Comparativa: drive SSD MLC e SLC contro hard disk

I drive SSD sono unanimemente considerati la tecnologia di storage del futuro. Per verificarlo abbiamo messo a confronto due SSD MLC e SLC con un hard disk magnetico tradizionale.

Le tecnologie impiegate nella realizzazione dei personal computer sono in continua evoluzione: processori, memorie, interfacce mutano e si perfezionano a ritmo incessante. Solo gli hard disk magnetici sono rimasti pressoché gli stessi negli ultimi 50 anni!

Il parametro di riferimento per il settore storage è stato finora il prezzo per MB, ma qualcosa sta cambiando. Si affacciano nuovi formati, e fra gli utenti si va rafforzando la sensibilità verso i profili ecologici e dell'efficienza energetica.

Questo progresso è favorito dalla crescente diffusione dei dispositivi mobile e dalla nascita di nuove tipologie di portatili ultrasottili e subnotebook caratterizzati da ingombri ridotti e da una luga autonomia. Altri fattori sono costituiti dal progressivo aumento delle dimensioni dei file multimediali, che ha raggiunto il culmine con l'avvento dell'Alta Definizione, dalla diffusione delle reti mobile broadband come WiMAX e HSDPA, e dalla ricerca nel campo del cloud computing, inteso come possibilità per gli utenti di accedere a risorse remote tramite Internet.

Inoltre, il costante perfezionamento dei processori e degli altri componenti dei PC impone un ritmo più alto anche all'avanzamento nel campo delle memorie di massa. L'atteso miglioramento viene identificato con i drive allo stato solido o SSD (Solid State Drive), dispositivi di storage composti da semiconduttori, tipicamente chip di memoria NAND Flash.

I vantaggi degli SSD rispetto agli hard disk tradizionali sono numerosi:

• Prestazioni Non essendoci un sistema meccanico, la latenza è bassissima, assicurando un accesso rapidissimo ai dati immagazzinati. La differenza nei tempi di accesso è notevole e ne traggono vantaggio svariate tipologie di applicazioni;
• Affidabilità Entra in gioco l'acronimo MTBF (Mean Time Between Failure). Tradotto in italiano come "Tempo Medio fra i Guasti", questo parametro indica quanto tempo passa prima che si verifichi un guasto. E' un valore atteso, quindi basato su calcoli statistici, derivante dalle risultanze dei test del produttore e strettamente correlato al Tasso di Guasto Istantaneo (Failure Rate). MTBF non indica quando si verificherà un'avaria ma quando è probabile che possa verificarsi;
• Efficienza energetica Minori consumi a vantaggio dell'autonomia se usati in sistemi portatili e/o dell'ambiente se impiegati per desktop e server.
• Capacità di adattamento I drive SSD assumono una forma simile a quella dei comuni hard disk da 1,8" e 2,5" solo per una questione di praticità, per rendere possibile il loro impiego all'interno di telai progettati per gli ordinari HDD a piattelli, tuttavia possono astrattamente essere sagomati nelle più varie forme. Inoltre hanno una maggiore tolleranza a temperature, umidità e vibrazioni. E non producono alcun rumore.

La diffusione dei dischi SSD va di pari passo con l'evoluzione tecnologica dei chip di memoria NAND Flash: la riduzione del processo produttivo e l'aumento della densità di memorizzazione consentono di realizzare drive più capienti ed economici, e di conseguenza favoriscono la transizione dai dischi magnetici ai nuovi drive allo stato solido.

Ulteriore impulso alla tecnologia dei Solid State Drives è derivato dall'introduzione di Windows Vista. L'ultimo sistema operativo Microsoft, infatti, può utilizzare memorie allo stato solido come una cache per velocizzare le prestazioni del sistema e di singole applicazioni. Il meccanismo si basa su un nuovo algoritmo di predizione, chiamato SuperFetch, che permette di trarre vantaggio da cache di grandi dimensioni.

MLC e SLC

I chip NAND Flash odierni sono basati su due tipi di tecnologie: SLC (Single Level Cell) e MLC ( Multi-Level Cell). La differenza è che la prima (MLC) immagazzina 2 o più bit in una singola cella laddove SLC ne achivia solo uno, con il risultato che le celle MLC hanno una maggiore densità di memorizzazione e un minore costo per bit.

Come contropartita, però, le memorie MLC hanno una minore longevità. Si stima all'incirca 1/10 dei dischi SLC, pari a circa 10.000 cicli di scrittura/cancellazione contro i 100.000 consentiti dalle celle SLC. Inoltre i chip MLC sono più lenti e hanno un più alto tasso di errori, per cui l'impiego della tecnologia MLC sui drive SSD è abbastanza recente.

