[Pro] Intel Optane DC P4800X 750GB review: eerste 3D XPoint SSD getest

3D XPoint

Veel recente ssd's maken gebruik van zogenaamd 3d-nand, maar 3D XPoint is een totaal ander type geheugen. Waar 3d-nand simpelweg bestaat uit gestapelde lagen traditioneel flashgeheugen, is 3D XPoint een in een driedimensionale matrixstructuur opgebouwd geheugen dat qua werking een beetje het midden houdt tussen dram en nand.

3D XPoint (spreek uit: crosspoint) bestaat uit phase-change geheugencellen, die van waarde kunnen worden veranderd door er spanning op te zetten. Elke cel kan één bit van 0 of 1 bevatten. Door de cel voor een fractie van een seconde op te warmen naar 350 graden wordt de waarde ingesteld op 1, terwijl opwarmen tot iets meer dan 600 graden Celsius leidt tot een reset naar 0.

Om de dichtheid van de geheugenchips zo hoog mogelijk te maken, hebben Intel en Micron ervoor gekozen om een driedimensionale matrixstructuur te gebruiken. Het nadeel van deze structuur is dat er meerdere paden mogelijk zijn naar elke geheugencel, wat ruis kan geven bij het uitlezen of zelfs de informatie in verkeerde cellen kan veranderen. Daarom is in het circuit van een cel een speciale schakelaar opgenomen, die ervoor zorgt dat er geen stroom bij de opgeslagen data kan zolang een bepaald voltage niet wordt bereikt. Mogelijke andere paden bieden meer weerstand en worden zodoende niet geactiveerd.

Op dit moment gebruikt Intel een 20nm-productieprocedé om zijn 3D XPoint te fabriceren. Doordat de hoeveelheid stroom die nodig is om een cel te programmeren bij kleinere processen lager wordt, zijn kleinere procedés bij deze technologie eigenlijk alleen maar beter. Dat is qua materiaalgebruik en productie een uitdaging, maar biedt wel mogelijkheden voor de toekomst.

Intel Optane DC P4800X 750GB

De ssd die we vandaag hebben getest heeft een capaciteit van 750 GB en is uitgerust met 28 3D XPoint-packages van 128 gigabit, steeds met twee die's per package. Dat betekent dat de werkelijke capaciteit 896 GB bedraagt, waarvan een deel wordt achtergehouden om de prestaties en betrouwbaarheid van de ssd te waarborgen. De ietwat ongebruikelijke groottes worden veroorzaakt doordat de gebruikte controller zeven kanalen heeft.

Het geheel wordt gekoeld door een passieve heatsink van zwart aluminium. Volgens Intel kan de drive lezen met 550.000 iops en schrijven met 500.000 iops bij random 4kB-writes. Ter vergelijking: een Samsung 960 Pro wordt gespecificeerd op 330.000 iops. De maximale sequentiële snelheden zijn in vergelijking met die van andere nvme-drives minder indrukwekkend. Intel geeft 2400 MB/s voor lezen en 2000 MB/s voor schrijven op.

Er is nogal wat te doen geweest rondom de betrouwbaarheid van de Intel Optane-ssd's. De fabrikant geeft nu een belasting van 30 drive writes per day, wat gezien de garantieperiode van vijf jaar uitkomt op ruim 41.000 TBW. Dat is een serieus indrukwekkende hoeveelheid schrijfacties. Condensators voor het opvangen van stroomuitval heeft de ssd niet, maar dat is gezien de aard van 3D XPoint en het ontbreken van een dram-cache dan ook niet nodig. Verder is het nog vermeldenswaard dat de Optane DC P4800X hardwarematige ondersteuning voor 256-bit AES-encryptie biedt.

Test

We testen PCI-Express SSD’s met een systeem gebaseerd op een Core i5 en een ASRock Z97 Extreme6 moederbord. Dit bord is een van de weinige die ondanks zijn Z97-chipset toch een M.2-slot volledig van bandbreedte kan voorzien. De tests worden uitgevoerd onder Windows 8.1, hoewel we natuurlijk uitvoerig hebben gecontroleerd of het gebruiken van Windows 10 geen prestatieverschil zou opleveren.

