Intel Optane SSD 900P 280 GB mit 3D-XPoint-Speicher im Test

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Bei Halbleiterlaufwerken, kurz SSDs, war in den vergangenen Jahren eine konstante Evolution zu beobachten – im Wesentlichen wurde die Speicherdichte erhöht, wozu 3D-NAND einen zentralen Beitrag geleistet hat. Auch die Geschwindigkeit hat mit der breiten Verfügbarkeit von PCI-Express-SSDs und dem NVMe-Protokoll stark zugenommen, die darunterliegende Technologie ist jedoch seit Jahren dieselbe. Intel verlässt mit der Optane SSD erstmals diesen Pfad und bringt die 3D-XPoint-Speichertechnologie in den Consumer-Markt. Ob diese das Zeug zu einer Revolution hat, untersuchen wir in diesem Artikel.

Wenn Intel eine SSD auf den Markt bringt, dann ist es meistens kein Standardprodukt. Als der Markt vor einigen Jahren noch unter unzuverlässigen Laufwerken mit hohen Ausfallraten gelitten hat, war die Intel X25-M (G2) eine willkommene Entwicklung. Danach war es leider einige Jahre relativ still um Intels SSD-Entwicklungen, denn man hat sich auf den Server- und Enterprise-Markt konzentriert.

Im Jahr 2015 kam dann die Rückkehr in den Consumer-Markt: Die Intel SSD 750 ist eine Auskopplung aus dem Enterprise-Produktportfolio und wurde auf die Bedürfnisse von Desktop-Anwendungen zugeschnitten, behält aber einige interessante Features wie einen vollständigen Schutz vor plötzlichen Stromausfällen.

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Die Intel Optane SSD setzt nun ein weiteres Zeichen und ist in ihrer Form einzigartig. Genauer ist es weniger das Laufwerk, sondern der verwendete Speicher: 3D XPoint funktioniert grundsätzlich anders als der wohlbekannte NAND-Speicher und verspricht keine Performancesteigerungen im ein- oder zweistelligen Prozentbereich – Intel spricht von mehreren Größenordnungen, die 3D XPoint schneller als NAND-Speicher sein soll.

Die technischen Daten tabellarisch zusammengefasst:

Hersteller und
Bezeichnung
Intel Optane SSD 900P
Straßenpreis ab 373,71 Euro
Homepage www.intel.de
Technische Daten  
Formfaktor Erweiterungskarte (HHHL) oder 2,5 Zoll U.2 15mm
Interface PCIe 3.0 x4
Protokoll NVMe
Firmware E201
Kapazität (lt. Hersteller) 280 GB
Kapazität (formatiert) 261 GiB
Verfügbare Kapazitäten 280 / 480 GB
Cache nicht vorhanden
Controller Intel EAU01D76 SLL3D
Chipart 3D XPoint (Intel/Micron)
Lesen (lt. Hersteller) 2.500 MB/s
Schreiben (lt. Hersteller) 2.000 MB/s
   
Herstellergarantie 5 Jahre
Lieferumfang Low-Profile-Slotblende, Sabre-Raven-Schiff für Star Citizen

Damit ein Prozessor rechnen kann, benötigt er Daten – damit diese verfügbar sind, gibt es in einem Computer viele Stufen an Cache- bzw. Speichersystemen. Die Rechenoperationen führt der Prozessor auf Registern aus. Davon gibt es, je nach Architektur, nur eine sehr geringe Anzahl. Ein Register kann jeweils ein Datenwort fassen. Im Prozessor befindet sich außerdem der L1-, L2- und L3-Cache, der nur wenige Megabyte groß, dafür aber sehr schnell ist – wenngleich schon deutlich langsamer als die Register.

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Sollten die Daten nicht in einem der Prozessor-Caches liegen, müssen sie aus dem Arbeitsspeicher geholt werden. Dabei handelt es sich um flüchtigen DRAM-Speicher, der wiederum deutlich langsamer als der Prozessorcache ist. Liegen die Daten nicht im Arbeitsspeicher, weil dieser voll ist oder das Programm noch gar nicht gestartet wurde, müssen sie aus dem nichtflüchtigen Massenspeicher geladen werden. Früher waren das Festplatten, inzwischen auch immer mehr NAND-basierte SSDs.

