Toshiba Client NVMe SSD BG4
Waarom neemt Toshiba de moeite om één enkel geheugenkaartje op te sturen? Dat was onze eerste gedachte toen we de envelop met daarin de Client NVMe SSD BG4 openden. Deze ssd met het formaat van een sd-kaartje blijkt echter een wolf in schaapskleren: onderhuids gaat het om een nvme-ssd met Toshiba's nieuwste BiCS4-geheugen.
Dertig millimeter lang bij tweeëntwintig millimeter breed meet de BG4, om exact te zijn. Er is zelfs een single-package uitvoering zonder pcb, bijvoorbeeld om rechtstreeks op een printplaat te monteren, die slechts 16 bij 20 mm groot is. Daarin zit een volledige ssd, ondergebracht in één chip die zowel de controller als het daadwerkelijke flashgeheugen bevat. In feite is het daarmee de opvolger van de Toshiba RC100-ssd, die destijds nog onder de OCZ-merknaam op de markt werd gebracht en een stukje groter was.
De Toshiba Client NVMe SSD BG4 is er in capaciteiten van 128 GB tot 1 TB. Die laatste uitvoering ontvingen wij en moet in staat zijn om lees- en schrijfsnelheden van respectievelijk 2300 en 1800 MB/s te behalen. Voor een nvme-ssd zijn dat geen topsnelheden, maar nog altijd niet onaardig. Voor het lezen en schrijven van kleine bestanden geeft Toshiba 390.000 en 200.000 iops op.
Een gedeelte van het 96-laags BiCS4-flashgeheugen wordt zoals gebruikelijk als slc aangestuurd om als buffer te dienen, de rest als tlc. Eigen dram-cache heeft de BG4 niet, maar wel wordt de host memory buffer-feature ondersteund, waarmee de mapping table in het werkgeheugen van het systeem zelf wordt gecached. Windows 10 biedt hier al sinds 2016 ondersteuning voor.
Verkrijgbaar is de Toshiba Client NVMe SSD BG4 vooralsnog niet. In de tweede helft van dit jaar zou dat moeten veranderen, maar dat nemen we met een korreltje zout; de XG6-ssd die we vorig jaar testten van Toshiba's Client-divisie is bijvoorbeeld nog altijd niet op de markt. Ondanks dat we doorgaans alleen verkrijgbare producten testen, vonden we de techniek en het formaat achter de BG4 interessant genoeg om hem toch nader te bekijken.
In het kort
De Toshiba BG4 is een knap staaltje techniek; de grote capaciteit in het kleine formaat is indrukwekkend. De snelste nvme-ssd is het niet, maar vanuit technisch oogpunt is dit toch een prestatie.
Vooralsnog niet te koop
Weinig indrukwekkende sequentiële snelheden
Slechte prestaties in consistency-test
Veel opslag in piepkleine formfactor
Goede prestaties in praktijktests
Erg zuinig
Benchmarks
Bij Hardware Info testen we ssd's op een viertal identiek testsystemen bestaande uit een Intel Core i5 7400 (Kaby Lake) processors, een MSI H270 Gaming M3 moederbord en 8 GB DDR4-2400 geheugen. De systemen zijn voorzien van Windows 10 Fall Creators Update (versie 1709) en maken gebruik van de Intel Rapid Storage Technologies (RST) driver versie 15.2.0.1020.
Allereerst doen we enkele synthetische benchmarks (AS SSD en Atto Disk Benchmark) om specifieke prestatie-eigenschappen van de ssd's te achterhalen. Belangrijker zijn de real worldbenchmarks, gebaseerd op het schijfgebruik van échte applicaties. Hiervoor maken we gebruik van de diverse storage-benchmarks als onderdeel van PCMark8 alsook een drietal eigen workloads. Met behulp van de PCMark8 test bepalen we ook de prestaties van schijven na langdurige belasting. Op basis van de verschillende real world benchmarks bepalen we de Hardware Info SSD Prestatiescore en de Hardware Info SSD Entry Prestatiescore, waarbij we het gemiddelde prestatieniveau vangen in één getal.
Naast prestaties meten we ook het stroomverbruik, zowel idle als in gebruik.
