Random-Performance mit 4 KB: Durchsatz

Mit Benchmarks auf Trace-Basis wie unserem Storage Bench 1.0 bekommen wir sozusagen ein holistisches Bild der Performance, da sequentielle und zufällige Operationen bunt gemischt auftreten, wie es eben in der Praxis auch passiert. Dennoch wollen wir auch gezielt bestimmte Zugriffsmuster untersuchen. Der Test der zufälligen Schreib- und Lese-Performance mit 4-KB-Blöcken ist besonders wichtig, weil der Großteil der Zugriffe genau diese Blockgröße nutzt.

Deshalb testen wir direkt nach dem Storage Bench 1.0 mit Iometer die zufällige 4-KB-Performance. Aber warum gerade 4 KB?

Wenn man Firefox öffnet, sich dann durch mehrere Webseiten klickt und einige Dokumente bearbeitet, muss das Laufwerk überwiegent kleine und zufällige Lese- und Schreib-Operationen durchführen. Der obige Chart entstand beispielsweise aus der Analyse der Zugriffsmuster unseres Storage Bench v1.0 und kann als stellvertretend für so ziemlich jeden Desktop-Computer gelten. Wie man sieht sind beinahe 70 Prozent aller Zugriffe acht Sektoren groß. Bei einer Sektorgröße von 512 Bytes ergibt das 4 KB.

Wir haben uns beim Iometer-Test darauf beschränkt, einen LBA-Bereich von 16 GB zu testen, weil das ungefähr einem frisch installierten Windows 7 entspricht. Man könnte also sagen, wir prüfen die Performance beim Zugriff auf viele verteilte, von einander abhängige Dateien, Caches und temporäre Dateien. Eine der wichtigsten Größen dabei ist die Queue-Tiefe, also die Anzahl der ausstehenden Befehle. Im Desktop-Bereich wird man es bei modernen SSDs in den allermeisten Fällen mit einer Queue-Tiefe von 1 zu tun haben, weil die Befehle schnell abgearbeitet werden. Bei Servern mag das auch mit SSDs anders aussehen, während eine Festplatte auch im Desktop-System oftmals Queue-Tiefen von bis zu 5 abarbeiten muss. Übrigens geben wir die Ergebnisse hier in MB/s an. Wer die Werte lieber in IOPS hätte, kann sie selbst umrechnen, denn bei 4-KB-Blöcken gilt „MB/s geteilt durch 0.004096 MB = IOPS“.

Bei einer Queue-Tiefe von 1 nehmen die m4-Laufwerke wieder exakt dieselbe Reihenfolge wie in unserem IPEAK-basierten Test ein, mit einem wichtigen Unterschied: Dieses Mal liegt das 256-GB-Modell am Ende des Feldes und ist damit sogar langsamer als die 64-GB-Variante. Dieser Trend setzt sich dann auch bei den höheren Queue-Tiefen fort. Das Spitzenmodell mit 512 GB liefert hingegen beeindruckende Performance ab und ist 85 Prozent schneller als seine m4-Geschwister mit 64 und 128 GB.

Es mag seltsam erscheinen, dass die m4 mit 256 GB langsamer läuft als die Version mit 128 GB. Dennoch gibt es dafür eine gute Erklärung. Beim 128-GB-Modell sind insgesamt 16 Speicherchips verbaut, von denen jeder zwei Dies mit einer Kapazität von jeweils 32 Gb (4 GB) enthält, die 4-KB-Pages verwenden. Bei der 256-GB-Variante sind zwar ebenfalls 16 Chips verbaut, doch in ihnen stecken jeweils zwei 64 Gb (8 GB) große Dies mit 8-GB-Pages. Benchmarks die gezielt 4-KB-Zugriffsmuster simulieren, stellen gut die Unterschiede zwischen den Adressierungsgrößen der beiden Modelle heraus: Das Modell mit 4-KB-Adressierung ist beim Lesen schneller als das 8-KB-Modell, weil bei der m4 mit 256 ein Lesezugriff automatisch ein größerer (und damit langsamerer) 8-KB-Vorgang ist. Beim Schreiben wirkt sich das nicht aus, weil man unabhängig von der Größe immer nur 4 KB in den Adressbereich schreibt, egal wie groß der jeweils ist.

Bei den Ergebnissen der zufälligen Schreib-Performance ordnen sich Crucials m4-Laufwerke das erste mal in der erwarteten Reihenfolge, nämlich nach ihrer Größe: An der Spitze steht das 512-GB-Modell, am Ende findet sich die 64-GB-SSD ein. Endlich schafft es auch die m4 mit 256 GB, die gleich große C300 der Vorgängergeneration hinter sich zu lassen. Am interessantesten dürfte aber sein, dass hier zwischen den verschiedenen Kapazitäten ausgeprägte Performance-Stufen zu beobachten sind.

Schauen wir uns das Performance-Delta zwischen der größten und der kleinsten m4 an. Das Spitzenmodell kommt beim zufälligen Schreiben auf 233,6 MB/s und ist damit zehn Mal schneller als die 64-GB-Variante mit ihren 21,6 MB/s. Der Unterschied zwischen dem 256-GB-Ableger und dem größten Vertreter der Familie fällt deutlich kleiner aus – gerade einmal 10 Prozent gewinnt man durch die höhere Kapazität. Zum nächst kleineren Modell mit 128 GB halbiert sich dann aber der Durchsatz. Noch krasser fällt dann der Schritt zum Einstiegsmodell aus.

Wie erwähnt sollte im Gegensatz zum Lesen das Schreiben in einen 8KB-Block beim 256-GB-Laufwerk nicht zu schlechterer Performance führen. So sollte die m4 mit 128 GB also eigentlich so schnell sein wie die Version mit 256 GB, da beide die gleiche Anzahl an Chips und Dies pro Kanal nutzen. Wir können nur vermuten, dass Crucial die Schreib-Leistung hier künstlich durch Firmware oder andere Maßnahmen begrenzt, um die beiden mittleren Laufwerke deutlicher von einander abzusetzen.

Wie nicht anders zu erwarten, fällt die Performance der Festplatte hier ernüchternd aus. Seagates 5400.6 erreicht beim zufälligen Schreiben mit 4 KB gerade einmal 0,8 MB/s.