Iometer tests

Middels Iometer bepalen we allereerst de random lees- en schrijfsnelheid met 4kB datablokken. Juist deze tests met kleine datablokken zijn als indicatie voor de prestaties van SSD’s in de praktijk van groot belang: in Windows, maar ook in andere besturingssystemen is 4kB in de regel de meest gebruikte blokgrootte waarmee harde schijven en SSD’s worden aangestuurd. De test doen we met queue-depth 1, 2, 4, 8, 16 en 32. Deze queue-depth geeft aan hoeveel gelijktijdige instructies er op een SSD worden afgevuurd. Bij QD32 kunnen SSD’s zich van hun beste kant laten zien, maar juist de prestaties bij lage queue-depth zijn van groot belang bij consumententoepassingen.

Met Iometer meten we ook de lees- en schrijfsnelheid bij grote datablokken van 1 MB. Deze test doen we bij QD32, maar juist bij dergelijke datablokken maakt de hoeveelheid parallelle verzoeken weinig tot niets uit, omdat de SSD-controller die uitstekend kan verdelen over meerdere SSD-kanalen.

Verder simuleren we de toegangspatronen van een file server en een database server met Iometer. De database test bestaat geheel uit random operaties ter grootte van 8 kB, waarvan 67% leesopdrachten en 33% schrijfopdrachten. De fileserver test uit 80% leesopdrachten en 20% schrijfopdrachten, waarbij de transfer sizes als volgt zijn verdeeld: 10% 512 bytes, 5% 1 kB, 5% 2 kB, 60% 4 kB, 2% 8 kB, 4% 16 kB, 4% 32 kB en 10% 64 kB. Zowel de file server als database test voeren we opnieuw uit met queue-depth 1, 2, 4, 8, 16 en 32.

Alle Iometer tests voeren we uit met volledig gerandomiseerde data, waardoor SSD-controllers met compressietrucs daar geen profijt uit kunnen behalen. Ook draaien alle verschillende tests minimaal 30 seconden per stuk, veel langer dan vergelijkbare tests die onderdeel uitmaken van diverse benchmark tools.

AS SSD

Hoewel we feitelijk alle relevante synthetische testdata uit Iometer kunnen halen, draaien we alsnog ook de populaire AS SSD benchmark, dat intern ook is gebaseerd op de prestaties bij 4kB datablokken (QD1 en QD64) en sequentiële lees- en schrijfprestaties. Hoewel dus redundant ten opzichte van de Iometer tests, heeft AS SSD twee voordelen: allereerst worden de scores netjes omgezet in een duidelijke totaalscore, die goede eerste indruk van de prestaties van een SSD geeft. Daarnaast kun je AS SSD ook simpel thuis draaien en zo scores eenvoudig vergelijken.

Real-world benchmarks: PCMark

Voor consumententoepassingen is de real-world benchmark PCMark8 veel belangrijker. Deze benchmark heeft een harde schijf/SSD test, opnieuw gebaseerd op traces uit het Windows 8-tijdperk. PCMark 8 bevat traces van Adobe Photoshop, Adobe Illustrator, Adobe Indesign, Adobe After Effects, Microsoft Word, Microsoft Excel, Microsoft PowerPoint, World of Warcraft en Battlefield 3.

Continutests

Ten slotte doen we nog een tweetal continutests, waarbij we een workload voor 30 minuten op een SSD draaien, en per minuut de gemiddelde prestaties bepalen. Allereerst doen we dit met de Iometer 4kB random write test, daarnaast met de Iometer database simulatie. Beide continutests worden uitgevoerd met QD32 en op een bestand dat 75% van de capaciteit van het aanwezige flashgeheugen beslaat. Meer informatie over deze continutests verderop. Voor consumententoepassingen zijn deze continutests van weinig belang, voor het professioneel inzetten van SSD’s – bijvoorbeeld in servers – zijn de resultaten van deze tests juist belangrijker dan welke andere benchmark dan ook.

