Uska grla NVMe tehnologije: kako ih izbjeći prilikom sastavljanja računara

Informatec Digital » Resursi » Uska grla NVMe tehnologije: kako ih izbjeći prilikom sastavljanja računara

Prilikom sastavljanja ili nadogradnje modernog računara, lako se fiksirati na CPU i GPU i previdjeti druge kritične komponente. Međutim, uska grla povezana s NVMe SSD-ovima, PCIe i vanjskim priključcima sve više utječu na performanse u stvarnom svijetu, bilo da se radi o igranju igara, uređivanju videa ili profesionalnim zadacima. Zanimljivo je da se mnoga od ovih uskih grla ne pojavljuju tamo gdje ljudi očekuju.

U ovom članku ćemo smireno objasniti kako nastaju uska grla u NVMe, PCIe, USB i Thunderbolt tehnologijama , šta se dešava kada matičnu ploču napunite s više M.2 diskova, zašto su nasumične brzine važnije nego što se čine i kako izbjeći trošenje novca na kupovinu hardvera koji nikada neće raditi najbolje zbog interfejsa ili ostatka sistema.

Šta je pravo usko grlo (a šta nije)

Koncept "uskog grla" u računaru je toliko prekomjerno korišten i zloupotrebljavan da je izgubio svoje značenje. Usko grlo se javlja kada jedna komponenta jasno ograničava drugu: imate dostupnu snagu u jednom dijelu sistema, ali drugi ne može pratiti tempo, poput sportskog automobila s malim motorom. Uvijek postoji određena neravnoteža, ali pravi problem nastaje kada ta razlika u performansama premaši otprilike 20-25% i postane primjetna u svakodnevnoj upotrebi.

U igrama, gotovo svi smatraju kombinaciju CPU-a i GPU-a glavnim uskim grlom , i to s pravom: ako uparite vrhunsku grafičku karticu s vrlo skromnim procesorom, GPU će čekati da CPU završi svoj posao; ako učinite suprotno, imat ćete prejak procesor za slabu grafičku karticu. Ali osim tog uparivanja, postoje i drugi faktori poput brzine PCIe slota, RAM-a, pohrane i napajanja koji također mogu postati "prečica" kroz koju se gube performanse.

Važan detalj koji mnogi ljudi previđaju je da usko grlo nije fiksna brojka ili magični postotak koji online kalkulator može precizno dati (onih zloglasnih 13,4% koji mnoge plaši). Ono se mijenja ovisno o igri, rezoluciji, grafičkim postavkama, pa čak i pozadinskoj obradi sistema. Stoga su ovi kalkulatori u najboljem slučaju smjernice, ali ne i pouzdana referenca.

CPU, GPU i rezolucija: izvor većine uskih grla

Većina ozbiljnih problema s neravnotežom javlja se kada kombinujete loš procesor i grafičku karticu . Ako je GPU vrlo moćan, a CPU ne može da ga podnese, vidjet ćete da se FPS ne povećava čak ni ako smanjite postavke grafike; ako je obrnuto, imat ćete moćan procesor, ali grafičku karticu koja mnogo brže podbacuje.

Nadalje, ozbiljnost uskog grla ovisi o rezoluciji i vrsti igre . Pri 1080p, opterećenje više pada na CPU, tako da skroman procesor može preopteretiti čak i dobru grafičku karticu. Pri 1440p, a posebno pri 4K, GPU je obično ograničavajući faktor, a relativno skromni procesori prestaju predstavljati tako ozbiljan problem. Igranje jednostavne kompetitivne igre poput Counter-Strikea nije isto što i igranje zahtjevne igre otvorenog svijeta poput Cyberpunka, gdje je opterećenje grafike i memorije ogromno.

Da biste lakše odabrali prave komponente, razuman pristup je uparivanje CPU-a i GPU-a sličnog raspona :

• Niska cijena (za one koji žele potrošiti samo onoliko koliko je neophodno): i3 ili Ryzen 3 zajedno sa skromnim grafičkim karticama, koje ne prelaze RTX 3050 ili ranije ekvivalente.
• Srednji raspon („idealna tačka“): i5 / Ultra 5 ili Ryzen 5 sa grafičkim karticama poput RTX 4060 Ti, RTX 5070 ili sličnim AMD-ovim.
• Vrhunski (entuzijasti): moćni procesori poput Ryzen X3D ili Intel Ultra 7/9 s grafičkim procesorima poput RTX 5080, 5090 i ekvivalentima.