Tuttavia è merito proprio delle MLC se il prezzo dei drive SSD è sceso ad una soglia tale da consentirne un impiego di massa, nonostante sia ancora ben superiore a quello dei comuni HDD. DRAMExchange infatti indica che il prezzo delle memorie MLC è in forte calo, mentre quello delle memorie SLC è pressoché stabile.

A causa delle differenti caratteristiche, si è generata una sorta di specializzazione in base alle destinazioni d'uso: le memorie MLC trovano impiego in lettori MP3, smartphone e pendrive USB, mentre i drive SSD SLC vanno ad equipaggiare server e notebook di fascia alta.

Ad ogni modo, è opinione diffusa che i drive SSD MLC prenderanno il sopravvento in tutti gli ambiti d'impiego, perché le ultime generazioni di controller riescono ad attenuare il divario rispetto agli sSD SLC sotto i profili delle prestazioni, dell'affidabilità e della longevità.

Struttura di un SSD

Per comprendere esattamente cosa si intende con l'acronimo SSD bisogna ricordare che un drive allo stato solido non si identifica con le memorie NAND Flash, che sono solo una parte dei suoi componenti. Infatti, rimossa la copertura di un drive SSD possiamo osservare un circuito stampato (PCB Printed Circuit Board) che possiamo suddividere in tre aree:

1. Storage E' composta da un numero variabile di moduli di memoria NAND Flash;
2. Gestione Un controller che si occupa delle operazioni sui chip di memoria ed integra funzioni evolute come quelle di wear leveling;
3. Interfaccia Nel nostro caso è costituita da un connettore SATA.

Un drive allo stato solido è l'insieme di questi elementi e come tale va valutato. Ad esempio, firmware e controller rivestono un ruolo non indifferente nel determinare il livello qualitativo di un drive SSD. La loro influenza sulle prestazioni e sull'affidabilità può essere notevole, ed è per questo che la forbice di prezzo in cui si collocano i vari modelli di drive SSD è quanto mai ampia e diversificata.

Abbiamo già ricordato che le memorie NAND Flash hanno una aspettativa di vita ben delimitata all'interno di un certo numero di cicli di scrittura. E' un problema che viene affrontato dai produttori di dischi SSD con varie tecniche:

• ECC Error Correcting Code, una tecnica usata anche sulle memorie RAM;
• Algoritmi di wear-leveling Servono a uniformare e rendere omogenea l'usura dei vari gruppi di celle per allontanare nel tempo il rischio di avaria. Se alcune celle vengono usate più frequentemente, il drive SSD avrà una vita più breve che nell'ipotesi in cui il lavoro venga distribuito equamene su tutte le celle;
• Sovradimensionamento del drive Il drive ha una capacità superiore rispetto a quella nominale per consentirgli di sostituire i blocchi danneggiati con dei rimpiazzi.

L'efficacia di questi sistemi ha un peso determinante sulla longevità e velocità dei drive SSD.

Specifiche e piattaforma di prova

Per ottenere risultati il più possibile uniformi e confrontabili, abbiamo condotto i nostri test su due differenti sistemi. Il primo è un netbook assemblato basato su barebone Clevo M570RU, mentre il secondo è un notebook HP Pavilion dv9800. Entrambi hanno fattore di forma di 17" e dispongono dei componenti della piattaforma Centrino 2 di Intel, con southbridge ICH9M che si occupa di gestire il canale SATA al quale sono collegati i nostri dischi.

Inoltre, il notebook di HP è stato fondamentale per i nostri scopi perché, essendo dotato di due slot per hard disk da 2,5", ci ha permesso di effettuare i test di scrittura a basso livello tramite HDTune 3.0 Pro.

SSD Mtron Pro 7025

Il nostro drive SSD appartiene alla serie Mtron Pro 7000, composta da dischi nel formato 2,5" (modello 7025) o da 3,5" (modello 7035) con capacità di 16 o 32GB. La gamma Mtron (che in Italia viene distribuita da Hyundai) comprende anche SSD della serie Mtron Pro 7500, caratterizzata da una interfaccia SATA II da 3.0Gbps, e la famiglia entry-level economica Mtron Mobi 3000 e 3500, con prestazioni inferiori perché basata su memorie SLC di categoria 'value'.

Punto di forza degli SSD Mtron è un controller proprietario in grado di gestire fino a 64 moduli di memoria Flash tramite molteplici canali di controllo. E' l'elemento cardine dell'architettura proprietaria HYDRA, sulla quale si basano tutti gli SSD della casa coreana.