Consistentietests

Onder consistentie verstaan we hoe de prestaties van seconde tot seconde kunnen afwijken. Om de consistentie in kaart te brengen draaien we opnieuw een Iometer 4kB random write QD32 workload, maar in plaats van het iedere minuut bepalen van de prestaties bepalen we voor iedere seconde een gemiddelde. Laat het maar direct gezegd zijn: de consistentie van prestaties is voornamelijk iets wat voor de enterprise markt van belang is. Wie een SSD in een heavy duty database-server plaatst, wil er zeker van zijn dat de prestaties van de gebruikte storage voorspelbaar zijn: grote pieken en dalen kunnen leiden tot onvoorspelbaar gedrag van workloads. Voor consumentengebruik is het eigenlijk (vrijwel) niet van belang, behalve dat de prestatieconsistentie zonder meer een effect heeft op de prestaties van SSD's wanneer je ze in RAID 0 plaatst. Immers, bij een RAID 0 array worden blokken data om en om naar twee of meer disks geschreven en voor de prestaties geldt in feite dat de langzaamste schijf ("de zwakste schakel") het uiteindelijke prestatieniveau bepaalt. Wanneer één schijf een matige consistentie van prestaties heeft, zullen de algehele prestaties van een RAID 0-array relatief laag zijn, aangezien de kans dat één van beide "een dipje" heeft dan relatief groot is.

Iometer: 4kB random read/write

Met Iometer testen we de random leessnelheid met 4kB datablokken, met queue depth 1 tot en met 32. Vooral op queue depth 1 is het verschil met de gevestigde orde enorm. De Optane DC P4800X is ruim drie keer zo snel als de snelste ssd tot nu toe, de Samsung 960 Pro. In de grafiek zien we dat de Optane-ssd veel sneller op zijn maximum prestatieniveau is, terwijl de Samsung daarvoor een veel grotere queue nodig heeft.

Bij het schrijven zijn de prestaties minder bijzonder. We komen bij QD1 uit op bijna 50.000 iops, wat oploopt naar bijna 230.000 iops bij QD32.

Iometer: Fileserver / Databaseserver simulatie

Onze simulaties van servergebruik passen het beste bij het gebruiksdoel van de ssd die we vandaag testen. In deze tests simuleren we de toegangspatronen van een fileserver en een databaseserver met Iometer. De database test bestaat geheel uit random operaties ter grootte van 8 kB, waarvan 67% leesopdrachten en 33% schrijfopdrachten. De fileserver test uit 80% leesopdrachten en 20% schrijfopdrachten, waarbij de transfer sizes als volgt zijn verdeeld: 10% 512 bytes, 5% 1 kB, 5% 2 kB, 60% 4 kB, 2% 8 kB, 4% 16 kB, 4% 32 kB en 10% 64 kB. Zowel de fileserver als databasetest voeren we opnieuw uit met queue-depth 1, 2, 4, 8, 16 en 32.

Fileserver workload

In de fileserver workload is de Intel Optane DC P4800X de snelste. Op QD32 komt de Kingston DCP1000 in de buurt, maar vooral bij lagere queue-depths is de Intel heer en meester.

Database workload

In de database test zijn de verschillen nog groter. Bij lage queue depths doet de Intel Optane DC P4800X het zeer goed, terwijl hij ook bij een hoge queue depth duidelijk de snelste blijft.

ATTO Disk Benchmark

ATTO Disk Benchmark werkt met comprimeerbare data en is doorgaans de test waarin ssd's hun hoogste snelheden bereiken. Sequentieel is het 3D XPoint-geheugen niet uitzonderlijk snel en in vergelijking met reguliere nvme-ssd's valt de Optane dan ook niet op. De schrijfsnelheid is wel relatief hoog.

AS SSD

AS SSD werkt met oncomprimeerbare data en doet zowel lees- als schrijftests. Eerst wordt er getest met datablokken van 4 kB, met één instructie tegelijkertijd en daarna met 4 kB datablokken met 64 gelijktijdige instructies. Ten slotte wordt ook een sequentiële lees- en schrijftest uitgevoerd, die een maat geeft voor het werken met zeer grote bestanden. Op basis van alle tests bepaalt AS SSD ook een totaalscore. Hoewel de tests grotendeels dubbelop zijn met de Iometer tests, draaien we AS SSD omdat je deze benchmark zelf ook eenvoudig kunt draaien om zo een vergelijking te maken met je eigen SSD.

Voornamelijk dankzij de hoge leesprestaties haalt de Optane een record totaalscore van ruim 8000 punten.

