Nell’articolo “Storage: Hard Disk, SSD ed NVMe” ho già parlato, brevemente, degli SSD NVMe, consigliando anche alcuni modelli, ma non sono sceso a fondo nei dettagli. Ovvero, perché gli NVMe sono ormai uno standard nei PC moderni? E, soprattutto, come si fa a capire quale modello preferire? Con questo approfondimento voglio, quindi, gettare le basi che vi permetteranno di prendere una decisione consapevole durante l’acquisto di un nuovo NVMe.

Kingston Fury Renegade

Partiamo da un presupposto: come per tutti i componenti di un PC, non esiste un marchio in particolare che fa le cose “meglio” degli altri. Non voglio, pertanto, far passare tramite questo articolo un ulteriore bias che può far pendere l’ago verso una serie di prodotti o un’altra, ma cercherò di essere il più oggettivo possibile e far parlare direttamente ai dati. Vedremo, infatti, come le piattaforme sulle quali si basano gli NVMe possono essere comuni tra i brand e tra i modelli di uno stesso brand, e che molto dipende soprattutto dalle componenti interne all’NVMe stesso e dai firmware.

Cos’è un NVME?

L’NVMe, che sta per Non-Volatile Memory Express, è un tipo di protocollo ideato per accedere a memorie di tipo non volatile tramite l’utilizzo del bus dati del PCI Express.

L’utilizzo di quest’ultimo permette di sfruttare la bassa latenza e le caratteristiche di parallelizzazione tipiche di una memoria a stato solido, come quelle di un classico SSD, il che va ad impattare pesantemente sulle prestazioni globali rispetto all’utilizzo del vecchio protocollo AHCI tramite interfaccia SATA, comumenente associato agli SSD e agli HDD.

NVME Crucial T700 PCIe Gen5

Le operazioni che consentono alla memoria degli NVME di performare in maniera così avanzata sono eseguite all’interno di un controller integrato, il quale può essere compatibile con una particolare revisione del protocollo NVME stesso. Ad oggi, la specifica è arrivata alla revisione 2.0c. Alcuni modelli NVME 2.0 sono già in commercio, come i PCIe 5.0 Corsair MP700, Crucial T700 o Sabrent Rocket 5, per citarne alcuni.

Le velocità in gioco sono alte, molto più alte di un vecchio SSD SATA, che era limitato a quel bus dati che, teoricamente, poteva raggiungere i 600MB/s in lettura/scrittura. Difatti, i modelli di punta si fermavano a velocità reali nell’ordine di poco più di 550MB/s in lettura/scrittura. Dal loro canto, invece, gli NVMe hanno velocità nell’ordine delle svariate unità di GB/s.

Gli attuali modelli Gen4, basati sull’utilizzo del bus dati del PCIe 4.0 su 4 linee (quindi PCIe 4.0 x4), possono raggiungere velocità nell’ordine dei 7GB/s in lettura/scrittura. Ci si spinge ancora oltre con i Gen5 (PCIe 5.0 x4), i quali toccano, per ora, punte anche di 14GB/s in lettura e 12GB/s in scrittura, come i modelli basati sull’ultima iterazione del controller Phison E26 (vedi il modello Max14um, ndr).

Com’è fatto un NVME?

Sotto il cofano di un NVME ADATA XPG SX6000 LITE

Rispetto alla vecchia interfaccia SATA, i dispositivi NVME utilizzano il connettore M.2. Introdotto 11 anni fa per rimpiazzare il vecchio connettore mSATA, il connettore M.2 permette ai dispositivi compatibili di comunicare direttamente con il bus del PCI Express. Il connettore M.2, infatti, offre solitamente una connettività PCIe x4, quindi 4 linee, e ad oggi siamo arrivati fino alla revisione 5.0 grazie, appunto, al PCIe 5.0 (infatti i dispositivi compatibili vengono chiamati anche SSD NVME “Gen 5“, ndr).

SLOT M.2 NVME di una Asus PRIME B650-PLUS

Sul connettore M.2, in base anche alle specifiche e alle personalizzazioni dei vendor, è possibile collegare non solo dispositivi come gli SSD NVMe, i quali funzionano nativamente a livello di interfaccia, ma anche dispositivi legacy su AHCI a livello logico di interfaccia (nella foto in alto, vediamo sulla sinistra i pin dell’NVMe che vanno ad inserirsi nel connettore M.2 posizionato sulla scheda madre, che può essere osservato sulla foto appena sotto, ndr).

Come recita l’articolo “Storage: Hard Disk, SSD ed NVMe“, la dimensione di un dispositivo NVMe può variare. Infatti, il connettore M.2, in base anche al layout della scheda madre dove è posizionato, può accogliere solo le seguenti lunghezze: 22mm × 30mm, 22mm × 42mm, 22mm × 60mm, 22mm × 80mm e 22mm × 110mm. Gli SSD NVME più popolari sono quelli da 22mm x 80mm, ecco perché, solitamente, si legge la sigla M.2 2280 (ad esempio, nella foto della B650-Plus corrisponde alla seconda filettatura partendo da sinistra, ndr).

Layout

Western Digital WD_BLACK SN850X, un SSD NVME Top Tier

Celle

Sul PCB di un SSD NVME, invece, trovano spazio alcuni componenti fondamentali, primo tra tutti la memoria a stato solido non volatile, basata su tecnologia di memoria flash NAND. Parliamo di un chip di memoria flash che ospita le cosiddette celle di memoria, le quali contengono a loro volta i singoli bit di informazione dei nostri dati.

