Samsung SSD 850 EVO mit neuem 48 Layer 3D-NAND im Test

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teaserBereits vor einiger Zeit hat Samsung den nächsten Schritt in der Fertigung von NAND-Speicher angekündigt, nämlich die Produktion von 3D-NAND mit 48 Layern. Dieser soll jetzt in der Samsung SSD 850 EVO zum Einsatz kommen, wobei sich der Produktname nicht ändert, die Bestände werden also nach und nach durch das neue Modell ersetzt. Was sich durch den neuen Speicher ändert und ob sich die neue Version der 850 EVO gegen die Konkurrenz durchsetzen kann, untersuchen wir im Detail in diesem Artikel.

Es ist bereits mehrfach passiert, dass Hersteller Änderungen beim verbauten Speicher vornehmen, ohne dies durch eine Änderung des Produktnamens deutlich zu machen oder wenigstens durch eine Pressemeldung zu kommunizieren. Häufig war dies zum Nachteil des Kunden, da sich die Änderung negativ auf die Performance ausgewirkt hat. Samsung geht hier einen anderen Weg und stellt uns Samples der neuen Version der Samsung SSD 850 EVO zur Verfügung, sodass wir eventuelle Unterschiede herausarbeiten können.

Statt eines orangenen Schriftzugs ziert die Verpackung nun ein blaues V.

Durch die Steigerung der Anzahl der Schichten des 3D-V-NAND-Speichers lassen sich die üblichen Vorteile realisieren: Eine höhere Packungs- und damit Speicherdichte benötigt weniger Silizium und ermöglicht damit einen günstigeren Preis in der Fertigung. Während ein sogenannter Shrink, also eine Verwendung von kleineren Strukturen in der Fertigung, häufig auch zu negativen Effekten wie niedrigerer Haltbarkeit und schlechterer Performance führt, ist dieser Effekt bei einer „einfachen“ Erhöhung der Anzahl der Schichten nicht zu erwarten – die Fertigungstechnologie bleibt grundsätzlich dieselbe.

Die technischen Daten tabellarisch zusammengefasst:

Hersteller und
Bezeichnung
Samsung SSD 850 EVO v3
Straßenpreis

ab 84,90 Euro (250 GB)
ab 147,90 Euro (500 GB)
ab 288 Euro (1TB)

Homepage www.samsung.com
Technische Daten  
Formfaktor 2,5 Zoll
Interface SATA
Protokoll AHCI
Firmware EMT02B6Q
Kapazität (lt. Hersteller) 250 GB, 500 GB, 1 TB
Kapazität (formatiert) 233, 466, 932 GiB
Verfügbare Kapazitäten 120 GB*, 250 GB, 500 GB, 1 TB, 2 TB**
Cache 512 MB LPDDR3 (250, 500 GB)
1 GB LPDDR3 (1 TB)
Controller Samsung MGX
Chipart Samsung 48 Layer TLC 3D-NAND
Lesen (lt. Hersteller) 540 MB/s
Schreiben (lt. Hersteller) 520 MB/s
   
Herstellergarantie Fünf Jahre
Lieferumfang -

* mit 32-Layer-NAND ** ab Q2/2016 mit 48-Layer-NAND


Eingeführt wurde der 3D-V-NAND-Speicher damals mit dem Highend-Laufwerk Samsung SSD 850 PRO, etwas später hat die Speichertechnologie dann auch ihren Weg in den Mainstream-Markt in Form der Samsung SSD 850 EVO gefunden. Die neue Version der 850 EVO bezeichnet Samsung auch als 850 EVO „v3“, wobei sich die drei auf die dritte Generation des 3D-Speichers bezieht. Von der 850 EVO selbst gibt es bisher erst zwei Versionen. Tatsächlich haben wir den neuen 3D-Speicher auch schon in einem anderen Laufwerk von Samsung gesehen, nämlich in der Samsung Portable SSD T3 – dort ermöglicht der neue Speicher Kapazitäten von bis zu 2 TB in einem äußerst kompakten Format.

