PI Hardware/ SSD, quando il garbage collector è integrato

L’acquisto di un moderno PC desktop o notebook di fascia medio – alta richiede in genere l’abbinamento ad un’unità allo stato solido (SSD) per evitare che veloci componenti di sistema possano essere strozzati da un non entusiasmante disco tradizionale. È ormai dato di fatto che prodotti di questo tipo sono capaci di cambiare totalmente l’esperienza d’uso di qualsiasi macchina: i tempi di accesso delle unità SSD, e con i modelli di ultima generazione anche le velocità di lettura e scrittura, sono decisamente migliori di quanto offerto da prodotti tradizionali ed i costi d’acquisto, un tempo proibitivi, hanno subito decurtazioni per andare incontro alle tasche dell’utenza.

Gli unici nei riguardano la sensazione di poca affidabilità legata al limitato numero di cicli di lettura e scrittura che inizialmente affliggeva queste unità, prezzi ancora molto elevati abbinati a capacità relativamente contenute tanto che generalmente gli SSD si usano in tandem con un secondo disco tradizionale sul quale si tengono i dati lasciando sul disco principale sistema operativo, giochi e programmi;  sono altresì affetti da decadimento prestazionale a seguito del normale impiego se il supporto alla tecnologia TRIM è assente che, ricordiamo, oltre ad essere implementata  nell’unità, deve essere pilotata da sistema operativo (solo Windows 7 al momento dispone di supporto nativo alla tecnologia TRIM ed in parte Linux).

Kingston pone rimedio a questo secondo problema con la sua linea di dischi SSDNow V+ 100 che, specificamente progettata per l’utilizzo in ambiti aziendali (ove è facile trovare ancora macchine con Windows XP), permette di mantenere inalterate le prestazioni del disco nel tempo grazie ad una tecnologia di Garbage Collection , che fa manutenzione delle celle di memoria parzialmente utilizzate tramite algoritmo di pulizia piuttosto aggressivo, rendendo non necessario l’aggiornamento a sistemi operativi di nuova generazione e permettendo di estendere il ciclo di vita di quelli pre-installati.

Il disco Kingston SSDNow V+ 100

Il disco è disponibile in kit tradizionale con confezione in cartone e manuale di istruzioni, od in kit di aggiornamento con relativo software per il trasferimento dati da unità pre-esistenti e cavi di connessione; è disponibile in tagli da 64, 96, 128, 256 e 512 gigabytes ed ha costi che oscillano tra i 157,00 Euro ed i 1.242,00 Euro (prezzi individuati nello shop on-line del produttore). Il modello in prova è quello da 128 gigabytes, con tre anni di garanzia ed un costo pari a 266,00 Euro. Nella seguente tabella abbiamo raccolto le specifiche del disco SSD che andremo ad analizzare:

Specifiche tecniche

Le specifiche base evidenziano una tecnica standard, al pari di quella degli altri dischi di recente generazione dotati di controller SandForce SF1222: le celle di memoria impiegate garantiscono una vita media pari ad un milione di ore, una banda dati in lettura e scrittura di tutto rispetto (230MB/s e 180MB/s) e resistenza notevole agli urti, con accelerazioni sino a 1500G. Non è il disco più veloce in assoluto: alcune unità di A-DATA (S-599) e Patriot (Inferno) dimostrano di avere più brio, riuscendo a spuntare valori ben superiori.

Dati di targa

Il disco si presenta in un package metallico del tipo a sandwitch, ove la scheda logica contenente controller e moduli di memoria è inserita in un doppio guscio avvitato alla base e provvisto di cerniere laterali; l’unico adesivo lato fronte permette di individuare il modello, la capienza, il numero di serie, alcune specifiche tecniche e certificazioni.

Uno chassis molto robusto

L’impressione generale è quella di solidità: il package è robusto e molto resistente a pressioni fisiche sulle superfici più esposte, ed è chiuso tramite viti a brugola in acciaio smaltato apposte agli angoli (di cui una coperta dal sigillo per la garanzia); nella parte inferiore troviamo quattro fori per viti per l’installazione su cassetti da 2,5 pollici da macchina desktop o slitte per portatili.