Queste celle possono ospitare un numero variabile di bit, che, attualmente, va da 1 a 4 per cella di memoria, segmentando il mercato in celle, a salire, di tipo SLC (1 Bit), MLC (2 Bit), TLC (3 Bit) e QLC (4 Bit). Queste si differenziano per prestazioni, velocità e durabilità calcolata in cicli P/E (Program/Erase, ndr).

Le SLC sono considerate tra le più veloci, reattive e durature, ma molto costose e sono solitamente di piccolo taglio. Popolavano, infatti, i primi SSD Intel Optane, i quali usavano le celle SLC su tecnologia di memoria flash 3DX Point di Intel e Micron. Infatti gli Optane venivano usati o come dischi di sistema o come dischi di caching di piccola taglia da associare agli HDD, quando questi ultimi erano ancora dominanti in ambito storage.

Le MLC, invece, sono leggermente più lente, reattive e meno durature, ma anche meno costose e sono solitamente disponibili in tagli più grandi. Vengono comunemente usate negli SSD di fascia media. Le TLC, dal loro canto, offrono costi e performance simili alle MLC, ma sono disponibili in tagli molto più grandi, anche di 4 TB (sono anche tra il tipo di memoria flash più usata in commercio per via del buon rapporto prezzo/prestazioni e costo per GB, ndr). Infine abbiamo le celle QLC, le quali permettono di avere dispositivi dall’alta densità di dati. Difatti, non è difficile trovare SSD a livello consumer che toccano anche gli 8TB di archiviazione massima, come il Samsung 870 QVO.

Samsung 980 Pro, un NVMe Gen4 di fascia alta

Semplificando il concetto base di questa tecnologia, i bit contenuti nelle celle corrispondono, nella realtà, a delle cariche elettriche che rappresentano, poi, i dati. Questo dato può essere scritto o letto. Fisicamente parlando, la carica elettrica tra la cella, e quindi le celle di dati stesse (dette anche “Floating Gate“, dove sono presenti in realtà i dati, o gli elettroni corrispondenti alla carica), sono separate e confinate da uno strato molto sottile di ossido di metallo semiconduttore, tipicamente biossido di silicio (SiO2), che può essere spesso anche solo pochi atomi!

È possibile leggere il dato all’interno delle celle senza oltrepassare la barriera d’ossido, semplicemente esaminando le proprietà elettriche della cella. Quando è carica, la cella (o il “Floating Gate”) è piena gli viene associato un valore binario di “0”, mentre quando non trattiene cariche è vuota, e gli viene associato un valore binario di “1”. Chiaramente, l’alternanza di 0 e 1 corrisponde ai dati salvati nelle celle.

Durante la scrittura, invece, una nuova carica elettrica deve passare attraverso questa barriera per terminare nella cella. Ogni qual volta che si oltrepassa la barriera d’ossido, quest’ultima si degrada leggermente. Si arriverà, quindi, ad un punto in cui la barriera non riuscirà più a trattenere la carica elettrica all’interno delle celle, facendole diventare inutilizzabili.

Pertanto, riusciamo ad inferire perché le SLC, rispetto alle QLC, hanno una durabilità più elevata: avendo solo la possibilità di trattenere 1 singolo bit per cella, rispetto ai 4 delle seconde, l’ammontare delle volte in cui le cariche devono oltrepassare le barriere d’ossido tra le celle durante le fasi di scrittura è di diversi ordini di grandezza minori.

Infatti, le celle SLC possono avere al massimo 2 stati (0 o 1), mentre le QLC fino a 16 (dallo stato vuoto, 0, fino allo stato di 15 cariche, quindi da 0000 a 1111). La differenza in costo e prestazioni, quindi, è presto detta: se per le SLC si può, al massimo, fare un check e una scrittura su 2 stati, l’aumentare dei check e delle scritture fino a 16 stati per cella fa sì che le performance calino di conseguenza da un lato (in pratica, il controller interno all’SSD lavora di più per portare a termine queste operazioni), mentre dall’altro si ha più capienza al netto di nessun cambiamento nella memoria NAND.

Questo spiega anche perchè una SLC, a parità di dimensioni, è sempre più costosa, perché andando verso QLC si ha un aumento di densità di dati salvati semplicemente per una questione di volume di spazio occupato. Durante il 2023 si è anche parlato di celle PLC, ovvero che permettono di salvare fino 5 bit per cella, per un totale di 32 stati, ma ancora non si hanno applicazioni concrete attualmente sul mercato tranne che una dimostrazione di Solidigm fatta insieme a Sk Hynix durante il Flash Memory Summit del 2022.

All’interno del chip di memoria, a loro volta, le celle sono sviluppate una sull’altra e possono essere, quindi, chiamate anche multistrato, dato che si basano esplicitamente su una tecnologia chiamata 3D NAND. Infatti in questi casi parliamo spesso di numero di “layer” associati alla memoria NAND interna ad un SSD. Ad esempio, una tipica memoria di tipo TLC all’interno di un Kingston KC3000, monta su chip a 176 layers fabbricati da Micron (con esattezza, il modello B47R, ndr).

Ne consegue che all’aumentare del numero di layer, più sarà densa la memoria. Ma quanti strati può avere una memoria NAND? Ad oggi, il colosso coreano SK Hynix ha annunciato memorie TLC a 321 layer, aumentando del 59% la densità delle loro precedenti memorie a 238 layer. Si spera di vedere i primi modelli funzionanti entro il 2025 (qui la fonte, ndr).