Das Gehäuse der Samsung SSD 850 EVO v3 hat sich nicht geändert.

Die Idee hinter 3D-Speicher lässt sich relativ anschaulich erklären: 2D-Speicherzellen sind, wie der Name suggeriert, in einer „flachen“ Ebene angeordnet. Möchte man mehr Speicherzellen, erhöht sich zwangsweise die Grundfläche des Chips. Diese ist jedoch beschränkt, sodass 2D-Speicher irgendwann nicht mehr wachsen kann – außer durch kleinere Fertigungstechnologien, doch erreicht man auch hier irgendwann die Grenzen des physikalisch Möglichen. Bei 3D-Speicher kann man sich eine Speicherzelle als einen Zylinder vorstellen, die folgende Grafik stellt den Unterschied schematisch dar.

Der unterschiedliche Aufbau von 2D- und 3D-Speicher wird im Querschnitt deutlich. (Quelle: Samsung)

Diese Zylinder können nun übereinander gestapelt werden, sodass der Speicher auch in die Höhe wachsen kann, während die Grundfläche gleich bleibt. Auf diese Weise kann die Speicherdichte nahezu beliebig erhöht werden. Der bei der ursprünglichen Version der Samsung SSD 850 EVO zum Einsatz kommende 3D-Speicher besitzt 32 Schichten und speichert 3 Bit pro Zelle (TLC).

Für die neue Version der Samsung SSD 850 EVO wurde diese Zahl um 50% auf 48 Schichten gesteigert, pro Zelle werden weiterhin drei Bit gespeichert. Die tatsächliche Steigerung der Speicherdichte liegt in der Praxis etwas unter dem theoretischen Wert von 50%, da auch stets etwas Chipfläche zur Steuerung des Speichers benötigt wird. Für das Jahr 2017 spricht Samsung sogar von einer Steigerung auf bis 100 Schichten, was schließlich SSDs im 2,5-Zoll-Format mit etlichen Terabyte Speicher ermöglichen würde. Die nun aktuelle Anzahl von 48 Schichten reicht schon für ein 4-TB-Modell, das laut Samsung noch im 2. Quartal 2016 erscheinen soll. Die 850 EVO mit bis zu 1 TB Kapazität soll bereits seit Februar ausgeliefert werden, die Aktualisierung des bisher größten Modells mit 2 TB soll mit dem Erscheinen der 4 TB großen 850 EVO zusammenfallen.

Seit dem Jahr 2000 produziert Samsung in Hwaseong (Südkorea) DRAM- und NAND-Speicher.

Abgesehen vom Speicher gibt es bei den Varianten mit 250 und 500 GB keine weiteren Änderungen an der Hardware, während bei der 1-TB-Variante der Controller von der MEX- auf die MGX-Version aktualisiert wurde. Damit kommt bei allen Varianten nun der gleiche Controller zum Einsatz. Das gleiche gilt für den DRAM-Cache, hier kam beim 1-TB-Modell bisher noch LPDDR2 zum Einsatz, mit dem neuen NAND-Speicher wird hier nun wie bei den restlichen Modellen auf LPDDR3 gesetzt. Durchgehend keine Änderung gibt es bei den Angaben zur Haltbarkeit, hier liegen die Werte nach wie vor bei 75 TB TBW für eine Kapazität von 250 GB und 150 TB TBW für 500 GB und 1 TB.

Von links nach rechts: 250 GB, 500 GB, 1 TB. Oben die neue Version, unten die alte.

Einen wesentlichen Teil ihrer Geschwindigkeit erhalten die SSDs dadurch, dass sie mehrere Speicherchips parallel ansprechen können: Bei Consumer-SSDs sind es in der Regel vier bis acht, bei Enterprise-SSDs bis zu zehn Kanäle, über die der Controller gleichzeitig mit dem Flash kommunizieren kann. Eine höhere Speicherdichte, wie bei der Samsung SSD 850 EVO v3, bedeutet im Umkehrschluss eine geringere Anzahl an Speicherchips. Dies hat wahrscheinlich auch zu der Entscheidung geführt, die kleinste Variante der 850 EVO mit 120 GB nicht zu aktualisieren und weiterhin mit 32-Layer-NAND anzubieten.