AS SSD
AS SSD is een synthetische schijfbenchmark, geoptimaliseerd voor ssd's. Zo maakt de benchmark gebruik van niet comprimeerbare data en worden random lees- en schrijftests ook uitgevoerd met een zogenaamde queue depth van 64, ofwel met 64 opdrachten tegelijkertijd. Let wel; alle AS SSD testonderdelen zijn relatief kortstondig, wanneer het prestatieniveau van ssd's inzakt na enkele minuten belasting zonder pauze, zie je dat in AS SSD scores niet terug. Dat maakt AS SSD puur interessant om specifieke basis eigenschappen van een ssd te analyseren. Aangezien je AS ssd ook eenvoudig zelf kunt draaien (downloadlink) kun je hiermee ook de prestaties van je eigen ssd vergelijken met die van door ons geteste exemplaren.
Op basis van de onderliggende tests, produceert AS SSD totaal-, lees- en schrijfscores. De Toshiba BG4 is met een score van 4668 punten wat langzamer dan een Samsung 970 Evo.
De onderliggende leestests zijn sequentieel lezen, het op willekeurige plekken lezen van 4k datablokken met 1 of 64 tegelijk en de gemiddelde toegangstijd. Qua sequentiële leessnelheid haalt de BG4 het niet bij veel andere nvme-ssd's, maar de 4kB-scores en toegangstijd zijn prima.
De onderliggende schrijftests zijn sequentieel schrijven, het op willekeurige plekken schrijven van 4k datablokken met 1 of 64 tegelijk en de gemiddelde toegangstijd. Schrijven gaat de BG4 niet al te goed af.
Atto Disk Benchmark
Naast AS SSD draaien we ook Atto Disk Benchmark. Deze test is oorspronkelijk bedoelde voor harde schijven en zegt in feite weinig tot niets over de prestaties van ssd's in de praktijk. Wel kan Atto dankzij de specifieke manier van aansturen de best case sequentiële lees- en schrijfsnelheden tonen.
We meten een kleine 2350 MB/s bij lezen en ruim 1850 MB/s bij schrijven. In beide gevallen is dat iets meer dan wat Toshiba opgeeft; keurig dus.
Real world benchmarks
Om een goed beeld te krijgen van de prestaties van ssd's in de praktijk draaien we verschillende zogenaamde real world benchmarks, tests die gebaseerd zijn op het schijfgebruik van échte applicaties.
Allereerst de storage test van PCMark8. Deze benchmark maakt gebruik van zogenaamde tracesvan Adobe Photoshop, Adobe Illustrator, Adobe Indesign, Adobe After Effects, Microsoft Word, Microsoft Excel, Microsoft PowerPoint, World of Warcraft en Battlefield 3. Scores van alle afzonderlijke tests vind je op de volgende pagina.
In onderstaande grafieken vind je allereerst de bandwidth score, wat de gemiddelde lees- en schrijfdoorvoersnelheid is, gemeten over alle verschillende testonderdelen. De traces worden real time afgespeeld, dus inclusief idle tijd tijdens de oorspronkelijke opname van het schijfgebruik. De totaalscore is gebaseerd op de meetkundig gemiddelde tijd die het kost om alle tests te draaien, inclusief die idle-tijd. Vandaar dat bij de standaard score de resultaten van alle moderne ssd's zeer dicht bij elkaar liggen.
In PCMark 8 sluit de Toshiba BG4 aan bij de top met een score van 633 MB/s, waarvoor hij zich absoluut niet hoeft te schamen. De WD Black en de 'oude' 970 Evo doen het bijvoorbeeld minder goed.
Naast de PCMark8 real world tests draaien we ook een drietal in-huis ontwikkelde real world benchmarks. Dit zijn traces gebaseerd op een gaming workload (GTA V en Rise of the Tomb Raider), een lichte desktop workload (Windows opstarten, Microsoft Office en Google Chrome) en een zware desktop workload (Adobe Photoshop en Adobe Lightroom). Waar PCMark8 tijdens het testen alle caches op besturingssysteem-niveau uitschakelt, laten we voor onze eigen real world benchmarks de lees- en schrijfcaches van Windows intact. Dat maakt dat deze benchmarks wellicht nóg iets meer beeld geven van de prestaties van disks in de praktijk.
Ook hier zien we prima scores, zo rond de middenmoot van het nvme-testveld.
Real world benchmarks (in depth)
In onderstaande grafieken vind je de resultaten van alle testonderdelen van PCMark 8. Voor elk van de tests tonen we de gemiddelde lees- en schrijfdoorvoersnelheid, als ook de gemiddelde lees- en schrijftoegangstijd.