I connettori

L’interfaccia è di tipo S-ATA 2.0 3Gbit/s, retrocompatibile con S-ATA di prima generazione, con disposizione dei connettori secondo lo standard 2,5"; i connettori sono realizzati in plastica e dotati di guide per l’inserimento corretto dei cavi, mentre sono sprovvisti di clip di ritenzione.

Precauzioni contro il surriscaldamento

Alcune misure di precauzione sono state adottate per evitare che il disco possa danneggiarsi nel tempo a seguito di surriscaldamento: l’adesivo termico interno è piuttosto spesso e permettere un’efficacie dissipazione del calore restando compresso fra guscio metallico e chip di memoria / controller.

Controller del disco

La tecnica del prodotto è praticamente la stessa già vista nei dischi Kingston SSDNow+ 1,8" ed SSDNow V-Series: i moduli di memoria sono disposti ad U lungo il perimetro del PCB, mentre il controller Toshiba T6UG1XBG è in area più centrale, nei pressi dei connettori di alimentazione e dati. Questo processore, realizzato con tecnologia di processo a 43nm, è lo stesso utilizzato dagli SSD che utilizzati dal MacBook Air di Apple ed è responsabile della tecnologia di garbage collection citata in precedenza.

Ma perché questo argomento riveste una particolare importanza? Per comprenderlo, pur senza dilungarci in tediosi dettagli tecnici, ricordiamo che le memorie NAND Flash sono scritte a livello di pagina da 4KB ma cancellate blocco a blocco, dunque 512 pagine alla volta. Una operazione di cancellazione, perciò, include più fasi: il salvataggio di tutti i dati presenti nelle 512 pagine, la cancellazione del blocco, che elimina dati validi e non validi, e la riscrittura dei soli dati validi. La procedura di garbage collection non fa altro che tenere puliti i blocchi della memoria NAND al fine di averli subito pronti quando avvengono operazioni di scrittura. Per analizzare i dischi SSD abbiamo utilizzato un sistema SATA 2 (3Gb/s) con controller RAID aggiuntivo:

• Sulla scheda sono stati installati solo i componenti necessari: CPU, Memoria, Scheda video e Hard disk.
• L’hard disk è stato formattato, sono stati poi installati il sistema operativo, i driver per le periferiche e quando necessario sono state installate patch e aggiornamenti.
• Ogni test è stato ripetuto per tre volte e se i valori di qualche test sembravano sballati il test stesso è stato di nuovo ripetuto.
• Fra un test e l’altro il sistema è stato riavviato.

Di seguito la configurazione di prova:

Sistema di prova

Software di analisi:

• HD Tach 3.0.4.0 : questo software permette di misurare le prestazioni dei dischi rigidi in lettura sequenziale e in lettura a blocchi. Esso fornisce un comodo grafico con i risultati.
• ATTO Disk Benchmark 2.34 : software di benchmark per hard disk che misura ne le prestazioni utilizzando file di diversa dimensione e scrivendoli e leggendoli da punti a caso del disco.
• IOMeter 2006.07.27 : Iometer è un software di rilevazione delle prestazioni del sottosistema di I/O sviluppato inizialmente da Intel Corporation e poi portato avanti come un progetto Open Source.
• PCMark Vantage : molto simile al SiSoft SANDRA, esegue test sintetici per misurare le prestazioni di CPU, memoria, dischi e grafica.
• 7-Zip : benchmark CPU/Memory intensive che misura le prestazioni del computer nella creazione di archivi – file compressi.
• Tempi di avvio del sistema e copia di file.

Metodologia operativa:

1. Utilizzando l’SSD come disco secondario, col sistema operativo ed i software di benchmark installati su un disco tradizionale primario. Questa tipologia di test rileva le performances base del disco.
2. Utilizzando l’SSD come disco primario sul quale risiedono sistema operativo e software di benchmark. Questo genere di test serve ad analizzare il comportamento del disco nell’impiego quotidiano più tradizionale.