Wie man anhand der Fotos erkennt, wird für eine Kapazität von 250 GB jetzt nur noch ein einziger Chip benötigt, vorher waren es zwei. Auch bei der 500-GB-Variante hat sich die Anzahl der Speicherchips halbiert, nämlich von vier auf zwei. Das gleiche beobachten wir auch bei der 1-TB-Version, wobei hier zusätzlich die Platine verkleinert werden konnte.

Von links nach rechts: 250 GB, 500 GB, 1 TB. Oben die neue Version, unten die alte.

Um die Geschwindigkeit zumindest kurzfristig noch weiter zu steigern, setzen viele Hersteller Pseudo-SLC-Caches ein. Bei Samsung heißt dieser Cache werbeträchtig TurboWrite und ist je nach Kapazität des Laufwerks unterschiedlich groß. Mit einem drei Gigabyte großen Cache sind die Modelle mit 120 und 250 GB bestückt, sechs Gigabyte sind es beim 500-GB-Modell und zwölf Gigabyte bei der 1-TB-Variante. Der Cache hilft vor allem bei Schreiboperationen, da Speicherzellen im SLC-Modus wesentlich schneller beschrieben werden können. Im Folgenden haben wir den Einfluss des TurboWrite-Caches getestet: In der ersten Spalte wurde insgesamt fünf Sekunden sequenziell auf das Laufwerk geschrieben und die Geschwindigkeit gemessen. In der zweiten Spalte wurde insgesamt 60 Sekunden geschrieben, die Geschwindigkeit aber wieder nur über die letzten fünf Sekunden gemessen.

Einfluss des TurboWrite-Caches
 mit Cacheohne Cache
Kapazität 250 GB 1 TB 250 GB 1 TB
Seq. schreiben (MB/s) 465,45 465,11 319,57 465,21

Beim sequenziellen Schreiben hat der TurboWrite-Cache beim 1-TB-Modell praktisch keinen Einfluss auf die Performance, die Geschwindigkeit ist identisch. Beim kleinsten von uns getesteten Modell mit 250 GB können wir hingegen einen Unterschied feststellen, ist der TurboWrite-Cache gefüllt, sinkt die Performance um rund 30%.


asrock-z97-extreme6

Hardware

Software

Anmerkungen

Sofern nicht anders angegeben, werden alle Laufwerke an einem SATA-6 Gb/s-Port des Z97-Chipsatzes getestet. Um zufällige Schwankungen bei den Messungen zu minimieren, wurden im BIOS SpeedStep, sämtliche C-States sowie der Turbo-Modus deaktiviert. Außerdem wurde LPM (Link Power Management) deaktiviert.


Iometer ist ein recht universeller Benchmark, mit dessen Hilfe sich die Rohleistung eines Laufwerks mit nahezu allen erdenklichen Zugriffsmustern untersuchen lässt. In der aktuellen Version ist außerdem die Möglichkeit hinzugekommen, das Datenmuster auszuwählen. Von besonderem Interesse sind hier die Optionen „Repeating bytes“ und „Full random“. Die erste Option erzeugt immer die gleichen Datenmuster, sodass ein Controller diese Daten stark komprimieren kann. Das machen bei weitem nicht alle Controller, manche (z.B. SandForce) besitzen allerdings eine transparente Kompression und erreichen so, stark abhängig vom Datenmuster, eine höhere oder niedrigere Datenübertragungsrate. Die zweite Option erzeugt einen 16 MB großen Puffer mit Daten hoher Entropie, sodass eine Kompression sehr schwer (allerdings nicht komplett unmöglich) wird. Controller, die komprimieren, werden daher mit beiden Datenmustern getestet und die Ergebnisse mit der Einstellung „Full random“ entsprechend gekennzeichnet. Die Standardeinstellung ist „Repeating bytes“, so werden meistens auch die Herstellerangaben ermittelt.