Najveća greška je miješanje procesora početnog nivoa sa grafičkom karticom za entuzijaste ili izuzetno skupog CPU-a sa vrlo slabom grafičkom karticom. U oba slučaja plaćate snagu koju nikada nećete vidjeti na ekranu jer jedna komponenta očigledno ograničava drugu.

Uska grla povezana s PCIe i interni M.2 slotovi

Kada govorimo o NVMe SSD-ovima, koncept uskog grla postaje uveliko ovisan o verziji PCIe magistrale i načinu na koji matična ploča dodjeljuje linije . Svaki M.2 PCIe x4 slot treba četiri linije da bi radio punim performansama, a ove linije potiču od procesora i čipseta, koji se pak međusobno povezuju putem DMI veze (na Intel platformama) ili slične veze na AMD platformama.

Tipičan primjer su matične ploče koje nude dva M.2 slota, kao što je MSI X470 Gaming Plus Max ili slični modeli: M2_1 slot je povezan s procesorom i podržava PCIe 3.0 x4, dok M2_2 slot ovisi o čipsetu i ograničen je na PCIe 2.0 x4 ili čak može dijeliti propusni opseg sa SATA portovima ili drugim slotovima. Ako instalirate dva NVMe PCIe 3.0 x4 diska, onaj u M2_2 slotu će imati manji maksimalni sekvencijalni kapacitet performansi jednostavno zato što je interfejs sporiji.

U ovim scenarijima, mnogi korisnici se pitaju da li NVMe PCIe 3.0 x4 SSD "zagušuje" brzinu kada je povezan na PCIe 2.0 x4 slot ili čipset sa manjim propusnim opsegom . Odgovor je da, u čisto sekvencijalnim operacijama čitanja i pisanja, postoji teorijska razlika u maksimalnoj brzini, ali u praksi, za zadatke poput igranja ili opšte upotrebe, većinu vremena nećete primijetiti dramatičnu promjenu, osim kontinuiranog kopiranja vrlo velikih datoteka.

Kada razmatrate istovremeno instaliranje više NVMe diskova, na primjer, tri M.2 Gen3 x4 diska na matičnu ploču Z490, nekoliko faktora dolazi u obzir: linije svakog PCIe slota, linije čipseta i kapacitet DMI 3.0 interfejsa koji povezuje CPU i čipset. Iako svaki NVMe disk može koristiti do četiri linije, DMI obično također nudi ukupno četiri linije, tako da svi diskovi povezani na čipset dijele istu vezu sa CPU-om.

To znači da ako instalirate dva M.2 diska u slotove za čipset i još jedan NVMe disk u PCIe x4 adapter povezan na slot koji zavisi od čipseta, teoretski biste mogli zasititi DMI vezu ako sva tri SSD-a rade istovremeno maksimalnom sekvencijalnom brzinom . Međutim, evo ključne stvari: u stvarnoj upotrebi, vrlo je rijetko imati tri NVMe diska koja istovremeno pomjeraju propusni opseg do krajnjih granica uz kontinuirane transfere; obično je usko grlo mnogo manje primjetno nego što teorijske brojke sugeriraju.

Stoga, čak i na matičnim pločama gdje DMI može izgledati kao usko grlo, korištenje više NVMe diskova ostaje korisno, posebno u radnim procesima poput uređivanja videa s odvojenim diskovima za sistem, medije, projekte i keš memoriju . Svaki disk dijeli opterećenje čitanja i pisanja i smanjuje konkurenciju za IOPS, iako svi dijele istu konačnu vezu s CPU-om.

Sekvencijalne naspram nasumičnih brzina na NVMe: zašto vaš SSD ne radi onako kako je radio odmah nakon instalacije

Mnogi ljudi se fokusiraju isključivo na velike brojke na SSD kutiji: 3.500 MB/s, 7.000 MB/s, itd. To su maksimalne sekvencijalne brzine , obično mjerene u idealnim uslovima, s dugim redovima čekanja i vrlo velikim datotekama. Sintetički benchmarkovi poput CrystalDiskMarka koriste se za njihovo poređenje, ali oni imaju tendenciju da naglase ovaj aspekt performansi, ponekad nerealno u poređenju sa svakodnevnom upotrebom.

Međutim, percipirana glatkoća sistema, a u mnogim slučajevima i stvarne performanse u igrama ili prilikom učitavanja projekata, mnogo više zavise od nasumičnih operacija čitanja i pisanja (IOPS) nego od sekvencijalnih brojki. Tu do izražaja dolaze SSD kontroler, tip i kvalitet NAND fleš memorije, broj slojeva, arhitektura kanala i prisustvo ili odsustvo namenske DRAM memorije.