Obwohl NAND-SSDs unbestritten deutlich schneller als mechanische Festplatten sind, gibt es bei der Performance zwischen NAND und DRAM immer noch eine sehr große Lücke. Diese Lücke soll 3D XPoint schließen. Tatsächlich sieht Intel den Einsatz von 3D XPoint sogar als Ersatz für herkömmlichen DRAM-basierten Arbeitsspeicher vor, so könne man nun auch erstmals einen nichtflüchtigen Arbeitsspeicher mit hoher Kapazität realisieren.

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In diesem Artikel geht es jedoch hauptsächlich um die Intel Optane SSD 900P, auf der ebenfalls der 3D-XPoint-Speicher zum Einsatz kommt. Doch was unterscheidet NAND und 3D XPoint nun voneinander?

Egal ob Charge-Trap, Floating Gate oder Vertical (3D) – das Grundprinzip ist bei NAND immer gleich: Elektronen werden in eine leitende oder nichtleitende Schicht eingebracht und verändern so die Eigenschaft eines Transistors. Je nachdem, wie der Transistor "programmiert" wurde, wird eine andere Bitwertigkeit repräsentiert. Bei SLC (Single Level Cell) entweder 0 der 1, mit MLC können entsprechend mehr Zustände kodiert werden.

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Diese Technik hat jedoch einen großen Nachteil: Das Einbringen der Elektronen erfolgt durch Tunneln, einfach gesprochen werden die Elektronen mit einer hohen Spannung in die Schicht reingeschossen und sind dann dort gefangen. Bei jedem dieser Vorgänge wird das Material jedoch geschädigt, sodass die Elektronen irgendwann nicht mehr gefangen werden können: Die Speicherzelle ist defekt. Dies sorgt für die wohlbekannte Beschränkung der Lebensdauer bei allen flash-basierten Speichermedien.

Bei 3D XPoint, englisch ausgesprochen Cross Point und sinngemäß mit Knoten- oder Schnittpunkt übersetzt, kommt hingegen eine Technologie zum Einsatz, bei der der Widerstand eines Materials verändert wird – es werden keine Elektronen mehr getunnelt und gefangen.

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An diesem Schaubild erklärt sich auch der Name des Speichers: Jede Speicherzelle ist mit zwei Leitern verbunden. 3D-XPoint-Speicher kann bitgenau adressiert werden, indem die entsprechende Zeile und Spalte (= Kreuzung) ausgewählt wird.

Abgesehen vom komplett unterschiedlichen Materialaufbau ergibt sich auch ein wesentlicher technischer Unterschied: NAND-Speicher kann nur seitenweise programmiert werden, je nach SSD ist eine Seite vier, acht oder sogar 16 KB groß. Möchte man nur ein einziges Bit ändern, muss trotzdem die komplette Seite neu programmiert werden – es muss ein Read-Modify-Write-Zyklus ausgeführt werden. Dieses Problem haben inzwischen zwar alle SSD-Hersteller in den Griff bekommen, jedoch erst mit jahrelanger Erfahrung und sehr komplexen Garbage-Collection-Algorithmen. Durch die bitgenaue Adressierung bei 3D XPoint entfällt die Read-Modify-Write-Mechanik dort vollständig.

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Die Algorithmen, um die Unzulänglichkeiten von NAND-Speicher in den Griff zu bekommen, benötigen in der Regel eine große Menge Arbeitsspeicher, den fast alle SSDs in Form von DRAM-Cache besitzen. Zwar gibt es auch einige Modelle ohne externen Cache, es handelt sich dabei jedoch meistens um Laufwerke mit geringer Performance. Der DRAM-Cache wiederum macht SSDs anfällig für unerwartete Stromausfälle, im schlimmsten Fall gehen nicht nur die zuletzt geschriebenen, sondern noch wesentlich mehr Daten verloren. Die wohl berüchtigtste Manifestation dieses Problems war der Intel 8-MB-Bug.