Während die minimale Anfragetiefe (auch Queue Depth, kurz QD) von eins typisch für ein Desktopsystem ist (sie kann auch geringfügig höher sein, befindet sich jedoch meistens deutlich im einstelligen Bereich), zeigt der Test mit QD 32 das Maximum dessen, wozu die SSD imstande ist. Derart hohe Anfragetiefen erreicht man unter normalen Umständen allerdings nur in Mehrbenutzer- bzw. Serverumgebungen.

Der 4K-Test wird über einen Bereich von acht Millionen logischen Sektoren (512 Byte) durchgeführt, der sequenzielle Test findet über die komplette Kapazität des Laufwerks statt.

Iometer

4K lesen (QD 1)

MB/s
Mehr ist besser

Iometer

4K schreiben (QD 1)

MB/s
Mehr ist besser

Iometer

4K lesen (QD 3)

MB/s
Mehr ist besser

Iometer

4K schreiben (QD 3)

MB/s
Mehr ist besser

Iometer

4K lesen (QD 32)

MB/s
Mehr ist besser

Iometer

4K schreiben (QD 32)

MB/s
Mehr ist besser

Iometer

Sequenziell lesen (QD 1)

MB/s
Mehr ist besser

Iometer

Sequenziell schreiben (QD 1)

MB/s
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Bei diesem Benchmark liefert die Samsung SSD 850 EVO v3 genau wie die erste Version des Laufwerks ein sehr gutes Ergebnis. 


Der AS SSD Benchmark wurde, wie der Name vermuten lässt, speziell für SSDs entwickelt. Es werden komplett inkompressible Daten verwendet, sodass dieser Benchmark für komprimierende Controller praktisch ein Worst-Case-Szenario darstellt. Sequenzieller- und 4K-Test finden bei einer Queue Depth von eins statt. Für Desktopsysteme ist auch hier wieder der 4K-Test mit QD 1 am wichtigsten, wohingegen der Test mit QD 64 wieder das Maximum (mit aktiviertem NCQ) zeigt.

AS SSD Benchmark

4K lesen (QD 1)

MB/s
Mehr ist besser

AS SSD Benchmark

4K schreiben (QD 1)

MB/s
Mehr ist besser

AS SSD Benchmark

4K lesen (QD 64)

MB/s
Mehr ist besser

AS SSD Benchmark

4K schreiben (QD 64)

MB/s
Mehr ist besser

AS SSD Benchmark

Sequenziell lesen (QD 1)

MB/s
Mehr ist besser

AS SSD Benchmark

Sequenziell schreiben (QD 1)

MB/s
Mehr ist besser

Auch hier überzeugt die Samsung SSD 850 EVO v3 auf ganzer Linie und macht beim Lesen von kleinen Blöcken sogar den PCI-Express-Laufwerken Konkurrenz.


Der Kopierbenchmark gibt Aufschluss darüber, wie schnell innerhalb des Laufwerks Daten kopiert werden können. Die verwendeten Muster entsprechen typischen Szenarien: ISO (zwei große Dateien), Programm (viele kleine Dateien), Spiel (große und kleine Dateien gemischt).

AS SSD Benchmark

Kopierbenchmark - Iso

MB/s
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AS SSD Benchmark

Kopierbenchmark - Programm

MB/s
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AS SSD Benchmark

Kopierbenchmark - Spiel

MB/s
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Unter den SATA-SSDs liefert die Samsung SSD 850 EVO v3 ein sehr gutes Ergebnis, PCI-Express-Laufwerke sind aufgrund ihrer Performance bei sequenziellen Anfragen allerdings deutlich überlegen.