L'architettura HYDRA Multiray ha come scopo principale quello di incrementare le performance aumentando il parallelismo. Per raggiungere questo obiettivo utilizza quattro strumenti:

• Bus di memoria a 4 canali;
• Interleaving a 4 livelli;
• Esecuzione di data strem simultanei;
• Sistemi di controllo e pianificazione basati sull'assegnazione di priorità.

Un'altra innovazione brevettata è “Hydra Flash Translation Layer” (FTL) un algoritmo che fa da filtro fra comandi e blocchi di memoria.

L'esemplare in prova è basato su celle SLC, quindi accreditate di circa 100.000 cicli di scrittura cancellazione e dispone ovviamente di un algoritmo di wear-leveling, sia statico che dinamico.

Il produttore dichiara una durata di 140 anni se si scrivono e cancellano all'incirca 50GB di dati al giorno. Di questi, 10 anni sono garantiti già dal produttore dei chip di memoria NAND Flash.

Non manca un sistema Error Correction Code a 7-bit che serve ad individuare e correggere eventuali errori in memoria attraverso un particolare algoritmo. Tutti questi accorgimenti consentono di avere un MTBF di oltre 1 milione di ore.

Super Talent Masterdrive MX

L'offerta di drive SSD Super Talent è estremamente ramificata e spazia dai robustissimi SSD DuraDrive per applicazioni militari ed industriali alla serie MasterDrive per sistemi consumer o professionali ad alte prestazioni.

Nonostante il lancio sul mercato dei modelli MasterDrive OX, dotati di performance superiori, i drive Super Talent MasterDrive MX continuano ad essere una ottima alternativa per chi vuole beneficiare dei vantaggi della tecnologia SSD ad un prezzo abbordabile.

All'interno del case metallico da 2,5" con impresso il logo Super Talent a rilievo, troviamo il consueto circuito stampato con i chip di memoria Flash (in questo caso MLC) ed il controller dotato di tecnologie proprietarie per il wear-leveling e la gestione dei bad bit. Per ottenere maggiori informazioni al riguardo, rinviamo alla consultazione della relativa domanda di brevetto.

Super Talent ripone così tanta fiducia sulle capacità del suo controller da dichiarare prestazioni e MTBF analoghi a quelli vantati dal drive SSD di Mtron, seppure quest'ultimo sia basato su chip di memoria SLC. Verificheremo le performance con i nostri test, mentre per l'affidabilità nel tempo disponiamo esclusivamente dei dati forniti dal produttore, che indica una vita di 32,88 anni con 50GB di dati scritti o cancellati al giorno.

Hitachi Travelstar 7K320 e 5K250

Per avere un termine di paragone con gli ordinari hard disk per notebook, abbiamo confrontato i nostri SSD con due HDD Hitachi, uno ad alte performance a 7200RPM, TravelStar 7K320, l'altro di livello intermedio a 5400RPM, Travelstar 5K250.

Il primo è un hard disk a piattelli magnetici di quarta generazione, migliorato sotto il profilo dell'affidabilià e dell'efficienza energetica (consuma il 22% di energia in meno rispetto agli HDD 7K200), raggiungendo così un livello di consumi ed una durata nel tempo equiparabili a quelli degli hard disk a 5400RPM.

Un buffer di 16MB permette di ottenere un incremento delle performance del 12% rispetto alle precedenti generazioni, mentre la gestione degli errori è affidata ad un sistema ECC a 10bit.

Il modello Hitachi TravelStar 5K250 è, invece, uno dei dischi più diffusi sui notebook, grazie ad un ottimo equilibrio fra prestazioni, resistenza e prezzo. Per questa ragione rappresenterà un metro di paragone ideale per la nostra comparativa.

Vogliamo sottolineare che, adottando una serie di accorgimenti come il Thermal Fly-height Control (TFC) e la tecnologia TrueTrac, Hitachi è riuscita a migliorare sensibilmente resistenza e consumi rispetto alla media degli hard disk magnetici.

Metodologia di test e tempi di boot

Teoricamente i drive SSD SLC dovrebbero garantire performance superiori agli SSD MLC in tutti gli ambiti, ma questa regola può avere eccezioni perché come sappiamo le prestazioni di un drive allo stato solido non dipendono unicamente dalla qualità delle memorie NAND impiegate ma dal concorso di diversi fattori, non ultimo il controller integrato.