Auch dieses Problem kann mit 3D XPoint weitestgehend umgangen werden, denn der Speicher erlaubt ein Design des Laufwerks ohne externen DRAM-Cache, womit auch die Stützkondensatoren entfallen. Intel spezifiziert die 900P dennoch ohne Enhanced Power Loss Data Protection, also erweitertem Schutz vor Datenverlust bei plötzlichem Stromausfall. Die Intel Optane SSD P4800X, von der die 900P abstammt, besitzt diesen Schutz.

Auch die Intel SSD 750, die ebenfalls die Consumer-Version eines Enterprise-Laufwerks war, hatte dieses Feature noch im Datenblatt stehen. Es gibt hier im Wesentlichen zwei Möglichkeiten: Die 900P ist genauso vor Stromausfall geschützt wie die P4800X, Intel schreibt es aber nicht ins Datenblatt, um die Differenzierung zur wesentlich teureren P4800X sicherzustellen. Es könnte sich allerdings auch um ein Feature handeln, das bei der 900P einfach in der Firmware deaktiviert wurde.


Obwohl 3D XPoint eine wesentlich höhere Lebendauer verspricht, ist diese nicht unbegrenzt. Konkret spezifiziert Intel das Laufwerk wie folgt:

Maximale Schreiblast (TBW)
Kapazität / GB120 - 128240 - 280400 - 512800 - 1.0002.000
Western Digital Black - 80 TB 160 TB - -
Samsung 960 EVO - 100 TB 200 TB 400 TB -
Intel SSD 600p 72 TB 144 TB 288 TB 576 TB -
ADATA SX8000 80 TB 160 TB 320 TB 640 TB -
Samsung 960 PRO - - 400 TB 800 TB 1,2 PB
Zotac Sonix SSD - - 698 TB - -
Corsair MP500 175 TB 349 TB 698 TB - -
Corsair NX500 - - 698 TB 1.396 TB -
Intel Optane SSD 900P - 5,11 PB 8,76 PB - -
Intel P4800X (375 GB) - 20,5 PB - -

Zum Vergleich wurde auch die P4800X aufgenommen, die Enterprise-Version der Optane 900P. Zwischen NAND-basierten PCI-Express-Laufwerken gibt es bereits große Unterschiede, doch die Optane spielt hier in einer anderen Liga: Die Haltbarkeit in der 500-GB-Kapazitätsklasse ist zehn Mal höher als der bisher größte Wert einer von uns getesteten SSD. Dass hier noch Luft nach oben ist, zeigt der TBW-Wert der P4800X, der noch einmal deutlich höher liegt.

Für Desktop-Anwender und -Anwendungen dürfte dies jedoch relativ egal sein. Eine gängige Schätzung für Desktop-Systeme ist eine Schreiblast von 20 GB pro Tag, verdoppelt man dies noch und rechnet die Schreiblast auf die übliche Garantiezeit von fünf Jahren hoch, erreicht man 73 TB TBW. Damit wäre man bei der Intel SSD 600p an der Grenze, andere NAND-basierte Laufwerke übertreffen diesen Wert jedoch schon deutlich. Zum Vergleich: Die Intel Optane SSD 900P könnte man jeden Tag zehn Mal überschreiben.

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Die technische Seite der Intel Optane SSD 900P ist zweifelsfrei überzeugend. Doch es drängt sich die Frage auf: Wer kann überhaupt von der massiven Mehrleistung und der enormen Haltbarkeit profitieren?

Wie die Star-Citizen-Werbung auf der Verpackung des Laufwerks vermuten lässt, sind Spieler eine von Intel angedachte Zielgruppe. Ob sich die Ladezeiten durch eine Optane SSD im Gegensatz zu einer PCI-Express-SSD noch einmal erheblich verbessern, ist fraglich, denn der Flaschenhals ist hier kaum noch der Massenspeicher, sondern das Entpacken der Texturen, was alleine durch die CPU / GPU erledigt wird.

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Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet wären Applikationen, für die der vorhandene Arbeitsspeicher nicht ausreicht, sodass Daten ausgelagert werden müssen. Hierbei profitiert man natürlich enorm von der Optane SSD, denn die Latenzen sind deutlich näher an denen von Arbeitsspeicher als bei NAND-SSDs. Doch muss man so einen Anwendungsfall selbstverständlich erst einmal haben – da DRAM immer noch schneller als 3D XPoint ist, würde man natürlich auch erst versuchen, den Arbeitsspeicher maximal auszubauen.

