

# WD Black SN750 под микроскопом

По привычке хотел написать «проведём вскрытие», но в данном случае вскрывать нечего – разве что снять наклейку и посмотреть маркировку чипов под ней с небольшим увеличением. Так и сделаем!

Обнажённый SSD WDS500G3X0C (картинка кликабельна)

Посередине платы находится фирменный контроллер SanDisk 20-82-007011. Как вы наверняка помните, в 2016 году Western Digital купила SanDisk. Поэтому не удивительно, что на WD Black SN750 мы видим 28-нм восьмиканальный чип «дочки» концерна WD. Правда, в тестируемой нами 500-гигабайтной модели задействовано всего два канала.

Зато контроллер помимо трёх процессорных ядер архитектуры ARM Cortex-R содержит дополнительные модули, реализующие на аппаратном уровне те функции ускорения, которые у других выполняются драйверами. За чтение флэш-памяти и начальную коррекцию ошибок в контроллере отвечают отдельные вычислительные блоки, разгружая ядра ARM для более ресурсоёмких операций. Поэтому специфичного драйвера для WD Black SN750 не требуется, он работает с универсальным.

Слева и справа от контроллера находятся две микросхемы флэш-памяти SanDisk 05563 256G. Это сборки по восемь 256-гигабитных 64-слойных чипов TLC 3D NAND третьего поколения (BiSC3). Они были крайне популярны в 2018 году, а сейчас производители массово внедряют микросхемы памяти четвёртого поколения (BiSC4, 96 слоёв) и одновременно анонсируют скорый выход BiSC5 (128 слоёв).

Многослойные чипы хороши с точки зрения более высокой плотности хранения данных и удешевления массового производства, однако наращивание слоёв негативно влияет на стабильность показателей ячеек и ресурс их перезаписи.

Так или иначе, WD даёт на этот накопитель пятилетнюю гарантию, а морально устаревшие BiSC3 сейчас выглядят разумным компромиссом. Каких-то проблем с компактным размещением больших объёмов с ними тоже не наблюдается. В серии WD Black SN750 есть даже двухтерабайтные модели!

Между контроллером и одним из модулей памяти находится микросхема H5AN4G6NBJR производства SK Hynix. Это SDRAM-буфер стандарта DDR4, имеющий объём 512 Мб и работающей на частоте 2400 МГц с таймингами 17-17-17.

Основная роль этого буфера – ускорить трансляцию адресов, поэтому его объём подбирается исходя из ёмкости самого SSD. Дополнительные мегабайты погоды не сделают, а вот за высокую частоту производителю большое спасибо! Обычно с ростом тактовой частоты повышается и нагрев, но здесь беспокоиться не о чем. Допустимая работа модуля DDR4 составляет 95°С. Это на 10 градусов ниже критической температуры контроллера и на 25°С выше той, на которой SSD начинает сбрасывать частоты во избежание перегрева.

Кстати говоря, контроллер SanDisk 20-82-007011 применяет двухуровневый троттлинг согласно спецификациям NVMe 1.3. При температуре выше 70°С он сначала пропускает единичные такты, а затем снижает эффективную частоту сильнее, и только если температура продолжает расти.

На практике ни того, ни другого обычно не происходит. В наших тестах максимально зарегистрированная температура WD Black SN750 составила 48°С при 22°C за бортом. Никакого дополнительного охлаждения не использовалось, просто рядом со слотом M.2 не было дискретной видюхи, которая обычно нагревает всё вокруг.

Едва заметный чип под вторым модулем памяти – схема управления питанием со встроенным стабилизатором. Опознать её по маркировке у нас не получилось, но результат её работы великолепен. Накопитель моментально переключается между состоянием простоя и максимальным быстродействием, радует скоростями и практически не греется. Возможно, благодарить за это стоит и новые спецификации NVMe, предусматривающие продвинутые режимы управления питанием.

Если у вас ноутбук или компьютер, подключённый через ИБП, то для максимальной производительности SSD компания Western Digital рекомендует отключить очистку буфера кэша записей Windows и функции энергосбережения в свойствах накопителя.

Отключение очистки буфера

Последнее также можно выполнить, включив режим Gaming Mode в фирменной утилите SSD Dashboard. Помимо этого она предоставит информацию о текущем состоянии накопителя, обновит прошивку и покажет степень его износа. Также в ней есть функция мониторинга текущей производительности SSD, чем мы и воспользуемся в тестах.

# Тесты реальные и синтетические

По негласной традиции начнём со скриншотов Crystal Disk Benchmark. Большие (во всех смыслах) цифры этого бенчмарка очень радуют обозревателей и покупателей.

WD Black NVMe SN750 в CrystalDiskBenchmark 6.0.2

Внушительные значения полностью соответствуют заявлению производителя о скоростных характеристиках SSD. Действительно, он демонстрирует «до 3470 Мб/с» и даже чуть выше. При этом не стоит забывать, что CrystalDiskMark – хитрая программа. Она фиксирует максимальный результат чтения из SLC-кэша, которому в реальной жизни соответствует начало операций с файлами, превышающими его размер.