AS SSD (deelscores)

4kB blokken lezen - single threaded

4kB blokken lezen - 64 threads

Sequentieel lezen

4kB blokken schrijven - single threaded

4kB blokken schrijven - 64 threads

Sequentieel schrijven

PCMark8

De storage benchmark van PCMark8 is opnieuw gebaseerd op traces, maar nu van moderne software. PCMark8 bevat traces van Adobe Photoshop, Adobe Illustrator, Adobe Indesign, Adobe After Effects, Microsoft Word, Microsoft Excel, Microsoft PowerPoint, World of Warcraft en Battlefield 3. De totaalscore wordt bepaald door het meetkundig gemiddelde van de verschillende onderdelen te nemen. Opnieuw worden de traces 'real time' afgespeeld, dus inclusief idle tijd. Dat maakt dat de scores van SSD's erg dicht bij elkaar liggen. Dat komt dan ook overeen met de praktijk: bij normale consumententoepassingen is het vrijwel onmogelijk om moderne SSD's van elkaar te onderscheiden.

Waar PCMark7 voor alle tests ook een Raw-score geeft, toont PCMark8 op eenzelfde manier een gemiddelde snelheid waarmee de drive activiteit van de traces afspeelt. Dit is dus weer zonder idle tijd en toont de daadwerkelijk onderliggende prestatieverschillen van de SSD's. 

In PCMark 8 is de Intel Optane DC P4800X veruit de snelste met een storage bandwidth van meer dan 1400 MB/s. De score is met 5137 punten nauwelijks hoger dan die van andere ssd's, want de snelheid van de opslag is voor veel consumentensoftware geen bottleneck meer als je eenmaal een ssd hebt.

Op de volgende pagina vind je de deelscores.

PCMark8 (deelscores)

Batllefield 3

De Battlefield 3 trace bevat het opstarten van Battlefield 3, inloggen en laden van een save game en het starten van het betreffende level. De trace bevat 887 MB aan leesopdrachten en 28 MB aan schrijfopdrachten.

World of Warcraft

De World of Warcraft trace bevat het opstarten van het spel, het inloggen en het starten van een level. De trace bevat 390 MB aan leesopdrachten en 5 MB aan schrijfopdrachten. 

Adobe Photoshop Light

Deze trace bevat het starten van Photoshop, het openen van 14 afbeeldingen en het op elk daarvan uitvoeren van een zevental bewerkingen. De trace bevat 313 MB aan leesopdrachten en 2336 MB aan schrijfopdrachten. 

Adobe Photoshop Heavy

Deze trace is gebaseerd op het bewerking van een hoge resolutie foto en het daarmee maken van een hi-res poster voor print. De trace bevat 468 MB aan leesopdrachten en 5640 MB aan schrijfopdrachten.

Adobe InDesign

In deze trace wordt een publicatie met een groot aantal afbeeldingen gemaakt in InDesign. De trace bevat 401 MB aan leesopdrachten en 624 MB aan schrijfopdrachten.

Adobe After Effects

In deze trace wordt een eerder gemaakte video gerenderd. De trace bevat 311 MB aan leesopdrachten en 16 MB aan schrijfopdrachten.

Adobe Illustrator

In deze trace wordt een presentatie gemaakt op basis van een groot aantal in Photoshop gemaakte afbeeldingen. De trace bevat 373 MB aan leesopdrachten en 89 MB aan schrijfopdrachten.

Microsoft Word

In deze trace wordt een groot aantal bewerkingen gedaan aan een groot academisch Word-bestand. De trace bevat 107 MB aan leesopdrachten en 95 MB aan schrijfopdrachten.

Microsoft Excel

Deze trace bevat werkzaamheden aan een zeer grote Excel-tabel.De trace bevat 73 MB aan leesopdrachten en 15 MB aan schrijfopdrachten.

Microsoft PowerPoint

Deze trace bevat een aantal bewerkingen aan een groot PowerPoint bestand met veel afbeeldingen. De trace bevat 83 MB aan leesopdrachten en 21 MB aan schrijfopdrachten.

Continutests - Steady State Performance

Zeker voor wie een SSD professioneel gaat toepassen - denk aan workstation- of servergebruik - zijn de zogenaamde steady state prestaties, ofwel het prestatieniveau waarop een SSD stabiliseert na langdurig intensief gebruik, erg van belang.

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. Het prestatieniveau waarop een SSD in zo'n geval op stabiliseert noemen we de steady state performance.

