PCIe 4.0 mit neuem und günstigerem Konzept: MSI SPATIUM M450 NVMe M.2 SSD 1 TB im Test

1 - Einführung, Übersicht und technische Daten 2 - Teardown: Controller, fehlender DRAM-Puffer und TLC-NAND 3 - Dynamischer SLC-Cache 4 - Testsystem und synthetische Tests 5 - Real World, Workstation und Fazit

Günstiger Controller: Phison PS5019-E19T

Das Package des relativ neuen Phison PS5019-E19T Controllers fällt bereits durch seine geringen Abmessungen auf. Es misst ganze 7 × 11 mm und lässt bereits auf eine deutlich ausgefallene, innere Vereinfachung schließen. Das Gehäuse des altbekannten Phison PS5016-E16 ist beispielsweise sogar fast dreimal so groß, obwohl bei der Herstellung der gleiche 28-nm-Node von TSMC-Prozess zur Anwendung kommt. Die Gründe für die Schrumpf-Kur sind auch schnell erklärt.

So basiert der Phison PS5019-E19T auf einem Single-Core- und nicht mehr nicht auf einem Dual-Core-ARM Cortex R5-Prozessor. Dazu verringert sich die Anzahl der möglichen Kanäle für die Anbindung des Flash-Speichers auf vier statt acht, was auch die Verwendung von bestimmten Modulen (Anzahl, Größe) etwas beschränkt. Die DRAM-Schnittstelle fehlt übrigens auch, aber zum ungepufferten Betrieb hatte ich ja schon auf der ersten Seite etwas geschrieben. Der Phison PS5019-E19T ist somit ein wirklich extrem (aber zweckmäßig) abgespeckter Controller, der für den Bau kostengünstiger, ungepufferter SSDs mit PCIe 4.0-Unterstützung designt wurde. Und er ist mit deutlich unter 4 Watt Leistungsaufnahme auch sparsamer und damit deutlich kühler als die E16- oder E12-Modelle.

Verzicht auf den DRAM-Puffer

Puffer-freie Produkte wie z.B. die Samsung 980 oder die WD Blue SN550 sind ja schon seit Monaten auf dem Markt und zeigen, dass es mit gewissen Einschränkungen durchaus möglich ist, auf den DRAM zu verzichten. Der PCIe-4.0-Bus mit erhöhter Bandbreite, der den SSD-Controller theoretisch effizienter mit dem Arbeitsspeicher des PCs zusammenarbeiten lassen sollte, hilft aber nicht immer. Denn man darf auch nicht außer Acht lassen, dass das Fehlen eines eigenen DRAM den Controller dazu zwingt, ausschließlich die HMB-Technologie (Host Memory Buffer) zu verwenden, um mit der Adressübersetzungstabelle arbeiten zu können.

Das heißt leider auch, dass das Laufwerk während des Betriebs einen bestimmten Teil des Arbeitsspeichers des PCs (bis zu 64 MB) für seine eigenen Zwecke abzwackt, um Aufrufe an das Flash-Speicher-Array zu puffern. Als Folge nimmt die Geschwindigkeit der SSD unter hoher Last in bestimmten Szenarien lawinenartig ab, was vor allem den Lesevorgang sehr stark beeinträchtigt. Wenn man im Stück mehr als 32 GB an Informationen verarbeiten muss, kann es also durchaus auch schon mal eng werden.

Der Einbruch beim zufälligen Lesen kann über die Hälfte betragen, oder aber durch Tricks und Kniffe im Controller abgemildert bzw. umgangen werden. Fakt ist aber, dass eine ungepufferte SSD für viele intensive Workloads eher schlecht geeignet ist. Da muss man sich selbst, den Anwendungsbereich und die verwendeten Applikationen genau hinterfragen. Dafür habe ich später noch einen ausführlichen Workstation Test mit dem Vergleich zu einer „herkömmlichen“ PCIe 4.0 SSD mit DRAM.