Чтение из основной памяти TLC 3D NAND хорошо показывает другая программа – обновлённая в 2019 году Victoria, в которую её бессменный разработчик Сергей Казанский добавил поддержку SSD.

Скорость чтения из TLC-памяти

Утилита выполняет прямое посекторное чтение, и на графике мы видим характерную для многоуровневых ячеек флэш-памяти «гребёнку». Максимальная скорость составляет около 700 Мб/с, минимальная – 420 Мб/с, а устоявшаяся средняя – 500 Мб/с. То есть, это примерно как у накопителей с интерфейсом SATA 3. Вполне ожидаемый результат – сама флэш-память ведь не стала быстрее, изменилась лишь логика работы с ней.

Следует отметить, что режим посекторного чтения характеризует физические возможности массива TLC 3D NAND. Файловые операции на SSD ускоряются как программно, так и самим контроллером. Поэтому в большинстве пользовательских сценариев WD Black NVMe SN750 оказывается гораздо быстрее.

Для проверки создадим файл с размером, заведомо превышающим объём SLC-кэша. Скажем, 50 гигабайт. Теперь скопируем его с другого SSD на наш тестовый WDS500G3X0C.

Запись на SSD 50-гигабайтного файла

Запись начинается очень бодро – около 2,5 Гб/с, но как только SLC-кэш заканчивается, происходит падение скорости. На графике мы видим плавное снижение, а не резкий провал. Причиной тому технология nCache 3.0, аппаратно реализованная в контроллере. Она позволяет организовать работу со статическим SLC-кэшем параллельно прямой записи в TLC-массив. Поэтому скорость записи после опустошения кэша получается выше, чем у большинства аналогов – 826 Мб/с.

Практически такой же результат показывает мониторинг активности SSD в режиме реального времени через фирменную утилиту WD SSD Dashboard.

Фирменная утилита Western Digital для SSD

Пик вначале, а затем спад до изолинии на уровне около 830 Мб/с. Весьма неплохо для TLC 3D NAND! Разделение потоков для повышения скорости записи также стало возможным благодаря поддержке WD Black SN750 спецификации NVMe 1.3.

Тест чтения случайных блоков хорошо имитирует одновременное обращение к накопителю нескольких процессов.

AIDA64 Random read

Здесь с учётом SLC-кэша (всплески до 1,5 Гб/с) наблюдается даже ещё более высокая средняя скорость на уровне 934 Мб/с. Запуск часто используемых программ и открытие недавних документов должны происходить практически мгновенно.

# Выводы

WD Black SN750 – это ремейк довольно удачной серии SN720 на уровне прошивки и вариантов компоновки. Она имеет расширенный до 2 Тб модельный ряд, накопители с радиатором и без, а сами SSD стали чуть умнее, быстрее и холоднее.

По сравнению с подобными SSD, использующими интерфейс SATA 3 (6 Гбит/с), новые NVMe-накопители серии WD Black SN750 демонстрируют многократный прирост скорости для ключевых операций. Случайное чтение и запись стали быстрее в 2-2,5 раза, а линейная запись в пределах SLC-кэша – в 3,3 раза. Последовательное чтение из SLC-кэша ускорилось в 4,5 раза и фактически лимитируется пропускной способностью PCI Express 3.0 x4, которая пару лет назад казалась запредельной.

Напомним, что линии PCI Express 3.0 имеют скоростной лимит на уровне 8 млрд транзакций в секунду, а для кодирования каждых 128 бит приходится использовать ещё 2 служебных. Таким образом, для четырёх линий PCI Express 3.0 получаем теоретическую планку 3,93 Гб/с. На отдельных операциях SSD WDS500G3X0C очень близко подошёл к теоретическому пределу внешнего интерфейса.

Если компания Western Digital увеличит объём SLC-кэша, или сделает его динамически настраиваемым в широких пределах, то обновлённые твердотельные накопители станут ещё более интересным решением.

Устройство для обзора предоставлено компанией Western Digital.

Как использовать SDD NVMe в качестве системного загрузочного диска для Windows 10?

Оказывается Windows 10 можно легко заставить дружить с SSD NVMe, если просто взять не кривую сборку от Microsoft. У компании с обновлениями в последнее время получается сложно.

Итак, вы обновили своё «железо», например, купив не самую дорогую материнскую плату Asus TUF H370 Pro Gaming. Вполне разумный выбор, который даст вам возможность собрать новый ПК, используя самые современные процессоры Intel, при необходимости использовать наработки компании в области Optane-памяти, а также поставить высокоскоростной SSD NVMe вместо жёсткого диска или вместо всё ещё актуального, но уже медленного классического SATA SSD. Именно в случае с NVMe вас может подстерегать проблема.