Quali sono i maggiori produttori di chip NAND flash? Sicuramente Samsung detiene una grande fetta di mercato, seguita a ruota da Kioxia, Western Digital, SK Hynix e Micron, i quali compongono i maggiori player mondiali nel campo della creazione di semiconduttori destinati allo storage.

Controller

L’altro componente fondamentale di un NVMe è il controller, il quale svolge un ruolo critico nell’ottimizzazione delle prestazioni. Questo componente gestisce tutte le operazioni di lettura/scrittura che vengono effettuate sulla memoria flash NAND.

Controller Phison-E18 equipaggiato sul Kingston KC3000

La sua azione di traduzione efficiente delle richieste del sistema in operazioni sulla memoria flash è fondamentale per massimizzare la velocità di trasferimento dei dati. Il controller dell’NVMe, inoltre, eccelle nella gestione simultanea di numerose richieste di I/O, riducendo i tempi di latenza e migliorando la reattività complessiva del sistema.

Il controller contribuisce anche all’efficienza energetica, la quale è essenziale in contesti come dispositivi portatili o data center e, tramite l’utilizzo di algoritmi avanzati di gestione, è anche responsabile dell’usura della memoria flash.

Infatti il controller è in grado, grazie specialmente a questi potenti algoritmi di correzione degli errori, necessari per un corretto check degli stati delle celle e una corretta scrittura nelle stesse, di determinare sia la longevità vera e propria dell’NVME che le sue prestazioni.

Non a caso, più è in grado il controller di far fronte agli errori durante le fasi di lettura e scrittura dati sulle celle e più operazioni riesce ad eseguire in un dato momento (misurate in IOPS, ovvero il numero di operazioni di input/output effettuate al secondo), più l’NVME risulterà affidabile e veloce.

Il Sabrent Rocket 4 Plus

Nella pratica, il controller è un vero e proprio chip basato, solitamente, su architettura ARM, e può essere anche multi-core. Ad esempio, il Phison E-18, un famoso controller di NVME PCIe Gen4, è basato su un processore ARM Cortex R5 a 32Bit, associato da un CoXProcessor ed è compatibile col procotollo NVME 1.4.

Il suo consumo è veramente esiguo e viene stimato in pochi W (il Phison E-18 ne consuma appena 3!).

Nello specifico, il modello presente sul KC3000 mostrato in alto, è una sua versione di fascia alta a 5 Core (3 sul main core e 2 sul CoXProcessor) realizzato con un processo produttivo a 12nm di TSMC e che gira ad una frequenza di 1Ghz. Per fare un confronto, è lo stesso controller del Corsair MP600 Pro e del Sabrent Rocket 4 Plus.

I principali produttori di controller sono Phison, come già menzionato sopra, al quale si aggiungono sicuramente Innogrit e Samsung. Esistono, poi, altre varianti proprietarie, come quelle di Western Digital, ma sul mercato esistono e sono molto presenti anche Micron, SMI e Realtek, per citare i più famosi. Tutt’oggi, Phison detiene alcuni record di velocità, specialmente nel settore degli NVMe Gen4 e 5, grazie ai suoi controller E18 ed E26. Per fare un confronto tra i due, il primo permette velocità di lettura/scrittura sequenziale superiori ai 7.4 e 7 GB/s, per un valore massimo di IOPS di circa 1.000.000, mentre il secondo permette di superare tranquillamente i 10GB/S con valori di IOPS superiori a 1.4000.000.

DRAM

L’altro componente fondamentale è sicuramente la DRAM. Sì, all’interno di un SSD NVMe può esserci anche un chip di memoria RAM che viene utilizzato per vari scopi.

Primo tra tutti come cache. Un SSD NVMe può usare una porzione della DRAM come cache per migliorare la velocità di lettura e scrittura del dispositivo. Questa cache permette di memorizzare temporaneamente i dati più frequentemente utilizzati, riducendo così i tempi di accesso e aumentando le prestazioni complessive.

Il chip DRAM del Samsung 980 Pro. A sinistra, il controller Samsung Elpis

L’uso della cache risulta comodo anche come buffer di lettura e scrittura. L’NVMe, ad esempio, durante le fasi di scrittura può iniziare ad immagazzinare le porzioni di dati in arrivo prima nella DRAM, e poi il controller sarà preposto a smistarle nelle celle. Di conseguenza, all’utente finale questa operazione risulterà estremamente veloce e fluida.

Ma ci sono ancora altri utilizzi che reputo principali e che fanno l’uso della DRAM cruciale all’interno di un NVMe, ovvero il cosiddetto Wear Leveling, la Garbage Collection e il posizionamento della tabella di mapping del disco.

Gli algoritmi di Wear Leveling vengono processati dal controller con l’ausilio della DRAM, e permettono all’NVMe di distribuire equamente i cicli di scrittura e cancellazione su tutte le celle di memoria NAND. Questa pratica aiuta ad aumentare la durata complessiva dell’SSD distribuendo uniformemente l’usura su tutte le regioni di memoria, impedendo così l’esaurimento prematuro di alcune celle.

Nella Garbage Collection, invece, la DRAM viene sfruttata per le operazioni di pulizia e consolidamento dei dati non utilizzati o obsoleti sul disco. La DRAM permette, quindi, una gestione efficiente di queste operazioni, aiutando a liberare spazio sulla memoria NAND e a mantenere alte le prestazioni complessive dell’NVMe.