Wij doen twee verschillende continutests om deze steady state performance in kaart te brengen. Beide tests draaien we met Iometer, waarbij we de workload voor 30 minuten continu laten draaien er per minuut de gemiddelde prestaties noteren. Voor snelle ssd's die in servers kunnen worden ingezet, verlengen we deze tests naar 10 uur. De eerste continutest is de 4kB random write QD32 benchmark. De tweede continutests is de Iometer database workload simulatie, eveneens gedraaid met queue depth 32. Beide tests draaien we op een testbestand dat 75% van de schijfcapaciteit (LBA) beslaat.

4kB random write QD32

De Intel Optane DC P4800X weet op het gebied van random writes niet te winnen van de Kingston DCP1000, maar is op dat model na wel de snelste van alle geteste ssd's.

Databasesimulatie QD32

De Intel Optane DX P4800X begint als snelste aan de databasetest en houdt dat de volledige tien uur durende workload vast op exact dezelfde snelheid van meer dan 1280 MB/s. Hij is ruim 80% sneller dan de Kingston DCP1000, wat tot nu toe de snelste ssd in deze test was.

Performance consistentie

Om de consistentie van de prestaties in kaart te brengen, hebben we nogmaals een 4kB random write workload op de SSD's gedraaid met queue-depth 32, waarbij we iedere seconde de prestaties monitoren. Voor de periode tussen de 1800 en 2000 seconden berekenden we de standaardafwijking van de resultaten. Hoe lager die standaardafwijking, hoe minder variatie en dus hoe constanter het prestatieniveau. Als tweede grafiek is nogmaals het steady state niveau in dezelfde test geplaatst, om snel te kunnen vergelijken. Houd er rekening mee dat wanneer de prestaties erg constant zijn, maar in absolute zin erg laag, je er alsnog weinig voor koopt.

De Intel Optane DC P4800X is niet alleen behoorlijk snel, maar ook enorm consistent. In de grafieken zien we een vrijwel rechte lijn, wat betekent dat de prestatie heel mooi constant blijven, ook na vele uren benchmarken.

Conclusie

Jaren na de eerste aankondiging van 3D XPoint-geheugen hebben we eindelijk de eerste volwaardige ssd met dit nieuwe type geheugen kunnen testen. In sommige opzichten zijn de prestaties van de Intel Optane DC P4800X zonder twijfel revolutionair. Eén van de traditionele bottlenecks van traditioneel flashgeheugen, de beperkte prestaties bij lage queue-depths, wordt succesvol weggenomen en in tests die daar veel gebruik van maken zien we dan ook enorme verschillen.

Ook het schijfgebruik van consumententoepassingen bestaat doorgaans uit veel kleine bestanden. De storage bandwidth-score die de Intel Optane DC P4800X neerzet is dan ook astronomisch hoog. Toch blijkt dat niet uit de finale score, aangezien de snelheid van het opslagmedium al niet de bottleneck was en een nóg snellere ssd dus weinig verschil maakt.

Voor zakelijke toepassingen is de Intel Optane DC P4800X echter zeer interessant. I/O-intensieve databaseservers zullen smullen van de enorme snelheid waarmee kleine stukjes data kunnen worden gelezen met deze ssd. Bovendien zakt de snelheid niet in als de drive gedurende lange tijd zwaar wordt belast, zelfs niet in onze tien uur durende continutest. Dat de ssd daarbij ook nog eens bijzonder consistent presteert, is nog een extra pluspunt. De prestaties zijn dus zonder twijfel ultiem.

De eerste volwaardige 3D XPoint-ssd laat dus een goede indruk aan, maar de technologie lijkt vooralsnog weinig meerwaarde te bieden voor consumenten. De prijs per gigabyte is met ruim € 4 nog veel te hoog om ook maar enigszins het overwegen waard te worden voor thuisgebruikers. Ter vergelijking: zelfs een Samsung 960 Pro kost niet meer dan 60 eurocent per GB.

Dat de Intel Optane DC P4800X in de meeste toepassingen de snelste ssd is die er bestaat, mag inmiddels duidelijk zijn. Luidt deze ssd echter het begin in van een nieuw storagetijdperk, of blijft 3D XPoint exclusief beschikbaar in extreem dure producten? Laten we hopen dat de kosten ervan snel dalen, zodat een 3D XPoint-ssd ook voor de doorsnee Hardware.Info-lezer binnen bereik komt.

Intel Optane DC P4800X 750GB