Что делать в том случае, если скорости какой-либо из подсистем компьютера недостаточно, а возможности для её модернизации на более производительные аналоги уже исчерпаны? В этом случае проблема решается количественным наращиванием характеристик, путем объединения возможностей нескольких устройств для совместной работы в одной системе. В центральных процессорах идет увеличение количества ядер, мощность графической подсистемы увеличивается при помощи таких технологий как SLI и CrossFireX, а для дисковой подсистемы используется объединение нескольких накопителей в RAID-массив. Но если производительность многоядерных процессоров и видеокарт в multi-GPU системе напрямую зависит от эффективности поддержки со стороны программного обеспечения и его оптимизации, то в случае с RAID-массивом большее влияние оказывает драйвера и firmware, а не прикладное ПО.

Возможность объединения нескольких накопителей информации в RAID массивы уже на протяжении многих лет поддерживается абсолютным большинством материнских плат, причем не только тех, что ориентированы на использование в серверах или рабочих станциях, но и для обычных домашних компьютеров. Поддержка технологии RAID есть практически у всех современных чипсетов. Но если три года назад и раньше интегрированный на материнской плате RAID-контроллер не рассматривался как приемлемый вариант для построения очень быстрой дисковой подсистемы, то сейчас ситуация изменилась.

Благодаря росту производительности процессоров, зависимость от него при работе с RAID-массивом уже не так критична как раньше. На большинстве аппаратных RAID контроллеров для использования в качестве кэш-памяти до сих пор применяются "древние" микросхемы с низкой (по современным меркам) пропускной способностью, в то время как драйвера для чипсетных RAID-контроллеров (например, Intel Rapid Storage Technology) для кэширования используют оперативную память, пропускная способность которой достигает 20-30 гигабайт в секунду. Но самое главное - появилась поддержка нового интерфейса SATA 6 GB/sec, то есть вдвое увеличилась пропускная способность SATA-портов.

Это конечно не означает, что интегрированные RAID-контроллеры по своим возможностям стали сравнимы с дискретными платами enterprise-уровня. Но если несколько лет назад для получения скорости дисковой подсистемы в районе гигабайта в секунду требовалось очень дорогостоящее оборудование, то теперь к этому уровню уже вплотную приблизилась связка из обычной материнской платы на чипсете Intel P67/H67/Z68 и пары-тройки быстрых SATA3 SSD.

Для того чтобы выяснить, насколько поднимет производительность дисковой подсистемы объединение нескольких SSD в RAID-массив, были взяты три накопителя Crucial m4 128 Gb. Это позволило создать из них массив как нулевого (из двух и из трех SSD), так и пятого уровня (только из трех). Их обзор уже был опубликован ранее, поэтому переходим непосредственно к результатам их тестирования в режиме RAID.

Тестовая конфигурация и используемое ПО

Для тестирования был собран открытый стенд с такой конфигурацией:

• Процессоры: Intel Core i7-2600K D2 (Sandy Bridge), 3400 МГц;
• Материнская плата: ASUS Maximus IV Extreme, Rev. 1.02, Intel P67, BIOS 1902;
• Память: G.Skill Perfect Storm F3-16000CL7-6GBPS, DDR3-2000, PC3-16000, 2x2048Mb;
• Видеокарта: Sapphire Radeon HD 6950, 2048 Мбайт GDDR5, PCI-E;
• Накопители: Crucial m4 128 Гбайт, Western Digital WD1002FAEX 1Тбайт;
• Блок питания: Antec TruePower Quattro TPQ-1000, 1000W;
• Термопаста: Arctic Cooling MX-4;
• Охлаждение процессора: GlacialTech F101 PWM.