In entrambi i casi è stata attivata la modalità AHCI per il controller SATA.

Capacità formattata

La formattazione del disco permette di rilevare una capienza effettiva pari a circa 119GB, al pari della concorrenza con stesso taglio da 128GB. Seguono le rilevazioni effettuate con i  software HDTach e Atto Disk Benchmark:

ATTO Disk Benchmark

Le performances rilevate con ATTO Disk Benchmark sono tali da evidenziare un buon comportamento per l’unità di prova, da collocare nella "fascia media" dei dischi SSD per via delle velocità massime in scrittura e lettura pari rispettivamente a circa 236 e 181 megabytes al secondo (altri SSD come il Patriot Inferno raggiungono valori di 230-236MB/s mentre il meno recente OCZ Vertex si attesta sui 248-194MB/s).

Quel che notiamo è comunque una netta differenza fra la gestione di file di piccole dimensioni, che si avvicinano al minimo possibile su un file system come quello NTFS, e quella di file di più grosse dimensioni i quali invece si caratterizzano per un trasferimento molto vicino a quello sequenziale. In aggiunta, il divario tra banda dati in lettura e scrittura deriva dall’algoritmo di garbage collection sempre attivo che, per mantenere le performances sempre al meglio, crea un overhead dei dati ed un sovraccarico del controller per gestire le operazioni di pulizia.

HD Tach: banda dati lettura sequenziale e a blocchi

La banda dati rilevata in lettura sequenziale è in linea con quella del modello SSDNow+ da 128GB ed idonea al target del prodotto che, ricordiamo, è quello dell’impresa; sempre per questo motivo la differenza con i dischi consumer di fascia più alta è evidente raggiungendo livelli fino a 60MB/s a confronto con il modello AData S599 256GB; in modalità a blocchi le performances restano ancora una volta su livelli non elevati scarti abbastanza evidenti rispetto agli SSD di seconda generazione.

HD Tach: occupazione CPU (a valori inferiori corrispondono prestazioni migliori)

La percentuale d’occupazione della CPU è molto bassa, una delle migliori in assoluto: il prodotto si classifica in seconda piazza, subito dietro l’SSDNow+ da 1.8" dello stesso produttore. Con IOMeter abbiamo realizzato due serie di test con 4 thread attivi in contemporanea. La prima serie comprende files di 4KB, corrispondenti alle dimensioni minime che il File System è in grado di gestire (e che sono quelli maggiormente implicati nei trasferimenti); la seconda, prende in considerazione files da 2MB, e permette praticamente di valutare le prestazioni in lettura e scrittura sequenziale.

I valori che abbiamo rilevato da IOMeter sono i seguenti:

• Total I/Os per Second (IOps) : rappresenta la media rispetto al tempo di esecuzione del benchmark del numero delle operazioni di I/O al secondo. Questo test prevede anche uno spaccato per la lettura (Read I/Os per Second, Read IOps) e per la scrittura (Write I/Os per Second, Write IOps).
• Total MBs per Second (MBps) : rappresenta la media in termini di Megabytes letti e scritti al secondo calcolata su tutto il tempo di esecuzione del test. Questo test prevede anche uno spaccato per la lettura (Read MBs per Second, Read MBps) e per la scrittura (Write MBs per Second, Write MBps).
• Average I/O Response Time : rappresenta il valore medio del tempo fra l’inizio ed il completamento di una operazione di I/O mediato su tutta la lunghezza del test e misurato in ms (millisecondi). Questo test prevede anche uno spaccato per la lettura (Avg. Read Response Time) e per la scrittura (Avg. Write Response Time).
• % CPU Utilization : rappresenta la percentuale di tempo di CPU speso nell’eseguire i threads relativi ai test sul disco.

Risultati con file di 4KB

Operazioni di I/O al secondo con file di 4KB

MB al secondo con file di 4KB

Questa unità sembra non essere per nulla ottimizzata con files di ridotte dimensioni: al pari del modello SSDNow+ con form factor di 1,8", il Kingston SSDNow V+100 evidenzia prestazioni talmente basse in termini di I/O per secondo e MB per secondo quando lavora con files di ampiezza 4kB tali da finire in terz’ultima posizione, facendo poco meglio del suddetto modello e peggiorando rispetto all’economico Kingston SSDNow V+ da 64GB.