E infine, posizionando la tabella di mapping del disco nella DRAM, l’NVME riuscirà ad avere tempi di latenza nell’interrogazione dei dati presenti all’interno delle celle in una maniera pressoché istantanea, migliorando i tempi di primo accesso e ottimizzando tutte le operazioni di I/O sul disco.

Uno dei più famosi SSD NVME DRAM-Less, il Silicon Power UD90

Chiaramente ne consegue che un SSD NVMe senza DRAM (o DRAM-Less, come si suol dire, ndr) dovrà trovare altri modi per effettuare tutte queste operazioni.

Facciamo un esempio concreto: non avendo una cache integrata basata su DRAM, in un NVMe DRAM-Less i dati verranni richiesti andando ad interrogare il disco e la cella usando una tabella di mapping o salvata direttamente in una porzione di memoria NAND stessa e usata a tal scopo, o presente all’interno del cosiddetto HMB (Host Memory Buffer), che è una porzione di memoria RAM di sistema utilizzata al posto della DRAM integrata che, in questo caso, è mancante. Anche il trasferimento dati vero e proprio, non passando attraverso una cache DRAM ma attraverso l’HMB e, solitamente, una cache SLC sul disco, viene rallentata o saturata più velocemente di una DRAM, rallentando letteralmente tutto il processo.

Queste pratiche aumentano la latenza e un’eventuale scrittura dati risulterà più lenta perché gli stessi non verranno bufferizzati nella DRAM, ma andranno processati dal controller che dovrà, poi, insieme all’HMB, scriverle poi nelle celle, passando, quindi per un buffer dati più lento. Questo aumenta anche il carico di lavoro del controller e il numero di IOPS necessari allo svolgimento dell’operazione.

Questo comporta che le celle verranno degradate di più rispetto ad un NVME con DRAM, avendo come risultato, quindi, una longevità ulteriormente ridotta.

Tutto ciò, però, non significa che gli NVME DRAM-Less siano da evitare. Anzi, dato che la mancanza di DRAM integrata e anche l’utilizzo di controller mediamente meno performanti dei modelli di punta vanno ad abbassarne i costi totali, sono da preferire quando si è in cerca di una memoria capiente e allo stesso tempo molto veloce. Questo è possibile perché la densità di memoria dei chip montati su questi dischi è identica a quelli di fascia alta, pertanto si avranno modelli sul mercato con la stessa capienza ma anche al costo del più del 30% in meno rispetto ai modelli di punta.

Difatti, proprio per questi motivi, è molto comune vedere build con doppio NVMe, di cui uno ad alte prestazioni con DRAM e di taglia media come disco di sistema, accompagnato da un NVMe DRAM-Less più capiente come disco di archiviazione (ad esempio, una combo 500GB + 2TB o 1TB + 2TB, ecc). È anche la configurazione di base consigliata da Assemblo Computer!

Cosa differenzia le performance?

Un esempio di SSD NVMe Entry-Level, il WD Blue SN580

La combinazione di fattori da osservare è chiaramente la sommatoria delle caratteristiche di controller (più importante) + dram + memorie. La qualità e la velocità di tutti e 3 i fattori è direttamente proporzionale alla fascia di prezzo. Un buon numero dei modelli presenti nel mercato verranno elencati nella Tier List più sotto, ma possiamo delineare alcune regole base.

Se l’NVME monta uno tra questri controller, allora è quasi sicuramente un modello di fascia bassa, o Entry-Level:

• InnoGrit IG5216
• Phison E12C
• Phison E12S
• Phison E13T
• Phison E15T
• Phison E19T
• Phison E21T
• Realtek RTS5763DL
• Samsung Pablo
• SMI SM2260
• SMI SM2263
• SMI SM2263XT
• SMI SM2263XTV
• SM2267XT
• Western Digital (modello proprietario)

Sono solitamente Controller che lavorano senza DRAM e col metodo dell’HMB. Per citarne alcuni, abbiamo sicuramente il Samsung 980 liscio, il Silicon Power UD85, il Western Digital SN580 o il Corsair MP600GS. Da tenere a mente, però, che alcuni di questi controller, se associati a DRAM o a memorie NAND di fascia più alta, possono essere presenti anche in fasce più alte.

Alcuni sono associati anche a DRAM, come quelli montati sugli ADATA SX7000, il Kingston A2000 o il Kioxia Exceria (parliamo, quindi, di NVMe PCIe 3.0 x4).

Le velocità di questi modelli spaziano dagli 2000/1700MB/s in lettura/scrittura, ai 5000/4000MB/s dei modelli di punta come il Western Digital SN580 o il Corsair MP600GS menzionati sopra, che sono degli NVMe PCIe 4.0 x4.

Un buon NVMe Gen4 Mid-Range con DRAM, il Sabrent Rocket 4.0

Se l’NVME monta uno tra questri controller, allora è quasi sicuramente un modello di fascia media, o Mid-Range:

• Cepheus II
• InnoGrit IG5220
• Marvell 88SS1092
• Marvell 88SS1093
• Maxio MAP1202
• Micron DM01B2
• Phison E12S
• Phison E15T
• Phison E16
• Phison E27T
• Realtek RTS5762
• Samsung Phoenix
• Samsung Polaris
• SMI SM2262
• SMI SM2262EN
• SMI SM2267
• SMI SM2269XT
• TenaFe TC2200
• Western Digital (modello proprietario)

Qui la situazione inizia a cambiare, perché c’è una presenza più massiccia di modelli che si appoggiano alla DRAM.