Программное обеспечение:

• OS: Windows 7 Enterprise SP1 x64 v6.1.7601 (english);
• DirectX Redistributable (Jun2010);
• Intel Chipset Device Software v9.2.3.1016;
• Intel Rapid Storage Technology driver v10.6.0.1002;
• Intel Management Engine Interface driver v7.0.10.1203;
• AMD Catalyst driver v11.8;
• CPU-Z v1.58;
• Crystal Disk Mark v3.0.1;
• HD Tune Pro v4.60;
• HD Tach v3.0.4.0;
• ATTO Disk Benchmark v2.46;
• AS SSD Benchmark v1.6.4237.30508;
• AIDA64 Extreme v1.85.1604 beta;
• PCMark05 v1.2.0;
• PCMark Vantage v1.0.2;
• IOmeter v1.1.0 RC1.

Процессор был разогнан до частоты 4700 МГц с напряжением 1.40V путем увеличения множителя.

Память работала на частоте 2133 МГц с таймингами 7-8-7-21 1T и напряжением 1.75V.

Видеокарта работала на номинальных частотах 800/1250 МГц, но с разблокированными до 1536 потоковыми процессорами.

Сравнение производительности одиночного накопителя и RAID-массива

Для подключения накопителей были использованы порты на материнской плате, реализованные средствами чипсета Intel P67.

Результаты были получены еще до выпуска firmware версии 0009 для Crucial m4. С новой прошивкой они могли бы быть еще выше, но, к сожалению, к моменту её появления уже не было повторить возможности тестирование. Разницу производительности между старой и новой прошивкой можно оценить по результатам тестирования на одиночном SSD.

Операционная система загружалась с жесткого диска Western Digital WD1002FAEX. В настройках операционной системы была включена опция для очистки кэша записи (Turn off write-cache buffer flushing). Перед началом тестирования на SSD или RAID-массиве создавался пустой раздел на весь доступный объём в формате NTFS c размером кластера по умолчанию. Дополнительно, при тестировании во всех режимах с RAID, перед запуском каждого бенчмарка, массив был пересобран для того, чтобы на каждом накопителе принудительно выполнить команду TRIM при помощи программы SSD Tweaker.

Производительность измерялась в четырёх режимах:

1. Одиночный накопитель в режиме AHCI, подключенный к порту SATA3.
2. RAID0 из двух накопителей, подключенных к портам SATA3.
3. RAID0 из трёх накопителей, подключенных к портам SATA2. Сравнение с вариантом, при котором один или два из трёх накопителей подключались к портам SATA3, показало такие же результаты. Производительность в RAID0 определяется самым медленным из участников массива.
4. RAID5 из трёх накопителей. Два из них были подключены к портам SATA3 и еще один к SATA2.

По умолчанию драйвер Intel Rapid Storage Technology предлагает для массива из SSD-накопителей использовать размер stripe, равный 16 Kb для RAID0 и 128 Kb для RAID5.

Но сравнение результатов с разным размером stripe показало, что в случае с RAID0 из SSD оптимален размер 8 Kb, который и был использован.

Также при создании массива устанавливалось опция "Включить кэш обратной записи тома" (Enable volume write-back cache).

Crystal Disk Mark v3.0.1

Настройки: Test Data = Default (Random), размер тестового файла = 1000 Mb, количество проходов бенчмарка = 3.

HD Tune Pro v4.60

Настройки: Full test, 64 Kb block size.

HD Tach v3.0.4.0

Настройки: Long Bench (32mb zones), запуск в режиме совместимости с Windows XP SP3.

ATTO Disk Benchmark v2.46

Настройки: Total Length = 256 Mb, Queue Depth = 4.

AS SSD Benchmark v1.6.4237.30508

AIDA64 Extreme v1.85.1604 beta - Disk Benchmark.

Настройки: Block Size = 1 Mb.

PCMark05 v1.2.0 - HDD Test Suite

PCMark Vantage v1.0.2 - HDD Test Suite.

IOmeter v1.1.0 RC1

Настройки: Access specification = 100% Random, Block Size = 4 Kb, Queue Depth = 32.

