Crucial MX300 SSD mit 750 GB und 3D-NAND im Test

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teaserCrucial meldet sich zurück und packt mit der MX300 aktuelle Speichertechnologie in ein 2,5-Zoll-Laufwerk. Den Anfang macht dabei ein einziges Modell mit einer ungewöhnlichen Speicherkapazität von 750 GB, das gegen die Samsung SSD 850 EVO und andere Mainstream-Laufwerke bestehen soll. Die wesentliche Neuerung ist dabei der 3D-Speicher, der in Zukunft bei allen Laufwerken von Crucial zum Einsatz kommen soll. Beim Aufbau des Speichers verfolgen Micron und Intel dabei eine grundsätzlich andere Strategie als Samsung – ob sie aufgeht, untersuchen wir auf den folgenden Seiten.

Mit der Crucial MX300 gibt es nun ein weiteres Laufwerk auf dem Markt, das dank der neuen 3D-Speichertechnologie günstiger, schneller und robuster sein soll. Während Samsung bei der Entwicklung des hauseigenen 3D V-NAND auf die Charge-Trap-Technologie gewechselt ist, verwenden Intel und Micron weiterhin die sogenannte Floating-Gate-Technik, jetzt allerdings ebenfalls mit einem dreidimensionalen Aufbau.

Crucial MX300: Das dritte Laufwerk der MX-Reihe für den Mainstream-Markt

Auch bei den sonstigen technischen Daten ist die Crucial MX300 auf der Höhe der Zeit: Mit einem SLC-Cache, von Crucial Dynamic Write Acceleration genannt, werden zur kurzzeitigen Performancesteigerung Schreibzugriffe abgefangen und erst zu einem späteren Zeitpunkt in den TLC-Speicher geschrieben. Ebenfalls mit an Bord ist eine AES-256-Bit-Verschlüsselung sowie Unterstützung für TCG Opal und die Microsoft-eDrive-Verschlüsselung. Nicht zuletzt unterstützt die Crucial MX300 auch den Device-Sleep-Stromsparmodus.

Die technischen Daten tabellarisch zusammengefasst:

Hersteller und
Bezeichnung
Crucial MX300 750 GB
Straßenpreis ab 190,41 Euro
Homepage www.crucial.de
Technische Daten  
Formfaktor 2,5 Zoll (7 mm Höhe)
Interface SATA
Protokoll AHCI
Firmware M0CR011
Kapazität (lt. Hersteller) 750 GB
Kapazität (formatiert) 699 GiB
Verfügbare Kapazitäten 750 GB
Cache 512 MB
Controller Marvell 88SS1074
Chipart TLC 3D NAND (Micron)
Lesen (lt. Hersteller) 530 MB/s
Schreiben (lt. Hersteller) 510 MB/s
   
Herstellergarantie Drei Jahre
Lieferumfang Adapter auf 9,5 mm Bauhöhe

Während sämtliche Hersteller bei 2D-Speicher auf die Floating-Gate-Technik gesetzt haben, trennen sich die Wege bei 3D-Speicher nun. Samsung verspricht sich von der Charge-Trap-Technologie eine höhere Speicherdichte und eine geringere Größe des Dies. Intel und Micron, die die Flash-Fertigung als Joint-Venture IM Flash Technologies betreiben, setzen weiterhin auf die Floating-Gate-Technik, bei der man, da sie schon viel länger zum Einsatz kommt, auf einen größeren Erfahrungsschatz zurückgreifen kann.

Die Crucial MX300 besitzt ein stabiles Metallgehäuse.

Die Verfechter beider Technologien rühren für ihre Technologie fleißig die Werbetrommel. So kann man auch im Crucial Blog über eine eigene Technologie namens CMOS Under The Array lesen, die große Vorteile bei der Fertigung von 3D-NAND bieten soll. Für die nächste Zeit werden sicher Floating-Gate- als auch Charge-Trap-Speicher parallel existieren, bis sich eine der beiden Technologien als überlegen herausstellt – welche das sein wird, ist an dieser Stelle jedoch definitiv nicht abschätzbar.

Aufbau des 3D-Speichers von Intel/Micron (IMFT) mit 32 Schichten. (Quelle: Micron)

Die von Intel und Micron verwendete Technologie führt zu einer Kapazität von 384 Gbit pro Die, wobei auf der Crucial MX300 750 GB insgesamt 16 Dice zum Einsatz kommen, was eine Bruttokapazität von 768 GByte ergibt. Diese Kapazität auf die typischen 500 bzw. 512 GB zu stutzen, wäre offensichtlich eine zu große Verschwendung des Speichers, weswegen Crucial sich letztendlich für den Zwischenschritt mit 750 GB entschieden hat. Damit besitzt die Crucial MX300 ein Overprovisioning von rund 9%, was für Consumer-Laufwerke üblich ist.