Synthetische Benchmarks geben jeweils nur extreme Anwendungsfälle wieder. Bei der alltäglichen Nutzung eines Systems fallen sehr viele unterschiedliche Zugriffsmuster an, von sehr kleinen Blöcken bis hin zu großen sequenziellen Transfers. Ein Trace-Benchmark gibt genau diese Zugriffsmuster wieder, die zuvor während der Nutzung eines Systems aufgezeichnet wurden. PCMark 8 verwendet die Zugriffsmuster mehrerer Anwendungen, wobei sich auch die jeweils geschriebene bzw. gelesene Datenmenge unterscheidet, wie die folgende Tabelle zeigt. Die Testdaten sind vollständig inkompressibel.

Bestandteile des Storage-Benchmarks
AnwendungsprofilInsgesamt gelesenInsgesamt geschrieben
Adobe Photoshop light 313 MB 2.336 MB
Adobe Photoshop heavy 468 MB 5.640 MB
Adobe Illustrator 373 MB 89 MB
Adobe InDesign 401 MB 624 MB
Adobe After Effects 311 MB 16 MB
Microsoft Word 107 MB 95 MB
Microsoft Excel 73 MB 15 MB
Microsoft PowerPoint 83 MB 21 MB
World of Warcraft 390 MB 5 MB
Battlefield 3 887 MB 28 MB

Als Änderung im Vergleich zu PCMark 7 hat Futuremark die Komprimierung der Leerlaufzeit (idle time compression) entfernt, sodass sich die abgespielten Traces eher wie eine echte Anwendung verhalten. Im Gegensatz zu früher geben wir als Ergebnis dieses Tests nicht mehr die von PCMark berechnete Punktzahl an, sondern die rechnerische Transferrate. Diese berechnet sich aus der Menge an gelesenen und geschriebenen Daten (vgl. Tabelle) dividiert durch die Zeit, die das Laufwerk mit der Abarbeitung von mindestens einer Anfrage beschäftigt war. Eine höhere Transferrate bedeutet also, dass kürzer auf das Laufwerk gewartet werden musste und sich die Reaktionszeit einer Anwendung so auch insgesamt verkürzt.

Futuremark PCMark 8

Storage - Gesamtwertung

MB/s
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Bei der Alltagsleistung war die Samsung SSD 850 EVO schon vorher sehr gut aufgestellt, dank des neuen Speichers gewinnt sie nun nochmal zusätzlich Performance und platziert sich damit direkt hinter den PCI-Express-Laufwerken.

Die folgenden Diagramme zeigen die Transferrate der einzelnen Laufwerke in den jeweiligen Einzeldisziplinen. Die beiden Spieletests bestehen aus dem Login, bei Battlefield 3 aus dem Laden eines Spielstands und schließlich dem Start des Spielens selbst.

Futuremark PCMark 8

Storage - Battlefield 3

MB/s
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Futuremark PCMark 8

Storage - World of Warcraft

MB/s
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Um die Geschwindigkeit der Laufwerke in einem Office-Szenario zu testen, werden Powerpoint, Excel und Word aus Microsofts Office-Suite verwendet. Dabei wird ein Dokument geöffnet, bearbeitet, gespeichert und das Programm wieder geschlossen.

Futuremark PCMark 8

Storage - Microsoft Powerpoint

MB/s
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Futuremark PCMark 8

Storage - Microsoft Excel

MB/s
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Futuremark PCMark 8

Storage - Microsoft Word

MB/s
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Während Office-Anwendungen für das Storage-System nicht sehr anspruchsvoll sind, fordern die Anwendungen von Adobe die Laufwerke deutlich mehr. Insbesondere beim "Adobe Photoshop (heavy)"-Test werden sehr viele Daten geschrieben, hier wird eine PSD-Datei geöffnet, bearbeitet und schließlich in verschiedenen Formaten gespeichert.

Futuremark PCMark 8

Storage - Adobe After Effects

MB/s
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Futuremark PCMark 8

Storage - Adobe Indesign

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Futuremark PCMark 8

Storage - Adobe Illustrator

MB/s
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Futuremark PCMark 8

Storage - Adobe Photoshop (heavy)