Влияние использования RAID из накопителей SSD на показатели производительности дисковой подсистемы:

1. Скорость линейного чтения. Растёт по сравнению с одиночным накопителем, но со временем ухудшается, по мере заполнения массива информацией. Это происходит из-за отсутствия поддержки TRIM в RAID. Скорость чтения восстанавливается только после разборки массива, применения TRIM на всех дисках по отдельности и последующей сборки обратно. Подробнее об этом - в следующем разделе.
2. Скорость линейной записи. Растёт, даже при подключении накопителей к портам SATA2.
3. Скорость случайного чтения. Растёт при наличии очереди (QD>1) или при размере блока 512Kb и выше (даже без очереди). Незначительно (на 2-4% или 1-2 Mb/sec) уменьшается при отсутствии очереди (QD=1) и размере блока 4Kb и меньше.
4. Скорость случайной записи. Растёт в режиме RAID0 и падает в режиме RAID5.
5. Буферизированное чтение (HD Tune, AIDA64). Возрастает в десятки раз (до нескольких гигабайт в секунду), независимо от типа массива и количества дисков. Это связано с различным алгоритмом кэширования в драйвере Intel Rapid Storage Technology для одиночных накопителей и RAID-массивов.
6. Время доступа. Может изменяться в небольших пределах, но все равно остается очень низким, как и у одиночного накопителя.
7. Нагрузка на CPU. Возрастает до 10-19% на линейном чтении (HD Tune, HD Tach) и до 18-37% при случайном доступе блоками 4 Kb с глубиной очереди 32 (IOMeter).

Кроме всего перечисленного выше, в процессе тестирования была обнаружена одна особенность кэширования записи в драйвере Intel Rapid Storage Technology. В случае присутствия в системе любого RAID-массива (даже из HDD), скорость случайной записи блоками 4 Kb (QD=1) на одиночный SSD-накопитель по результатам бенчмарков Crystal Disk Mark и AS SSD Benchmark примерно на 20% (до 123 и 112 MB/sec соответственно) выше, чем в системах без RAID. И даже если массив разобрать, то до ближайшей перезагрузки компьютера, скорость одиночных накопителей не изменится (в том числе и только что разобранных из RAID).

Влияние отсутствия TRIM на производительность RAID-массива из SSD

Как уже было сказано выше, отсутствие поддержки TRIM в RAID приводит к падению скорости чтения после заполнения массива информацией. Провалы образуются только на тех участках, в которые после создания массива производилась запись. И остаются там, даже после удаления записанной информации. Давайте посмотрим, насколько велики эти провалы.

Начнём с конфигурации из двух накопителей в режиме RAID0, подключенных к портам SATA3. Провалы скорости достигают 30%.

AS SSD Benchmark v1.6.4237.30508

В случае использования трех накопителей в режиме RAID0 падение скорости чтения несколько ниже (около 25%), так как сверху их ограничивает пропускная способность SATA2-портов.

HD Tune Pro v4.60

HD Tach v3.0.4.0

PCMark05 v1.2.0 - HDD Test Suite: падение результата с 182010 до 135675

RAID5 из трех накопителей, так же как и RAID0 из двух, теряет примерно 30% скорости чтения.

HD Tach v3.0.4.0

Результаты в бенчмарках PCMark04, PCMark05, PCMark Vantage и PCMark7

Для получения максимальных  результатов в бенчмарках PCMark использовалась та же тестовая конфигурация с незначительными изменениями. Блок питания был заменен на Enermax Revolution 1050W и добавлено еще два модуля памяти на микросхемах Elpida Hyper. На процессоре был установлен водоблок Thermalright XWB-01, а на видеокарте водоблок Topmods.net. Оба водоблока охлаждались проточной холодной водой. Процессор был разогнан до частот около 5400 МГц с напряжением 1.65-1.68V, а видеокарта 1030/1530 МГц с напряжением 1.30V.

В PCMark04 влияние дисковой подсистемы на результат минимально, по причине отсутствия HDD-подтестов в System Test Suite. Самое главное в этом бенчмарке - настроить динамическое переключение частоты/множителя/ядер процессора, чтобы не допустить появления ошибки в подтесте Grammar Check. Результат в 23109 баллов уже второй месяц держится на вершине рейтинга hwbot.org.