Pertanto abbiamo deciso di verificare questo assioma, conducendo una serie di benchmark empirici (misurazione dei tempi di boot), sintetici (Indice di Windows Vista, PcMark Vantage, HDTune, CrystalMark) e applicativi (Sysmark e MobileMark).

I test hanno riguardato non solo le performance dei dischi intese in senso stretto, ma hanno coinvolto anche il modo in cui influiscono sulle prestazioni complessive del sistema, allo scopo di rispondere ad una semplice domanda: quali sono i benefici che possiamo ricevere in concreto installando un drive SSD sul nostro notebook?

Quando si parla di avvio lento del sistema operativo, spesso si invocano i drive SSD come possibile soluzione. Anche se dai nostri test non emerge una riduzione dei tempi di boot tale da poter essere risolutiva, tuttavia è innegabile che i dischi allo stato solido riescono a garantire un avvio più rapido.

Vista suddivide il tempo di boot complessivo in due fasi: main path boot time e boot post boot time. La prima indica il tempo intercorrente fra l'accensione e la comparsa del desktop di Windows, la seconda calcola il tempo necessario per caricare i driver ed i processi in background.

Mentre nella seconda fase il divario fra drive SSD e HDD Hitachi è assai modesto, invece nella fase di caricamento del sistema operativo vera e propria i drive allo stato solido permettono di risparmiare circa 3 secondi sul disco TravelStar a 7200RPM. Non è sufficiente per un avvio istantaneo, ma è sicuramente un risultato notevole.

Prestazioni in lettura/scrittura

CrystalMark è una utility che si sta affermando rapidamente soprattutto grazie alla sua interfaccia intuitiva e alla sua semplicità d'uso. Per queste ragioni, CrystalDiskMark è uno dei tool più utilizzati dagli utenti alle prime armi e da chi inizia ad approcciarsi al mondo del benchmarking.

Il benchmark si compone di tre set di test, uno di scrittura/lettura sequenziale e gli altri due di scrittura/lettura random di differenti quantitativi di dati. Il risultato è assai severo per il nostro hard disk tradizionale, che nella scrittura sequenziale riesce ad esprimere al meglio le sue capacità, ma non riesce a tenere il passo dei due SSD in fase di lettura, con un distacco assai ampio nella lettura non sequenziale.

HDTune 3.0 Pro è invece lo strumento che abitualmente utilizziamo per l'analisi dei dispositivi di storage. È una applicazione ricca di features e considerata affidabile da un gran numero di riviste e siti specialistici di settore, Notebookitalia compreso.

Abbiamo eseguito tutte le prove consentite da questo software: performance di lettura a basso livello, performance di scrittura a basso livello e lettura/scrittura di file ad alto livello.

Il grafico che segue raggruppa le velocità di trasferimento dati ed i tempi di accesso misurati da HDTune in lettura.

Gli score registrati non lasciano alcun margine di dubbio: anche i migliori e più moderni hard disk magnetici, come l'Hitachi TravelStar 7K320, non riescono a eguagliare la rapidità dei drive SSD. Il solco si amplia se il confronto viene effettuato con un hard disk di fascia media: Mtron Pro 7025 e SuperTalent MasterDrive MX doppiano la velocità media di trasferimento dati dell'Hitachi Travelstar 5K250.

Prevedibile la differenza nei tempi di accesso: il drive allo stato solido di Mtron conferma il tempo d'accesso fulmineo di 0,1ms dichiarato dal produttore, mentre il dispositivo di Super Talent ottiene un coerente tempo di 0,5ms. La testina meccanica dei due hard disk Hitachi, invece, non riesce a scendere sotto i 15ms.

Molto diversa la situazione in fase di scrittura a basso livello: qui i due hard disk magnetici riescono a far valere tutta la loro maturità tecnologica facendo segnare velocità medie e di picco superiori alle memorie MLC del drive di Super Talent, anche se non tali da riuscire ad affiancare i chip di memoria SLC del drive Mtron.

Passando alla lettura e scrittura ad alto livello, il File Benchark di HDTune mostra una netta separazione fra prestazioni in lettura e velocità in scrittura. In lettura primeggiano i due drive SSD con velocità prossime a quelle massime dichiarate dai produttori (120MB/s), mentre in scrittura gli HDD Hitachi 7K320 e 5K250 riescono a superare di margine rispettivamente gli SSD Mtron Pro 7025 e Super Talent MasterDrive MX.

Test sintetici di sistema

Iniziamo ad esaminare i nostri test sintetici partendo dal benchmark integrato di Windows Vista. L'ultima delle cinque voci che compongono l'Indice delle Prestazioni di Windows Vista è, infatti, dedicata proprio al dispositivo di storage principale.