Anche qui, però, abbiamo modelli DRAM-Less che usano il metodo dell’HMB, tra i quali spiccano sicuramente il Gigabyte Gen4 Aorus 5000E, il Lexar NM760, i Silicon Power US75 e UD90, il Team MP44L e il WD SN770.

Non fatevi ingannare, perché questi modelli, nonostante non abbiano DRAM, riescono a performare molto bene, con picchi in lettura/scrittura sequenziale che superano anche i 5GB/s e buoni tempi di latenza media.

Tra quelli con DRAM, invece, spiccano sicuramente il Corsair MP600 liscio, il Crucial P5, il Patriot Viper VPN110, il Sabrent Rocket 4.0, il Samsung 970 EVO Plus, il Seagate Barracuda 520, il Team Cardea Zero Z440 o il WD SN750.

Un esempio di un ottimo Top Tier su PCIe 4.0 x4, il Kingston Fury Renegade

Se, infine, l’NVME monta uno tra questri controller, allora è quasi sicuramente un modello di fascia alta/altissima, o Top Tier:

• Aries
• InnoGrit IG5236
• Micron DM02A1
• Phison E18
• Phison E25
• Phison E26
• Samsung Elpis
• Samsung Pascal
• SMI SM2262EN
• SMI SM2264
• SMI SM2508
• TenaFe TC2201
• Western Digital (modello proprietario)

Qui la situazione si trasforma ulteriormente, andando ad includere esclusivamente modelli con DRAM e anche PCIe 5.0 x4.

Tra i modelli PCIe 4.0 x4 di questa fascia, spiccano sicuramente l’ADATA S70 Blade, i prodotti della linea Corsair MP600 Pro, il Crucial P5 Plus, i Kingston KC3000 e Fury Renegade, il Sabrent Rocket 4 Plus, il Samsung 980 Pro, il Team Cardea A440 Pro e il WD SN850x.

Tra i più veloci SSD NVMe su PCIe 5.0 x4, il Crucial T700

Tra i PCie 5.0 x4, invece, c’è bisogno assolutamente di menzionare i vari Corsair MP700 e Crucial T700, passando per l’MSI M570 e il Seagate Firecuda 540. Parliamo di modelli di fascia altissima in grado di superare abbondamente i 10GB/s in lettura/scrittura sequenziale!

Cose da sapere

Prima di elencare i modelli e dividerli per tier, parliamo di alcuni aspetti fondamentali da conoscere sugli SSD NVMe.

Velocità

Primo tra tutti la velocità pubblicizzata. Ciò che dobbiamo sapere è che la velocità che vediamo mostrata sulle confezioni degli NVMe, o la velocità di lettura/scrittura riportate anche in alto in questo articolo, è sì veritiera, ma è da intendersi come una sorta di valori ideali che nel mondo reale verranno rispettati solo a determinate condizioni. Pertanto, parliamo di valori dati in un’ottima puramente di marketing.

Scendendo nel dettaglio, i valori ideali che vengono mostrati sulle confezioni o sulle pagine prodotto dei produttori fanno riferimento a quelli che l’NVME mostrerebbe, solitamente, quando lavora su cache. Quello che succede, poi, è che le prestazioni nel mondo reale ed effettive del dispositivo possono essere fraintese proprio a causa di questa pratica di marketing.

Questo significa che il comportamento di un NVMe in casi di grande carico di lavoro, dove le tecniche di gestione della profondità della coda delle operazioni e il threading, nonché il numero di IOPS, sono più presenti e cambiano i valori ideali del dispositivo, non viene realmente mostrato.

C’è da dire, però, che è tutto relativo al tipo di lavoro che svolgerà l’NVMe. Solitamente, in casi di utilizzo medio da parte dei consumatori, come può essere quello di un gamer, ma anche quello, ad esempio, di un videomaker non professionista, non si va a beneficiare di quelle tecniche, e quindi si vedranno realmente solo quelle prestazioni ideali, così come può accadere durante l’uso del dispositivo in fase di trasferimento file di dimensioni abbastanza sufficienti da non saturare la cache dell’NVMe.

Ecco un esempio reale con un test effettuato con CrystalDiskMark:

Il benchmark in questione mostra dati abbastanza eloquenti. Intanto parliamo di un test effettuato su un WD SN850X affiancato da una CPU AMD Ryzen 5 7600x, con disco pieno al 62% e in uso da Novembre 2023. I valori sulla sinistra mostrano i relativi parametri per i test in lettura e scrittura.

Premessa: ogni file è formato da “blocchi”, che sono le parti più grandi che vengono spostate in un’operazione di I/O. La cosa importante da sapere è che maggiore è la dimensione del blocco, maggiore sarà la velocità di trasferimento.

Nello specifico, il primo in alto, “SEQ1M“, indica il valore di lettura e scrittura sequenziale di un blocco di 1MiB.

“Q8“, invece, sta ad indicare la profondità della coda, ovvero il numero di code che gestiscono le richieste di I/O in un dato momento. Più code sono aperte per trasferire i dati, più potenziale ci sarà per aumentare le velocità di trasferimento.

Li possiamo paragonare alla mole di lavoro da eseguire da parte di un singolo lavoratore rispetto a quello che può essere eseguito da più lavoratori, 8 come nel caso specifico. Il lavoro verrà eseguito più velocemente da un valore con una coda più lunga, chiaramente. Questo valore può fare la differenza se elevato, il che comporta un aumento repentino della velocità di trasferimento dati.