Отрыв больше трех тысяч от ближайшего результата получен благодаря использованию операционной системы Windows 8 build 7955, а так же настройкам браузера Internet Explorer 9 и видеокодека WMV. Для PCMark04 в RAID из SSD не было необходимости, оказалось достаточно и одного накопителя.

В PCMark05 так же был получен рекордный результат, причем несколько раз. Но все они в течениe короткого времени перекрывались чуть более высокими результатами австралийского оверклокера pro, использовавшего процессор с более высоким разгонным потенциалом и гораздо более мощную и дисковую подсистему.

Итоговый результат в 47070 баллов в настоящее время находится на четвертом месте. И это единственный результат выше 40 тысяч, полученный с использованием всего двух накопителей SSD и интегрированного RAID-контроллера, вместо массива из нескольких аппаратных RAM-дисков (Acard ANS9010 или Gigabyte iRAM). Использование в PCMark05 трех SSD в режиме SATA2 давало почти такие же результаты, как  и на двух в SATA3, даже чуть ниже.

PCMark Vantage - самый зависимы от скорости дисковой подсистемы бенчмарк среди всех версий PCMark. Догнать в нём владельцев массивов из множества RAM-дисков при прочих равных условиях очень сложно, поэтому результат в 36467 балла оказался только на 4 месте (или на 2-м, если считать результаты, полученные только на 4-ядерных процессорах).

Для PCMark Vantage уже были использованы все три накопителя в RAID0.

Самая новая версия - PCMark7 зависит от дисковой подсистемы гораздо меньше, чем PCMark Vantage, но и для него также был использован RAID из трех SSD. Результат в 7014 баллов держится на первом месте уже больше двух месяцев.

Использование RAID из SSD позволяет значительно улучшить результаты в бенчмарках PCMark всех версий, за исключением разве что самого старого PCMark04. При этом разница между результатами на двух SSD, подключенных к портам SATA3 и трех к SATA2 очень невелика. Очевидно, что для рекордных результатов стоит использовать только массивы нулевого уровня, RAID5 не подходит из-за крайне низкой скорости записи.

Заключение

Объединение SSD-накопителей в RAID0 позволяет заметно повысить скорости линейного и случайного доступа при работе с большими блоками, либо при наличии глубины очереди. Например, при использовании двух накопителей, скорость чтения на чистом массиве увеличивается почти вдвое, по сравнению с одиночным накопителем, но по мере заполнения его данными начинает довольно сильно проваливаться. Скорость записи стабильна и местами возрастает даже больше, чем вдвое, если конечно включить кэш обратной записи при создании массива. Случайная запись мелкими блоками (4 Kb, QD=1) возрастает в несколько раз, потому как попадает в кэш драйвера RAID-контроллера. Проблем с увеличением времени доступа нет, при условии, что процессор не загружен полностью чем-то еще и может обеспечить выполнение операций ввода-вывода без задержек. Нагрузка на CPU при использовании RAID значительно возрастает, но если он достаточно мощный (и тем более если разогнан), то проблем это не создаст.

Единственный показатель, который в RAID из SSD остается почти без изменений (и даже немного снижается) - это скорость случайного чтения мелких блоков (4 Kb) без параллельной нагрузки (QD=1). Достаточно большое число пользователей SSD считает этот показатель одним из важнейших и по этой причине отказываются от использования RAID из SSD. Несомненно, он важен, но не стоит забывать и о том, что в операционных системах, для установки которых в первую очередь и используют твердотельные накопители, присутствует множество файлов самого разного объема. А что касается параллельного доступа - он будет в любой многозадачной системе. Сколько у вас одновременно работает программ, в фоновом режиме работающих с файлами? Антивирус, firewall, проигрыватель мультимедиа, клиент P2P-сетей... Достаточно четырех, но чем их больше - тем больше будет пользы от RAID. Впрочем, для создания параллельной нагрузки, достаточно и последнего в этом списке.