Prestaties over tijd (consistency)
In tegenstelling tot bij harde schijf is bij ssd's het prestatieniveau niet constant. Wanneer een ssd langdurig tussen pauzes wordt belast en/of wanneer een ssd vrij vol zit, kunnen de prestaties (flink) inzakken. Het prestatieniveau van ssd's onder de meest extreme omstandigheden (ofwel het worst case scenario) kunnen vasthouden worden de steady state prestaties genoemd.
Eerst wat achtergrondinformatie. We hebben meermaals geschreven dat data op een ssd per zogenaamde 'pagina', hoeveelheden van meestal 4, 8 of 16 kB, weggeschreven en uitgelezen kan worden. Om data te kunnen wegschrijven moeten datacellen echter eerst gewist worden: dat kan alleen per blok. Zo'n blok bestaat uit 128, 256 of 512 pagina's. Dit gegeven zorgt ervoor dat ssd's slimme trucjes moeten uithalen. Wanneer een aantal pagina's aan data verwijderd moet worden, moet eerst de rest van de data uit het blok gekopieerd worden naar een ander blok, waarna het gehele blok geleegd kan worden. In de praktijk betekent het dat ssd-controllers schrijfacties zoveel mogelijk opzamelen, deze vervolgens tegelijk naar nieuwe, vers geleegde blokken uitvoeren en tegelijkertijd verwijderacties pas op gezette tijden uitvoeren. Op die momenten, wanneer de ssd niets te doen heeft, schakelt de in de controller ingebakken garbage collector in, die verwijderacties daadwerkelijk doorvoert op chipniveau en overbleven data zoveel mogelijk combineert in volle blokken, om op die manier zoveel mogelijk blokken volledig leeg te kunnen maken. Wanneer de ssd echter lange tijd continu, dus zonder een seconde rust, gebruikt wordt, kan de garbage collector niet tussendoor aan de slag. Op een gegeven moment zijn er dan geen lege blokken meer over en zal de ssd tussen het uitvoeren van commando's door aan garbage collection moeten gaan doen. Het resultaat: de prestaties worden lager.
Dat effect wordt versterkt als de ssd erg vol zit; het aantal geheel lege blokken waar direct data in geschreven kan worden is dan per definitie beperkt. Nu is iedere ssd altijd enkele procenten overgeprovisioneerd, wat betekent dat er meer geheugen fysiek inzit dan je via het besturingssyteem kunt gebruiken. Zo heeft een 512 GB ssd in de regel 512 échte gigabytes (512 x 1024 x 1024 x 1024 = 549.755.813.888 bytes) aan boord, terwijl er richtinghet besturingssysteem slechts 512 GB berekend met 1000 bytes per kilobyte beschikbaar is (512 x 1000 x 1000 x 1000, ofwel 512.000.000.000 bytes, ofwel 476,8 échte gigabytes). Het verschil van 7,5% is wat de garbage collector ook wanneer de ssd helemaal volbeschreven is leeg kan maken. Duurdere ssd's zijn in de regel veel meer dan 7,5% overgeprovisioneerd, wat maakt dat ze minder snel en minder vaak de garbage collector tijdens het verwerken van data hoeven te gebruiken.
En er is nog een reden waarom ssd's tijdens een workload na enkele seconden, minuten of nog langer qua prestaties kunnen inzakken. Veel consumenten ssd's maken gebruik van zogenaamde TLC-geheugen waarbij drie bits per cel kunnen worden opgeslagen. Handig om de kosten laag te houden, maar het beschrijven van TLC-geheugen gaat veel langzamer bij bij SLC of MLC (1- resp. 2-bits per cel) geheugen. Dit wordt door sommige fabrikanten opgevangen door een buffer; een geheugenchip en/of een deel van het flashgeheugen dat als SLC wordt aangestuurd en dus sneller kan worden beschreven. Het idee is dat schrijfacties eerst naar buffer gaan en later naar langzaam TLC worden weggeschreven. Is de workload echter zo lang dat de buffer volzit, dan moet er rechtstreeks naar TLC worden geschreven met lagere doorvoersnelheden en hogere toegangstijden tot gevolg.