“T1“, infine, sta ad indicare il numero di thread che vengono eseguiti all’interno della CPU, necessari per l’operazione di trasferimento dati. Le CPU possono avere più Core e più Thread, e più thread ci sono, più facile sarà lavorare su più cose contemporaneamente.

7 di questi 8 test, infatti, vengono eseguiti su un solo thread, che è solitamente sufficiente per le più comuni operazioni, mentre in quello di 16 thread, il terzo, viene sfruttato al meglio il processore. Questo accade perché, dato che viene associato ad un test in cui si cerca di mostrare come lavorerebbe un disco su dati casuali in blocchi da 4k, più lenti da processare (come vediamo anche nell’ultimo test, ndr), l’aumento del numero di thread velocizza di svariati ordini di grandezza tutta l’operazione di trasferimento dati e l’IOPS.

Quindi, riassumendo:

1. Nel primo test, si cerca di spostare un blocco sequenziale di 1MiB su una profondità di coda di 8 e su un singolo thread;
2. Nel secondo test, si cerca di spostare un blocco sequenziale di 128KiB su una profondità di coda di 32 e su un singolo thread;
3. Nel terzo test, si cerca di spostare un blocco random di 4KiB su una profondità di coda di 32 su 16 thread;
4. Nel quarto test, si cerca di spostare un blocco random di 4KiB su una profondità di coda di 1 e su un singolo thread.

Possiamo subito notare delle differenze. Tra i test 3 e 4, all’aumento del numero di thread e di code, i blocchi random di 4KiB vengono spostati molto più velocemente, mentre tra i test 1 e 2, l’abbassamento della dimensione del blocco sequenziale rallenta tutti valori.

Però, nel secondo caso l’abbassamento di prestazioni non è notevole in quanto la tecnologia di controller, dram e memorie dell’SN850x riesce a compensare bene il cambiamento di parametri, cosa che non può fare ugualmente nel caso dei blocchi random, che sono sempre più difficili da processare rispetto a quelli sequenziali.

CrystalDiskMark permette di personalizzare i parametri dei test e, quindi, di effettuare tutte le osservazioni del caso rispetto ai carichi di lavoro più disparati.

Quindi, nel caso lavoriate molto su file di piccole dimensioni, è bene tenere a mente di acquistare un NVMe dotato di un controller in grado di avere buoni valori anche nei test Random 4KiB su pochi thread, in grado, poi, di scalare bene insieme ai thread della CPU (e anche in base al software di trasferimento dati in uso, come ad esempio TeraCopy al posto di Esplora File su Windows, ndr).

Diversamente, un buon dispositivo in grado di spingere buoni numeri in lettura e scrittura di dati sequenziali è una scelta che va a rispondere bene ai casi d’uso più generalisti.

SMART e Garanzia

L’altro aspetto fondamentale da tenere a mente è lo SMART, acronimo di Self-Monitoring, Analysis, and Reporting Technology. Parliamo di un metodo per tenere traccia dello stato di salute dei dispositivi di archiviazione.

È possibile monitorare i dati SMART grazie a software come CrystalDiskInfo, che permettono di visualizzare tutti i parametri del dispositivo e anche l’ammontare dei dati scritti, che possiamo utilizzare per controllare se siamo arrivati ai famosi TBW di picco, valore che viene usato all’interno della garanzia del disco.

Per TBW indichiamo i “Total Byte Written” (o anche “TeraBytes Written“), ovvero i (tera)byte totali scritti sul disco. Insieme alla durata in anni della garanzia, vanno a delimitare i parametri entro i quali si può esercitare la garanzia sul prodotto.

Anche se c’è da dire che, solitamente, il TBW attuale dei dispositivi in commercio è molto più alto di quanto si possa mai scrivere sulle celle all’interno del periodo di garanzia, specialmente nel caso di un utilizzo medio, e questo accade per via del continuo miglioramento delle memorie NAND flash.

Un altro dato, invece, che ci può venire incontro per stabilire la bontà di un disco e il DWPD, ovvero il Drive Writes per Day, cioè l’ammontare di quante volte volte è possibile scrivere l’intero disco al giorno, e si ricava dividendo il TBW per il prodotto tra i giorni dell’anno, gli anni d’uso e la capacità in TB.

Ad esempio, nel caso del WD SN850X da 1TB, si ha una garanzia di 5 anni per un totale di 600TBW. Pertanto, il DPWD sarà di 600 / (365 * 5 * 1) = 0,32, quindi, nei termini di garanzia, si potrà scrivere un terzo del disco al giorno.

Questo dato vi fa capire se in base alle vostre esigenze un disco può fare al vostro caso o meno. Nel caso specifico, questo disco è più che sufficiente per un uso medio, perché è difficile fare 320GB di scritture per giorno a meno che non si utilizzi almeno in quel modo il disco.

Chiaramente, dischi di fascia alta di grandi capacità, prosumer o per data center hanno valori in TBW e DPWD molto più alti, ma questo influenza di molto anche il prezzo.

Temperature

Corsair MP600 Pro XT con dissipatore dedicato

Gli NVMe non lavorano bene ad alte temperature. Solitamente, i controller iniziano ad andare in throttling una volta superati i 70°C, mentre le celle, nonostante lavorino bene in fase di programmazione/scrittura, tendono a ritenere meglio i dati quando fredde.