Controller, DRAM-Cache, Stützkondensatoren und Speicher der Crucial MX300.

Die weiteren Modellvarianten, die im Laufe des Jahres auf den Markt kommen sollen, werden daher höchstwahrscheinlich ebenfalls mit bisher ungewohnten Kapazitäten auf den Markt kommen, also beispielsweise 375 GB und 1,125 TB. Denkbar wäre auch noch ein Modell mit 1,5 TB, wobei Crucial auch gleich auf 1,875 TB oder sogar 2,3 TB gehen könnte. Auch sind natürlich noch Variationen beim Overprovisioning möglich. Hier gilt es letztendlich abzuwarten, welche Modelle Crucial in nächster Zeit ankündigt. Neben einer größeren Auswahl bei der Kapazität sind außerdem noch Modelle im M.2-Format zu erwarten, allerdings mit SATA- und nicht mit PCI-Express-Interface.

Auf der Rückseite der Platine befinden sich vier weitere Speicherchips.

Deutlich weniger spannend als der Speicher ist der Controller, denn hierbei handelt es sich um einen Marvell 88SS1074. Diesen Controller haben wir sogar schon einmal gesehen, nämlich auf der Plextor M7V, dort kam er allerdings zusammen mit planarem TLC-Speicher von Toshiba zum Einsatz, was selbstverständlich auch einen großen Einfluss auf die Performance hat.

Ein Feature, das man sonst praktisch nur bei wesentlich teureren Enterprise-Laufwerken findet, ist eine Power-Loss-Protection. Das Vorhandensein dieses Feature ist meistens leicht an einer größeren Anzahl an Kondensatoren zu erkennen – so auch auf der Crucial MX300. Die Kondensatoren speichern genügend Energie, um das Laufwerk im Falle eines Stromausfalls noch für ungefähr eine Millisekunde weiter versorgen zu können. Einen Unterschied zur Enterprise-Variante gibt es allerdings, denn die Crucial MX300 schützt nur Daten, die sich bereits im Flashspeicher befinden. Nutzerdaten im DRAM-Cache können bei einem Stromausfall weiterhin verlorengehen.

Oben: Kondensatoren für die Power-Loss-Protection, darunter Controller und DRAM-Cache

Warum Nutzerdaten überhaupt gesichert werden müssen, wenn sie sich doch schon im nichtflüchtigen Flashspeicher befinden, versteht man, wenn man sich etwas genauer mit der Funktionsweise von MLC/TLC-Speicher auseinandersetzt. Um in einer Zelle Daten zu speichern, muss diese programmiert werden. Technisch heißt das, dass eine Spannung angelegt wird und eine bestimmte Anzahl an Elektronen in die Zelle eingebracht wird. Diese Elektronen erzeugen beim Auslesen wiederum eine Spannung, die dann einem der möglichen Zustände zugeordnet wird.

Im Fall von MLC-Speicher, der zwei Bit pro Zelle speichert, müssen vier Zustände unterschieden werden, bei TLC mit drei Bit sind es acht Zustände. Zellen werden nun allerdings nicht vollständig programmiert, sondern sind in sogenannte Lower Pages und Upper Pages unterteilt. Dabei kann man im Fall von MLC-Speicher die Lower Page mit dem ersten und die Upper Page mit dem zweiten Bit identifizieren, bei TLC-Speicher wird es entsprechend komplizierter. Die Lower Page zu programmieren ist sehr einfach, wie die folgende Grafik zeigt.

Bei der Lower Page wird einer von zwei möglichen Zuständen programmiert. (Quelle: Micron)

Die Zelle wird entweder auf das Niveau von L0 oder L1 programmiert, beim Auslesen werden diese dann als Bit-Wert 1 bzw. 0 identifiziert. Problematisch kann es nun werden, wenn die Upper Page, also das zweite Bit, programmiert werden soll, denn hierzu muss das gespeicherte Niveau verschoben werden. Ist die Zelle vorher auf dem Niveau von L0, kann sie nach dem Programmieren entweder bei L0 (Bitfolge 11) oder L1 (10) sein. Wurde die Lower Page als L1 programmiert, kann sie nach dem Programmieren der Upper Page bei L2 (00) oder L3 (01) sein.