Скоростной SSD в первую очередь стоит использовать для установки системы, чтобы летали и игрушки, и установленный софт и сама Windows. По идее Windows 10 уже давно умеет работать с таким железом, но на практике оказывается, что это не так. В сети можно увидеть на многих форумах обсуждение проблемы, когда Windows не хочет устанавливаться на SSD NVMe, но при этом легко ставится на обычный жёсткий диск или SATA SSD. Ситуация, на наш взгляд, абсурдная, как и с масштабированием интерфейса, если у вас разрешение выше 1080p. Кстати, проблему с масштабированием мы решили.

Что за беда с SSD? Виновата материнская плата?

Предыстория такова, что получив во владение материнскую плату Asus TUF H370 Pro Gaming, мы решили, что она запросто подружится с современными SSD, благо слот M.2 в наличии, их здесь целых два. Да и в описании продукта указано, что она может:

1 x M.2 Socket 3*2, , with M Key, type 2242/2260/2280 storage devices support (SATA & PCIE 3.0 x 2 mode)

1 x M.2 Socket 3, with M key, type 2242/2260/2280/22110 storage devices support (PCIE 3.0 x 4 mode)

Не тут-то было. Для теста мы решили приобрести не самый дорогой, но один из самых шустрых SSD ADATA XPG ASX8200. Про цены мы тоже писали немного ранее. В нашей ревизии на коробке продукта указано, что он развивает скорости на чтение/запись до 3500/1200 Мб/с. Впечатляет!

Но после нескольких часов возни стало понятно, что работать этот SSD вместе с материнской платой не хочет. Разумеется, BIOS был обновлён до последней версии. И вина в этом не производителей железа. Хотя ADATA оказывается сообщает , что этот модуль не указан среди совместимых для TUF H370. Но чуть позже мы его всё же сможем завести.

Эксперимент продолжился через несколько дней, когда в нашем распоряжении оказался чип-памяти попроще — ADATA XPG SX8000. Здесь скорости чтения/записи уже 1900/1100 Мб/с. Снова вылез нюанс. На странице совместимости указана материнская плата Asus TUF H370 Pro Gaming Wi-Fi, на ша же без поддержки беспроводных сетей, логично предположили, что этот момент не будет никоим образом влиять на совместимость с современными SSD, ведь в остальном материнки Asus идентичны. Но снова неудача.

Попытка номер 3 была предпринята с «железкой» Western Digital Black SN750. Скорости для него заявлены производителем 3470 Мб/с на чтение и 2600 Мб/с на запись. Опять неудача.

Все три SSD удалось заставить работать в качестве второго диска в системе, но системным выступал всё равно традиционный SATA SSD. Развязка оказалась неожиданной, проблема была в Microsoft.

Суть проблемы

Загвоздка была понятна. Детище Microsoft не знает, как работать с NVMe накопителем данных, подходящего драйвера, который бы всё объяснил, нет, а потому инсталлятор не может начать процесс на необходимый нам диск. При этом драйвер Intel RST, загружаемый со второй флешки, не помогал. Здесь также любопытно, что инсталлятор Windows признал драйвер совместимым с оборудованием и даже пытался его использовать, но безуспешно.

Даже когда далось продвинуться на один шаг в инсталляторе до момента выбора жёсткого диска и раздела для установки (путём форматирования и разбивки через Diskpart в NTFS, GPT, привоения статуса Primary, а затем внедрения BCD с помощью приложения Easy BCD и последующего запуска Repair-установщика), он говорил, что не может установить Windows 10 на любой выбранный раздел, который был на SSD от Western Digital. Зато установку можно было продолжить на другие диски, на которых уже была прошлая установка Windows.

Ещё раз стало понятно, что это чудачества Microsoft, когда мы решили попробовать установить Linux Deepin на новый SSD. Несколько кликов мыши, ещё несколько минут работы установщика — система успешно запустилась.

В сети удалось найти советы о том, что стоит вставлять загрузочную флешку с Windows в порт USB 2.0, а не 3.0, так как у многих это решало проблему.

Были советы об использовании режима совместимости CSM, выбираемом в BIOS. Некоторым это помогало.

Удалось найти даже инструкцию по модификации BIOS, не слишком сложную и в целом логичную, но этим заниматься хотелось всё же в последнюю очередь.

Хеппиэнд!

Лекарство оказалось внезапным. Несмотря на то, что мы пытались установить Windows с флешки, созданной в приложении Rufus по мотивам оригинального образа (версия 1809), скаченного официальным приложением Windows Media Creation Tool (кстати флешку созданную этой программой мы тоже использовали, но неудачно), выстрелила более старая флешка, опять же, созданная в Rufus, но с образом Windows 10 версии 1803.

Делать не пришлось ровным счётом ничего. Мы просто отключили все SSD и HDD, чтобы не смущать установщик и загрузились со старой флешки с билдом 1803. Он сразу подружился с NVMe SSD.

Если вам интересны новости мира ИТ также сильно, как нам, подписывайтесь на наш Telegram-канал. Там все материалы появляются максимально оперативно. Или, может быть, вам удобнее «Вконтакте» или Twitter? Мы есть также в Facebook.