Tempi di risposta con file di 4KB (a valori inferiori corrispondono prestazioni migliori)

Parimenti, pessimi risultati anche nei test di risposta in lettura e scrittura: l’unità reagisce lentamente agli inputs inviati dal controller, peggiorando rispetto ai già scarsi valori del modello SSDNow+ da 1,8" e facendo poco meglio di un disco tradizionale.

Risultati con file di 2MB

Operazioni di I/O al secondo con file di 2MB

MB al secondo con file di 2MB

L’impiego di un set di files con dimensioni pari a 2MB cambia radicalmente le carte in tavola: il prodotto in esame non dimostra di essere un eccellente corridore, ma svolge in modo adeguato il proprio compito e fornisce valori da posizione centrale, in linea con quelli di un veloce disco tradizionale e superiori a quelle di modelli come AData SX95, OCZ Vertex ed Agility di prima generazione oltre che Kingston SSDNow V 64GB.

Tempi di risposta con file di 2MB (a valori inferiori corrispondono prestazioni migliori)

I tempi di risposta diventano accettabili, in linea con quelli di un disco tradizionale Western Digital Caviar Blue ma peggiori rispetto a quelli di soluzioni come Patriot Inferno 100GB ed AData S599. È opportuno rammentare che questo disco non nasce come prodotto hardcore a tutti gli effetti, e che è da considerare come aggiornamento di macchine datate sprovviste di sistema operativo con supporto alle funzionalità TRIM.

Occupazione CPU

Occupazione CPU (a valori inferiori corrispondono prestazioni migliori)

Abbiamo avuto modo di verificare con HDTach che la percentuale di occupazione del microprocessore per questo prodotto risulta essere molto bassa: IOMeter conferma tali valori e mostra che l’SSDNow V+100 è "leggero come una piuma", con valori medi che sono secondi solo a quelli del modello SSDNow+ con form factor da 1.8". Colleghiamo ora l’SSD sul canale primario ed installiamoci il sistema operativo ed i vari software di benchmark. Eseguiamo anzitutto alcuni test di carattere generale per capire se ci sono particolari influenze nel loro utilizzo quotidiano.

7-zip: MIPS

La bassa occupazione di CPU permette al disco SSD di casa Kingston di spuntare, in 7-zip, performances da primi in classifica vicino agli altri due modelli dello stesso marchio.

Banda dati rilevata dal SiSoft SANDRA

La banda dati rilevata con la suite di benchmark Sandra di SiSoft fa da prova del nove ai tests in velocità pura effettuati con i software IOMeter ed HDTack Pro: quest’unità dimostra di essere un buon prodotto che offre valori di banda massima sempre sostenuti, con numeri in linea con quelli degli altri modelli Kingston e superiori a quelli di diversi altri SSD.

Tempi di accesso (a valori inferiori corrispondono prestazioni migliori)

Ottimi i tempi di accesso rilevati, fra i migliori del gruppo di modelli da noi testati.

PCMark Vantage: HDD Test

Anche il benchmark disco integrato in PCMark Vantage mostra valori di tutto rispetto per l’SSD in analisi: le performances complessive permettono di ottenere quasi 27.000 punti, valevole per la quarta posizione subito dietro Kingston SSDNow+ 1,8" e con un distacco del 10 percento nei confronti di Patriot Inferno ed AData S599. Una delle valutazioni più importanti da fare è quella della misurazione dei tempi di caricamento. A questo proposito abbiamo misurato non solo i tempi di avvio e spegnimento del sistema, ma anche caricamento di quattro applicativi immediatamente dopo l’accesso all’OS (Adobe Flash, Power DVD, Macromedia Dreamweaver e Wordpad).