PCMark 8 consistency test
Wij testen de steady state prestaties met behulp van de PCMark 8 consistency test. Hierbij wordt de gehele PCMark 8 storage test, dus alle op de vorige pagina's getoonde workloads, 18 keer gedraaid.
Vooraf wordt de gehele schijf twee keer volledig met data beschreven. Dit gebeurt twee keer om er voor te zorgen dat ook de volledige overprovisionering "bezet" is. Gedurende de acht degradatiefases van de tets wordt de volledige PCMark 8 benchmark gedraaid met daar tussenin telkens een constante workload van random schrijfopdrachten gedurende achtereenvolgens 10, 15, 20, tot maximaal 45 minuten. Gedurende de steady state fase wordt de benchmark nogmaals vijf keer gedraaid, met telkens opnieuw vooraf 45 minuten random schrijfworkloads. Tijdens de recoveryfase mag de schijf weer "op adem" komen en wordt de benchmark vijf keer gedraaid met telkens 5 minuten idle tijd vooraf. Gedurende die tijd kan de ssd de garbage collector en andere interne optimalisaties z'n werk laten doen.
In onderstaande grafieken die je de scores van de benchmarks gedurende de 18 stappen. In de tabbladen staat de gemiddelde doorvoersnelheid als ook de gemiddelde lees- en schijftoegangstijd.
De zware test is niet weggelegd voor de BG4-ssd: het lezen gaat nog prima, maar het schrijven gaat met latencies op het niveau van een harddisk. Of, minder drastisch gesteld, op het niveau van ssd's met qlc-geheugen.
Van de vijf tests in de steady state fase hebben we vervolgens de gemiddelde bandbreedte, leestoegangstijd en schrijftoegangstijd bepaalt. Deze waardes geven een uiteindelijk beeld van de prestaties van ssd's in een worst case scenario.
Gemiddeld komen we uit op een steady state bandwidth van 139,1 MB/s. De lees-toegangstijd is met 0,2 ms prima, bij het schrijven is die met bijna 12,2 ms erg hoog.
Hardware Info SSD Prestatiescore
Om het uiteindelijke prestatieniveau van ssd's zo goed mogelijk in één getal te vangen, hebben we het meetkundig gemiddelde van de resultaten van alle real-world benchmarks omgedoopt tot de Hardware Info SSD Prestatiescore. De standaard prestatiescore bevalt alle workloads inclusief de resultaten van de steady state test. De Entry prestatiescore bevat enkel de wat simpelere workload en hierbij nemen we de steady state waardes ook niet mee. Deze score is dus een beter ijkpunt als je een ssd zoekt voor minder veeleisende taken.
Mede door de mindere scores in de steady-state tests, blijft de Toshiba BG4 wat achter in de SSD Prestatiescore. De ssd komt uit op 482 punten, waarmee in dit testveld alleen de qlc-gebaseerde Crucial P1 slechter scoort. In de Entry-score, waarbij de zwaarste tests niet worden meegerekend, doet de BG4 het wat beter en haalt hij de Samsung 960 Evo in.
Stroomverbruik
Het stroomverbruik van ssd’s meten we gebruikmakend van een riserkaart. Dat doen we met zowel een 4k random write als een 1MB sequential write workload.
In de 4k random write-test is het verbruik al prettig laag, maar in de sequentiële test is de Toshiba BG4 zelfs veruit de zuinigste ssd.
Conclusie
De Toshiba Client NVMe SSD BG4 is een knap staaltje techniek. Dankzij de integratie van 96-laags flash met de controller in één package, levert de fabrikant een vrij snelle 1TB nvme-ssd af in een bijzonder kleine formfactor. De sequentiële snelheden houden niet over en voor de zware consistency-test is de BG4 niet gemaakt, maar in de praktijktests kan hij prima mee met de subtop.
Bovendien brengt de verregaande integratie van deze ssd nog een ander voordeel met zich mee, namelijk het lage stroomverbruik. Zelfs in de zwaarste test blijft het verbruik beperkt tot een watt of drie. Gecombineerd met het compacte formaat maakt dat de BG4 tot een interessante optie voor gebruik in laptops.
Nu kun je de Toshiba BG4 nog niet kopen en het is de vraag of hij überhaupt ooit rechtstreeks aan consumenten verkocht zal worden (hij zal in genoeg notebooks gaan belanden, verwachten we zo), maar de technologische prestatie van Toshiba belonen we graag met een Innovation Award.