Основная проблема RAID-массивов из SSD это отсутствие возможности трансляции команды TRIM через драйвер RAID-контроллера. Она до сих пор не решена (если не считать единичный пока случай использования собственного нестандартного драйвера у OCZ RevoDrive 3) и срок её решения неизвестен. Отсутствие TRIM приводит к снижению скорости работы массива со временем, вернуть обратно которую можно только пересборкой массива и принудительным выполнением TRIM на всех отдельных накопителях. Еще один недостаток - отсутствие прямого доступа к данным в SMART. Из-за этого нельзя отслеживать текущее состояние накопителя. Соответственно не будут работать и программы типа SSDlife, дающие прогноз состояния/жизни накопителя, основываясь на текущих значениях параметров из SMART (Wear Leveling Count и т.п.).

Новейшие микросхемы системной логики Intel (P67/H67/Z68) обладают поддержкой только двух SATA3 портов, а конкурирующие с ними решения от AMD - более низкой производительностью, как самих процессоров, так и интегрированного SATA/RAID-контролера. Поэтому, если вы хотите использовать весь потенциал SATA3 SSD накопителей в количестве более двух, то на данный момент вам для этого понадобится очень недешевый дискретный контроллер с поддержкой более двух портов SATA3. Но лучше еще немного подождать до появления материнских плат с чипсетом Intel X79 и наличием шести портов SATA3 у встроенного контроллера.

Производительность двух SSD в режиме SATA3 близка к трем в SATA2. Второй вариант будет предпочтительней только в том случае, если скорость записи для вас важней скорости чтения. Тоже можно сказать и про выбор между одним SATA3 SSD и двумя SATA2 в RAID0. Но самой сомнительной конфигурацией массива из трех SSD является RAID5. Уровни RAID за исключением нулевого используются для обеспечения отказоустойчивых конфигураций, а для этого необходимо либо отключать кэш записи, либо обеспечивать бесперебойное питание компьютера. Иначе при сбое по питанию произойдет потеря данных, оставшихся на тот момент в кэше записи. Скорость записи у трех накопителей в RAID5 и так ниже, чем у одиночного SSD. А после отключения кэша она упадет до совсем низкого уровня. При использовании SSD исчезает только один из недостатков RAID5 - долгая инициализация массива.

Учитывая, что объем твердотельных накопителей растет пропорционально их стоимости, ответить на вопрос о целесообразности RAID из SSD можно так:

• Использовать накопители объемом 60/64 Gb в RAID лучше не стоит. Их производительность заметно ниже более ёмких моделей из-за использования только четверти каналов контроллера flash-памяти. Предпочтительней будет один накопитель на 120/128 Gb.
• Если сравнивать RAID0 из двух накопителей объемом 120/128 Gb и один на 240/256 Gb, то тут уже не все так однозначно. Скорость записи будет выше у варианта с RAID, но по минимальной скорости чтения (а не пиковой, как у только что созданного массива) второй вариант может оказаться предпочтительней. Большинство обычных домашних пользователей вполне могут обойтись одним накопителем. Конфигурацию с RAID можно выбрать, например, для одновременной записи потоков с нескольких видеокамер, для компьютеров типа "seedbox/dump" или просто для бенчмаркинга в PCMark.
• Ну и если взять за основу для построения массива два накопителя объемом 240/256 Gb, то это точно будет лучше, чем один на 480/512 Gb.

Редакция ModLabs.net выражает благодарность:

- компании ASUS за материнскую плату ASUS Maximus IV Extreme,

- компании Sapphire за видеокарту Sapphire Radeon HD 6950,

- компании Antec  за блок питания True Power Quattro TPQ-1000.

S_A_V

Обсуждение материала приветствуется. Комментарии к статье можно оставить через социальную сеть Вконтакте, Facebook или в специальной теме нашего форума.