Tempi di avvio SO (a valori inferiori corrispondono prestazioni migliori)

I tempi d’avvio del sistema operativo assieme a quattro applicazioni sono nella media, leggermente più lunghi rispetto a quelli di unità più performanti ma tali da permettere di disporre del computer in pochi secondi a seguito della pressione del tasto d’avvio: la macchina completa il caricamento in 42 secondi, con la maggior parte dei modelli nella fascia compresa tra 38 e 39 secondi e solo un paio di unità che necessitano di ulteriore tempo. Rispetto al disco tradizionale il margine è netto!

I tempi di caricamento del solo sistema operativo permettono di guadagnare soli tre secondi rispetto al caso precedente, e lasciano inalterato il posizionamento in classifica rispetto agli altri modelli. Questa volta rispetto al disco tradizionale il vantaggio non è così evidente.

I tempi di spegnimento sono decisamente rapidi, pari a soli 9 secondi.

Banda dati rilevata

I valori medi calcolati sulla banda dati per singolo applicativo confermano la tesi del prodotto come valido aggiornamento per macchine meno recenti. Come abbiamo poc’anzi evidenziato, anche senza entrare nel dettaglio, un disco SSD è naturalmente soggetto ad un degrado prestazionale a seguito di ripetuti cicli in scrittura. Il problema del decadimento delle prestazioni è stato risolto con le implementazioni della tecnologia TRIM nei file system dei sistemi operativi Windows 7, tecnologia che necessita del supporto da parte del disco stesso per poter funzionare.

Il problema sussiste quando si utilizza un disco SSD con sistemi operativi sprovvisti di supporto TRIM, cosa che nella maggior parte delle imprese pubbliche e private che usano ancora sistemi operativi datati come Windows XP, può capitare. In questi casi, due vie sono state maggiormente perseguite:

• Fornire in dotazione un software che permetta di far manutenzione delle celle di memoria quando l’utente lo ritiene necessario. Un’operazione purtroppo non esente da rischi di cancellazione dei dati presenti sul disco.
• Introdurre una tecnologia che effettui la manutenzione del disco, senza alcun intervento da parte dell’utente e gestendo l’operazione interamente in hardware.

Questo secondo approccio è stato seguito da Kingston per il disco in analisi ed, in questa sezione, vogliamo verificarne il funzionamento sotto sistema operativo Windows XP . Abbiamo perciò installato sul disco SSD tale sistema operativo ed eseguito alcuni benchmark con disco appena formattato, dopo averlo completamente riempito e dopo averlo svuotato e riempito più volte.

Il primo scenario riguarda il caso standard di disco appena formattato, installato nel sistema ed impiegato come unità principale: l’unità è completamente “pulita” e le celle di memoria in condizioni ottimali. Le performances in lettura sequenziale sono perfettamente lineari e si assestano sui 180MB/s.

Disco vuoto con Windows XP

Il secondo scenario prevede l’utilizzo del disco quando è quasi pieno. Le prestazioni medie rimangono su valori sempre elevati ma notiamo una certa oscillazione dei valori causati probabilmente dal fatto che il disco stesso è troppo pieno ed il meccanismo di garabage collection non riesce a funzionare al meglio. Aumenta anche il tempo medio di accesso.

 
Disco pieno con Windows XP

Qui si è provveduto ad effettuare alcuni test di usura, svuotando e riempiendo più volte l’unità sino alla quasi totale saturazione della capacità di memorizzazione: le performances ricalcano quelle del caso precedente, con la velocità base di 185 MB/s rispettata in quasi tutti i casi, punte di 220MB/s raggiunte velocità media pari a 201,1 MB/s. L’algoritmo di Garbage Collection funziona anche se non in maniera del tutto perfetta.

Disco usato più volte con Windows XP

La simulazione di usura del disco mediante ripetuti cicli di lettura e scrittura con conseguente intervento dell’algoritmo di garbage collection fa si che le prestazioni restino sempre molto elevate ma non permette ancora un ritorno alla normalità, ove ci saremmo attesi una linea decisamente meno frastagliata. Anche i tempi di accesso restano più elevati rispetto al caso di disco “vergine”.