Quindi si deve raggiungere un buon equilibrio che permetta al disco di lavorare in maniera efficiente. Questo è possibile o con un PC dal buon airflow, come visto anche in questo nostro articolo, o dotando l’NVMe di un dissipatore dedicato, come nel caso del Corsair MP600 PRO XT mostrato in alto.

Notare i corpi dissipanti per gli NVMe della Gigabyte B650 Aorus Elite AX: uno sopra il primo slot PCIe x16 e i due sottostanti. I corpi dissipanti sono molto importanti e tengono a bada anche gli NVMe più caldi

Molti modelli di schede madri, infatti, montano su almeno 1 slot M.2 con dissipatore incluso, in modo da posizionarlo sopra l’NVMe una volta richiuso. È una soluzione molto comoda perché la scheda madre permette di utilizzare una buona quantità, anche generosa, di massa dissipante che andrà a raffreddare a dovere l’NVMe.

Corsair MP700 Pro con heatsink attivo

La dissipazione, infatti, è diventata cruciale ora più che mai con l’introduzione degli NVMe 2.0 su PCIe 5.0 x4. Questi dispositivi scaldano molto e hanno quasi sempre bisogno di un sistema dissipante, almeno passivo. Non a caso, specialmente per soluzioni High-End, si sono dovute sviluppare delle contromisure abbastanza notevoli, come nel caso della versione con heatsink attivo del Corsair MP700 Pro (disponibile anche in versione normale da dissipare con soluzioni di terze parti o con il sistema di dissipazione della mobo).

Intercompatibilità PCIe

Un’altra cosa importante da sapere è che gli NVMe, essendo dei dispositivi PCIe che lavorano su più linee di bus dati, devono sottostare a questo standard e devono seguire la regola del numero di linee fisiche ed elettriche disponibili sullo slot e, soprattutto, rispettare lo standard interno di comunicazione. Pertanto, se mai vi venisse voglia di far girare, ad esempio, un NVMe PCIe 3.0 x4 in uno slot PCIe 4.0 x2, il dispositivo girerà al massimo a PCIe 3.0 x2!

Quindi tenete bene a mente sia le linee supportate di base dall’NVMe, sia quelle a disposizione nella build e soprattutto quelle dello slot in cui lo andrete ad inserire. Per avere questo dato è opportuno fare sempre riferimento al manuale della scheda madre.

Facendo un esempio pratico, la AsRock B650 PG Lightning mostrata sopra ha 3 slot M.2 per SSD NVMe, di cui uno Gen5 x4, uno Gen4 x4 e uno Gen4 x2 (quello più in basso sotto all’ultimo slot PCIe). Montando, quindi, nell’ultimo slot un classico Samsung 970 Evo Plus, il quale è un SSD NVMe PCIe 3.0 x4, nonostante lo slot sia un PCIe 4.0, lo stesso andrà al massimo a PCIe 3.0 x2! Quindi ricordiamoci, come si dice nel settore, “le linee sono le linee” 🙂

Overprovisioning

Nell’ottica di mantenere stabili nel tempo le performance degli SSD, i produttori sfruttano la tecnica dell’overprovisioning.

Per overprovisioning, si intende quella tecnica secondo la quale il produttore, a livello di programmazione del firmware degli SSD, alloca una parte di spazio del disco stesso a questa pratica. Lo spazio relegato all’overprovisioning non è accessibile all’utente ed è invisibile anche al Sistema Operativo.

Ma a cosa serve nella pratica questo spazio riservato? Prima di rispondere, però, dobbiamo capire come funziona una memoria NAND nello specifico, specialmente nelle sue operazioni di lettura e scrittura.

Poniamo di voler leggere o cancellare dati dalla memoria NAND. L’operazione di lettura viene fatta sulle cosiddette “pagine“, questo perché ogni matrice della memoria è costituita da blocchi che le contengono. Il problema si genera quando bisogna cancellarne il contenuto perché quest’operazione, invece, può essere fatta solo a livello di blocco.

Per via di come è strutturata la memoria NAND, quando la pagina deve essere alterata in qualsiasi modo (modifica o cancellazione) da una pagina già programmata in un blocco, tutto lo stesso, insieme alle pagine, deve essere prima letto in una memoria temporanea e poi cancellato prima di programmare i nuovi contenuti nello stesso indirizzo di allocazione del blocco.

È possibile programmarne direttamente il contenuto, senza dover mettere in atto tutte queste operazioni, solo quando la pagina è già vuota. Quindi riservare una buona quantità di blocchi vuoti, appunto, con l’overprovisioning, garantisce uno snellimento delle operazioni da parte del controller e una minore usura della memoria fisica, anche per via dei principi spiegati in precedenza nella parte dedicata alle Celle.

Più spazio riservato all’overprovisioning abbiamo, più longevità possiamo assumere di poter avere sul disco, anche se va un po’ a discapito della capacità totale. Non a caso ci sono sostanziali differenze tra i valori di overprovisioning tra le varie fasce di prodotti: un disco riservato ad un mercato enterprise, ad esempio, avrà una quota di overprovisioning sempre più alta di un modello consumer, e così via.

Ogni produttore alloca una % di capienza del disco arbitraria per l’overprovisioning, anche se alcuni brand, e su alcune categorie ben specifiche di dischi, permette un’allocazione dinamica e personalizzabile della quota dedicata all’overprovisioning.