Schaut man sich die spezifizierte Schreiblast der Intel Optane SSD 900P an, liegt natürlich auch die Idee nahe, das Laufwerk in einem von starken I/O geplagten Server zu verbauen – und dabei im Vergleich zur P4800X viel Geld zu sparen. Intel macht jedoch klar, dass dieser Einsatzzweck nicht erwünscht ist: Die fünfjährige Herstellergarantie erlischt, sobald die 900P in einem Mehrbenutzer-System in einem Rechenzentrum eingesetzt wird.

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Die Intel Optane SSD 900P hat laut Datenblatt im Leerlauf eine Leistungsnahme von fünf Watt, beim Lesen sind es durchschnittlich acht Watt und beim Schreiben 13 Watt. Diese Verlustleistung muss abgeführt werden, wozu die 900P mit einem großen Passivkühlkörper bestens gerüstet ist.

Für unseren Test haben wir permanent sequenziell auf das Laufwerk geschrieben und dabei die Temperatur aufgezeichnet. Bei einer Umgebungstemperatur von 22 °C, in einem offenen Gehäuse und ohne zusätzliche aktive Kühlung erreicht die 900P nach zehn Minuten Dauerlast eine Temperatur von gut 62 °C und ist damit noch ein gutes Stück von der von Intel spezifizierten Maximaltemperatur von 70 °C entfernt. Die Intel Optane SSD 900P hat also definitiv keine Temperaturprobleme.


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)

138.23 XX


132.67 XX


105.75 XX


MB/s
Mehr ist besser

Iometer

4K lesen (QD 3)

MB/s
Mehr ist besser

Iometer

4K schreiben (QD 3)

263.58 XX


258.94 XX


176.48 XX


MB/s
Mehr ist besser

Iometer

4K lesen (QD 32)

342.26 XX


MB/s
Mehr ist besser

Iometer

4K schreiben (QD 32)

330.52 XX


313.51 XX


271.45 XX


MB/s
Mehr ist besser

Iometer

Sequenziell lesen (QD 1)

494.71 XX


457.81 XX


382.65 XX


MB/s
Mehr ist besser

Iometer

Sequenziell schreiben (QD 1)

416.07 XX


267.28 XX


MB/s
Mehr ist besser

Der Punkt, bei dem es bei NAND-SSDs schon lange Stagnation gibt, ist das Lesen von kleinen Blöcken bei niedriger Anfragetiefe. Die Intel Optane SSD 900P deklassiert die anderen Laufwerke hier vollständig, der Vorteil nimmt mit steigener Anfragetiefe jedoch schnell ab. Beim sequenziellen Lesen und Schreiben ist sie außerdem ein gutes Stück vom ersten Platz entfernt.


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)

117.56 XX


114.58 XX


101.69 XX


MB/s
Mehr ist besser

AS SSD Benchmark

4K lesen (QD 64)

350.34 XX


314.94 XX


303.32 XX


MB/s
Mehr ist besser

AS SSD Benchmark

4K schreiben (QD 64)

306.54 XX


295.28 XX


275.83 XX


MB/s
Mehr ist besser

AS SSD Benchmark

Sequenziell lesen (QD 1)

529.66 XX


524.76 XX


464.37 XX


MB/s
Mehr ist besser

AS SSD Benchmark

Sequenziell schreiben (QD 1)

502.37 XX


415.83 XX


342.41 XX


MB/s
Mehr ist besser

Der AS SSD Benchmark bestätigt im Wesentlichen die Ergebnisse, die wir bei der Intel Optane SSD 900P schon bei Iometer gesehen haben.


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

380.51 XX


350.69 XX


180.22 XX


MB/s
Mehr ist besser

AS SSD Benchmark

Kopierbenchmark - Programm

278.61 XX


188.19 XX


MB/s
Mehr ist besser

AS SSD Benchmark

Kopierbenchmark - Spiel