Ma un computer con Windows XP non è sicuramente dotato di una piattaforma hardware di ultima generazione. Per questo abbiamo realizzato qualche test anche su un sistema tipico dell’era del ben noto sistema operativo Microsoft (CPU Intel Pentium D 805 2,66GHz, chipset VIA P4M800, 1GB di memoria RAM, VGA integrata S3).

Lettura da SSD su vecchio sistema con Windows XP

Scrittura da SSD su vecchio sistema con Windows XP

Come si nota in questo caso i grafici della banda dati in lettura e scrittura sono molto più lineari ma i numeri sono decisamente diversi rispetto a quelli visti in precedenza. Ovviamente il tutto dipende dal fatto che la scheda madre ha a disposizione un controller Serial ATA di prima generazione con massima banda teorica di 133MB/s, valore puntualmente raggiunto dal disco in esame che la satura completamente.

Disco con 40GB  liberi	Disco con 6GB  liberi	Disco con 0GB  liberi

Questa volta anche effettuando i test con disco completamente pieno non rileviamo quasi alcuna differenza rispetto al caso in cui l’SSD è nuovo di zecca. Il collo di bottiglia del controller SATA di prima generazione agisce in maniera indiscriminata! Il Kingston SSDNow V+100 parte dalla buona base già vista nei modelli SSDNow V-Series e, mediante l’introduzione di accorgimenti tecnici che prevengono il degrado prestazionale, dimostra di essere maggiormente versatile ed adatto all’impiego in macchine non recenti, dotate di sistemi operativi diversi da Windows 7 e dalle ultime distribuzioni Linux. SSDNow V+100 mette in pensione la precedente linea V-Series ed, ereditando lo stesso controller ToshibaT6UG1XBG, fornisce un buon livello di prestazioni ad un prezzo interessante .

Prezzo per Gigabyte

Il costo per gigabyte risulta essere pari a 2,08 euro e, sebbene non sia il miglior valore, è un giusto compromesso tra spazio di memorizzazione e tecnica impiegata, per via della capacità da parte dell’unità di manutenersi evitando il decadimento prestazionale tipico degli SSD a seguito di ripetuti cicli di scrittura delle celle di memoria. Altri dischi sono sì più veloci o meno costosi ma, essendo sprovvisti di algoritmo di garbage collection, possono essere impiegati con massima efficienza solo in macchine dotate di sistemi operativi aggiornati. Tale tecnologia ha comunque un prezzo da pagare: la sua aggressività accorcia inevitabilmente la vita media del disco.

L’utilizzo con macchine piuttosto datate deve tener conto dei limiti di banda imposti dal controller. Certo un SSD ha valenza soprattutto sui tempi di risposta, inferiori di uno o due ordini di grandezza rispetto a quelli di un disco con piatti e testine; ciononostante sappiate che 

Rispetto ad un disco tradizionale non ci sono paragoni. Solo la banda dati potrebbe essere messa a diretto confronto, ma un disco meccanico perde nettamente in termini di tempi di risposta e dunque di agilità (ne sono chiara testimonianza i tempi di caricamento dovuti al sistema operativo ed all’avvio dei quattro programmi che si aprono contemporaneamente). Al contrario la capacità ed i costi sono nettamente a vantaggio degli hard disk con piatti e testine anche se un SSD ha ulteriori vantaggi dalla sua parte come consumi ridotti, rumorosità pari a zero e minore dissipazione.

Il taglio da 128 gigabytes potrebbe essere quello ideale poiché permette di disporre di un quantitativo di spazio decente e, l’eventuale impiego in macchine portatili a singolo disco non ne sacrifica la mobilità a causa di ulteriori dispositivi di immagazzinamento esterni. Kingston estende l’offerta a più tagli in modo da soddisfare le esigenze dell’utenza, offrendo anche modelli da 64, 96, 256 e 512 gigabytes; è inutile dire che le ultime due versioni sono pensate solo per utenti che non hanno a cuore il proprio portafogli in quanto hanno costi che arrivano a toccare quota 1.200 Euro.