Lo score assegnato dal sistema operativo di Microsoft ci sembra rispecchiare bene le forze in campo: i due drive SSD ottengono un punteggio di 5,9 pari merito, seguiti dal disco Hitachi a 7200RPM con 5,4 punti e dall'hard disk a 5400 RPM con 5,2.

Nettamente schierata a favore dei due drive Flash è, invece, la suite di test di sistema PCMark Vantage di Futuremark. Progettato espressamente per Windows Vista, molto probabilmente questo benchmark risente fortemente della spinta derivante dalla tecnolgie ReadyBoost perché assegna ai due SSD un netto vantaggio in tutti i campi, con un enorme margine soprattutto negli ambiti della produttività e del gaming.

Test reali di sistema e durata della batteria

Basandoci sui risultati di PCMark Vantage saremmo portati a ipotizzare che i due drive SSD in prova debbano fornire prestazioni migliori dell'hard disk a 7200RPM con applicazioni di produttività personale di uso comune come la suite Office o il programma di photo editing PhotoShop.

A dimostrazione che i benchmark, soprattutto quelli sintetici non vanno considerati infallibili e vanno sempre interpretati cum grano salis, arriva la smentita di SysMark, il benchmark di sistema di BAPCO basato su applicazioni reali: l'hard disk Hitachi Travelstar riesce a posizionarsi fra i due SSD, con ottimi risultati soprattutto in ambito di montaggio video, produttivià e 3D.

La differente valutazione si giustifica col fatto che mentre PCMark Vantage effettua una stima delle prestazioni basandosi su una serie di test sintetici, invece SysMark non fa altro che misurare le performance del sistema nell'esecuzione di una serie di task su applicazioni di uso comune: Adobe After Effects 7, Adobe Illustrator CS2, Adobe Photoshop CS2, AutoDesk 3ds Max 8,
Macromedia Flash 8, Microsoft Office 2003 (Excel, Outlook, PowerPoint, Word, Project), Microsoft Windows Media Encoder 9, Sony Vegas 7, SketchUp 5 e WinZip 10.0.

Un meccanismo analogo viene utilizzato da MobileMark per misurare la durata della batteria in tre differenti scenari d'impiego: riproduzione di DVD, lettura di file PDF e Produttività. Per la nostra comparativa abbiamo considerato significativo proprio quest'ultimo.

Sebbene i risultati confermino un miglioramento della durata della batteria a seguito dell'installazione dei drive SSD sulla macchina di prova (barebone Clevo M570RU), tuttavia sul nostro desktop replacement l'incremento è assai modesto perché livellato dal consumo di altri componenti, in particolare dello schermo.

Nonostante il guadagno in termini di durata della batteria potrebbe essere maggiore su notebook ultrportatili sui quali il consumo del display influisce in modo inferiore, tuttavia riteniamo che i drive SSD abbiamo ancora un ampio margine di miglioramento su questo versante.

Conclusioni

L'evoluzione del mobile computing richiede dispositivi di storage più capienti ma soprattutto più veloci. L'obiettivo è quello di riuscire ad offrire livelli di capacità adeguati alle odierne applicazioni, ad un prezzo accessibile.

Il perfezionamento dei processi produttivi dei chip NAND ha consentito agli SSD di diventare una concreta alternativa agli HDD tradizionali nel settore degli ultraportatili e dei subnotebook, ma è prevedibile che, continuando con questo trend, entro pochi anni i drive allo stato solido si diffonderanno anche ai PC desktop e notebook mainstream.

Difficile dire se gli hard disk tradizionali verranno completamente spazzati via dall'ondata degli SSD: con ogni probabilità, i drive magnetici, perfezionati nell'arco di mezzo secolo e ormai giunti a piena maturazione, continueranno ad essere impiegati in parallelo ai drive basati su semiconduttori.

Del resto, come dimostrano i nostri benchmark, un confronto fra SSD e HDD in termini generali e astratti sarebbe quanto meno superficiale. Nella categoria dei Solid State Drive vengono, infatti, incasellate soluzioni differenti, non solo per la tecnologia adottata, SLC o MLC, ma anche per la perizia con cui vengono progettati gli schemi dei circuiti stampati e soprattutto l'efficienza del controller.

Un utente consapevole ed attento, quindi, dovrà ponderare accuratamente le varie soluzioni disponibili, senza farsi condizionare da posizioni dogmatiche e preconcette, e scegliere fra i vari modelli di HDD e SDD, quello che per prezzo e caratteristiche soddisfa al meglio le sue specifiche esigenze.