Vier verschiedene Spannungen repräsentieren die verschiedenen Werte von zwei Bits. (Quelle: Micron)

Das Programmieren der Upper Page benötigt eine bestimmte Zeit, fällt währenddessen der Strom aus ist, die Programmierung der Zelle mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit unvollständig und der Zustand undefiniert. Die Zelle kann sich danach (zufällig) auf dem richtigen oder dem falschen Niveau befinden, oder auch auf einem Wert dazwischen. Die Lower Page, die bereits gültige Daten enthalten hat, wäre nun beschädigt und bereits gespeicherte Daten korrumpiert. Die Power-Loss-Protection, wie sie Crucial bei den Consumer-Laufwerken seit der M500 einsetzt, verhindert, dass existierende Daten in der Lower Page durch das Schreiben neuer Daten in die Upper Page zerstört werden. Die Daten, die eigentlich in die Upper Page hätten geschrieben werden sollen, gehen dabei allerdings verloren. Daher handelt es sich nur um eine teilweise und nicht um eine vollständige Power-Loss-Protection.

Zum Schluss schauen wir uns noch kurz die Dynamic Write Acceleration (DWA) an, Crucials Implementierung eines SLC-Caches. In der ersten Spalte (mit Cache) wurde insgesamt fünf Sekunden sequenziell auf das Laufwerk geschrieben und die Geschwindigkeit gemessen. In der zweiten Spalte (ohne Cache) wurde insgesamt 120 Sekunden geschrieben, die Geschwindigkeit aber wieder nur über die letzten fünf Sekunden gemessen.

Einfluss des TurboWrite-Caches
 mit Cacheohne Cache
Kapazität 750 GB 750 GB
Seq. schreiben (MB/s) 455,16 283,63

Es hat rund 110 Sekunden gedauert, bis die Performance gesunken ist, es wurden bis dahin also ca. 50 GB mit voller Geschwindigkeit geschrieben. Im Gegensatz zu anderen Herstellern reserviert Crucial keinen Bereich fester Größe für den SLC-Cache, sondern arbeitet dynamischer: Dabei werden die Zellen solange mit lediglich einem Bit programmiert, bis keine freien Zellen mehr vorhanden sind - oder eine bestimmte Grenze, wie hier, erreicht wird. Danach schaltet das Laufwerk um und schreibt direkt im TLC-Modus, was die Performance dann deutlich sinken lässt. Im Alltagsbetrieb dürfte man davon kaum etwas mitbekommen, da Schreibzugriffe dieser Größenordnung doch sehr selten auftreten.


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
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Iometer

4K schreiben (QD 1)

MB/s
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Iometer

4K lesen (QD 3)

MB/s
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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
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Iometer

Sequenziell lesen (QD 1)

MB/s
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Iometer

Sequenziell schreiben (QD 1)

MB/s
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Die Crucial MX300 sichert sich zwar einen Platz im Mittelfeld, kann sich aber nicht vom Vorgänger absetzen - dieser ist häufig sogar noch ein bisschen schneller.


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
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AS SSD Benchmark

4K schreiben (QD 1)

MB/s
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AS SSD Benchmark

4K lesen (QD 64)

MB/s
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AS SSD Benchmark

4K schreiben (QD 64)

MB/s
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AS SSD Benchmark

Sequenziell lesen (QD 1)

MB/s
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AS SSD Benchmark

Sequenziell schreiben (QD 1)

MB/s
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Auch hier ist die Crucial MX300 nicht schneller als der Vorgänger und insgesamt im Mittelfeld zu finden.


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

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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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Beim Kopieren von Daten kann sich die Crucial MX300 erstmals vom Vorgänger absetzen.


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

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Bei diesem wichtigen Benchmark ist die Crucial MX300 leider wieder langsamer als der Vorgänger, wodurch sich auch der Abstand zur Samsung SSD 850 EVO vergrößert. Die MX300 kann sich allerdings auch deutlich von den Einsteiger-SSDs absetzen und liegt somit insgesamt im Mittelfeld.

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.

Futuremark PCMark 8

Storage - Battlefield 3

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Futuremark PCMark 8

Storage - World of Warcraft

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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

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Futuremark PCMark 8

Storage - Microsoft Excel

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Futuremark PCMark 8

Storage - Microsoft Word

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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

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Futuremark PCMark 8

Storage - Adobe Indesign