Semplificando ulteriormente, la partizione dedicata all’overprovisioning viene usata dal controller dell’SSD come area temporanea che serve a gestire il recupero delle pagine e dei blocchi, i quali vengono aggiunti alla capacità totale dell’overprovisioning per consentire l’esecuzione delle operazioni in scrittura e massimizzare le prestazioni quando ci sono dei picchi di lavoro particolarmente elevati.

Queste operazioni sono anche eseguite dalla cosiddetta funzione di garbage collection del controller dell’SSD, ma sono completamente indipendenti dal Sistema Operativo.

Volendo fare un esempio pratico, la capacità di un SSD NVMe potrebbe essere rilevata dal sistema come di 500 Gigabyte (GB), ma la capacità effettiva potrebbe essere di 500 Gibibyte (GiB). Ogni GiB contiene 73.741.824byte in più rispetto ad un GB, e questo si traduce in approssimativamente il 7,37% di capacità in più. Quel 7,37% viene riservato all’overprovisioning e non farà parte della capacità totale disponibile per il PC, il quale non la vedrà affatto.

Infatti, in questo caso, il PC potrà utilizzare solo ed unicamente 500GB (oppure 465,7GiB, che sarà la capacità reale del disco rilevata, ad esempio, da Windows, ndr). Per calcolare lo spazio di overprovisioning, vi basta detrarre lo spazio usabile sul disco dalla sua capacità fisica totale e dividere il risultato nuovamente per lo spazio usabile sul disco, dopodiché dovrete moltiplicarlo per 100. Il risultato sarà da intendersi in %.

Quindi non vi preoccupate di piccole discrepanze in tal senso una volta installato l’NVMe: è il disco che userà quell’area per assicurare una performance quanto più uniforme possibile durante tutto l’arco del suo funzionamento.

Tier List

È arrivato il momento di mettere i cosiddetti “puntini sulle i”. Abbiamo capito cosa sono e come sono fatti gli SSD NVMe, abbiamo visto anche i controller e le specifiche che ne delineano le prestazioni e abbiamo anche iniziato a capire quali modelli in particolare cadono in alcune categorie, ma facciamo chiarezza.

Dividerò i dischi per le stesse categorie che prima hanno delineato i controller, creando una sorta di Tier List per gli SSD NVMe per i modelli più conosciuti e venduti sul mercato, inclusi alcuni outsider meritevoli di menzione. Quindi avremo i modelli Entry-Level, quelli Mid-Range e, infine, i Top Tier. I Top Tier, a loro volta, saranno divisi in PCIe 4.0 e PCIe 5.0, i quali, dato il balzo di velocità considerevole rispetto ai primi, creano una vera e propria categoria a parte.

Tutte le categorie avranno una separazione dei modelli in DRAM e DRAM-Less e saranno filtrabili e ricercabili in una comoda tabella che riporterà Brand e Modello, Interfaccia, Controller, Metodo di Caching, Velocità in Lettura e Scrittura sequenziali e Categoria.

Quindi, se stiamo cercando, ad esempio, un NVMe Top Tier Gen4, vi basterà scriverlo così di getto “top tier gen4” nella casella alla destra della voce “Cerca” e vi appariranno i risultati desiderato. Allo stesso tempo è possibile concatenare anche la marca o il modello, cercando, ad esempio “samsung top tier“, o anche un modello dal controller particolare, cercando “phison” o “innogrit“, ecc.

Bene, iniziamo!

Conclusioni

Spero che le informazioni riportate qui siano state chiare e dettagliate e che vi abbiano fatto capire l’importanza delle specifiche tecniche degli NVMe.

La scelta che può essere fatta in fase d’acquisto spero non sarà più relegata ad un solo brand o ad una singola esperienza, potendosi basare su dati oggettivi che vi possono dar modo di poter prendere una decisione più consapevole.

Al giorno d’oggi, infatti, specialmente con hardware moderni e da qualche anno a questa parte, gli NVMe Gen4 stanno padroneggiando letteralmente il mercato, e anche a ragione, direi, date le performance in gioco che sono, a mio avviso, già altissime senza scomodare i nuovi e velocissimi Gen5.

Il consiglio di Assemblo Computer rimane quello di leggere e imparare a riconoscere ciò che fa più al caso vostro perché i casi d’uso sono innumerevoli, ma se volete una raccomandazione in linea generale, questa può essere la seguente: associate sempre un buon NVMe con DRAM dedicato al sistema ad un NVMe DRAM-Less come archiviazione per contenere i costi e ottimizzare la spesa, perché nell’uso quotidiano non noterete differenze sostanziali.

Se si è su budget ristretto, invece, anche un singolo DRAM-Less di buona qualità può essere sufficiente, mentre su fasce alte, allora, fintanto che ci siete, NVMe con DRAM su tutto senza tanti problemi 😉

E con questo è tutto, ragazzi. Vi aspetto nei commenti e sui nostri canali Social per qualsiasi dubbio e chiarimento. Un saluto dal vostro Nando di Assemblo Computer 🖖

Tutti i dati relativi alle specifiche tecniche e alle velocità dei singoli dispositivi, al di là delle conoscenze personali, sono stati raccolti consultando le informazioni, le recensioni e le schede prodotto dalle seguenti fonti, nonché dai siti dei singoli produttori:

• https://borecraft.com
• https://nascompares.com
• https://www.storagereview.com
• https://www.tomshardware.com
• https://www.techpowerup.com
• https://www.gamesradar.com
• https://www.techtarget.com
• https://www.enostech.com
• https://www.servethehome.com
• https://theoverclockingpage.com
• https://it.wikipedia.org