Microns 176-Layer-TLC-3D-NAND (Codename B47R)

Der gerade beschriebe Phison PS5019-E19T ist mit einer breiten Palette von Flash-Speichervarianten kompatibel und unterstützt moderne NAND-Chips mit 1200-MHz-Schnittstelle. Und weil er so schön kompatibel ist,  kann man als Anbieter einer günstigen NVMe SSD auch Microns neuestes 176-Layer-TLC-3D-NAND (Codename B47R) damit verwenden. So enthält die von mir getestete MSI Spatium M450 zwei IABHG94AYA-Chips mit jeweils acht 512-Gigabit-TLC-3D-NAND-Blöcken im Inneren.

Der noch recht neue 176-Layer-Flash von Micron ist übrigens die erste echte Eigenentwicklung von Micron nach der Trennung von Intel. Dieser Speicher unterscheidet sich im inneren Aufbau auch sehr deutlich von den Produkten aller anderen Hersteller. Die Zellstruktur des Micron-NANDs setzt dabei auf Replacement Gate, was am Ende eine Kreuzung aus Floating-Gate- und Charge-Trap-Technologien darstellt. Micron ersetzt bei diesem NAND das Polysilizium im Gate-Material durch Metall und wechselte zu einem anderen Verfahren für das Ätzen des vertikalen zylindrischen Kanals, woraus ein vergrößerter Durchmesser resultiert.

Darüber hinaus ist in der Struktur des Micron-Speichers eine nichtleitende Schicht aus Siliziumnitrid eingebracht worden, in der Daten gespeichert werden können. Diese Schicht reduziert zudem recht wirkungsvoll auch die gegenseitige Beeinflussung der Zellen in so einem einem vertikalen Stapel. Natürlich können wir auch noch etwas weiter ins Detail gehen. Die nächste Abbildung zeigt einen Chip mit Blick auf die Metalloberseite, einen Chip mit Blick auf die CMOS-Schaltkreise (CuA) und die Markierungen des B47R Chips. Im Vergleich zum älteren B37R TLC-Die konnte die Chipgröße aufgrund der höheren Zelldichte, der größeren Anzahl von 3D-NAND-Zellen und der effektiven Skalierung des Designs um satte 25 % verringert werden. Der B47R ist nunmehr nach dem B37R die zweite Generation der CTF-Struktur von Micron.

Die Höhe des NAND-Zellen-Arrays (zum Vergleich: die Höhe vom Selektor auf der Source-Seite bis zum BL) beträgt jetzt mehr als 11 µm. Die Gesamtzahl der Gatter, einschließlich Selektoren (STs) und Dummy-Word-Lines (DWLs) pro vertikalem NAND-Strang beträgt 195, so genannte 195T, was die höchste jemals bei 3D-NAND erreichte Anzahl darstellt. Sie setzen auf die Double-Stack-Architektur, den Replacement-Gate-Prozess, Charger-Trap-Nitrid (CTN) und CMOS-under-Array (CuA)-Techniken. Die Bitdichte erreicht 10,273 Gb/mm2 für den 512Gb TLC-Die.

So konnte man am Schluss auch Reihe positiver Effekte zu erzielen, denn es war möglich die Geschwindigkeit der Programmierzellen zu steigern, ihre Stabilität zu erhöhen, den Stromverbrauch zu senken und gleichzeitig auch die Zuverlässigkeit der Datenspeicherung zu verbessern. Letztendlich macht Microns aus 176 Schichten (Layer) bestehender TLC-3D-NAND damit den nächsten Schritt in der 3D-Flash-Technologie im Allgemeinen. Und in Bezug auf die Leistung behauptet Micron, dass der neue Speicher die Lese- und Schreiblatenz im Vergleich zum 96-Layer-Speicher der vorherigen Generation um etwa 35 % reduziert hat. Nun ja…