NVMe disk sa dobrim PCIe 3.0 x4 interfejsom može dostići maksimalnu brzinu magistrale za sekvencijalno čitanje , ali nasumična čitanja su ograničena njegovom internom arhitekturom. Čak i ako ga stavite u PCIe 4.0 slot, brzine nasumičnog čitanja i pisanja se neće magično poboljšati; elektronika SSD-a i kvalitet NAND fleš memorije određuju performanse, a ne teorijski propusni opseg veze.

Na primjer, NVMe disk niske do srednje klase može reklamirati oko 1.000K IOPS za nasumična čitanja , što se prevodi u oko 65-66 MB/s efektivnih MB/s za male blokove. Za nasumična pisanja, 900K IOPS odgovara oko 58 MB/s. Ove vrijednosti mogu izgledati niske u poređenju sa hiljadama MB/s sekvencijalnog čitanja, ali su sasvim normalne za određene cjenovne rangove i, zapravo, pružaju više nego dovoljne performanse za kućnu upotrebu i igranje.

Jedan od najvažnijih faktora ovdje je da li SSD nema DRAM (bez namjenskog DRAM-a) ili ne. Na mnogim diskovima bez DRAM-a, nasumične i održive performanse pod opterećenjem opadaju ranije, posebno kada je interna SLC keš memorija iscrpljena. Ovaj pad nema nikakve veze s tim da li ga povezujete na PCIe 3.0 ili 4.0; to je jednostavno ograničenje dizajna namijenjeno smanjenju troškova i objašnjava mnoge slučajeve sporih SSD-ova u Windowsu 11.

Stoga je prilikom mjerenja i poređenja pouzdanije koristiti alate koje sami proizvođači vrhunskih SSD-ova koriste kao referencu, kao što je ATTO Disk Benchmark , umjesto pretjeranog korištenja testova koji uključuju vrlo teške operacije pisanja i mogu skratiti vijek trajanja diska. Svako pokretanje određenih benchmarkova može rezultirati desetinama gigabajta zapisanih u ćelije, nešto što ne bi trebalo stalno ponavljati samo radi toga.

Interni NVMe interfejsi u odnosu na eksterne veze: USB, Thunderbolt i stvarna ograničenja

Još jedno područje zabrinutosti su uska grla koja se mogu pojaviti pri korištenju SSD-ova kao eksternih diskova , bilo zato što kupujemo postojeći eksterni model ili zato što spajamo interni (SATA ili NVMe) putem USB ili Thunderbolt adaptera. U ovom slučaju, kombinacija interfejsa SSD-a i interfejsa adaptera određuje da li gubimo performanse.

Što se tiče SSD diskova, u osnovi imamo dvije porodice: SATA III diskove , s teorijskim ograničenjem od oko 600 MB/s, i NVMe diskove preko PCIe , gdje Gen 3x4 diskovi postižu maksimalnu brzinu čitanja od oko 3.500 MB/s, a Gen 4x4 diskovi mogu dostići oko 7.000-7.800 MB/s pod idealnim uslovima. Drugim riječima, NVMe diskovi nude nekoliko puta veće performanse od SATA diskova.

Ali kada ih izvadite iz kutije, na scenu stupaju standardi poput USB 3.0, 3.1, 3.2, USB 4 ili Thunderbolt 3 i 4 , s brzinama u rasponu od 5 Gbps (oko 600 MB/s) do 40 Gbps (oko 5 GB/s efektivno). Ako povežete SATA III SSD na 5 Gbps USB 3.0 adapter, postavka je dobro uravnotežena: sam SATA će vas ograničiti prije USB-a, tako da je jeftini 5 Gbps adapter dovoljan da izvuče gotovo puni potencijal diska.

S druge strane, ako instalirate vrlo brzi NVMe PCIe 3.0 ili 4.0 SSD u adapter koji nudi samo, na primjer, 10 Gbps (1,25 GB/s) USB 3.1 , ozbiljno ćete ograničiti njegov maksimalni sekvencijalni protok, jer eksterna magistrala znatno zaostaje za onim što NVMe disk može pružiti. Sa 20 Gbps (2,5 GB/s) USB 3.2, stvari se poboljšavaju, ali ćete i dalje biti daleko od performansi vrhunskog Gen4x4 diska.

Isto važi i za Thunderbolt 3 i 4, koji rade na 40 Gbps (oko 5 GB/s u stvarnoj upotrebi) . Iako vas ovo približava brzinama NVMe Gen4, i dalje je donekle ispod teorijskog maksimuma najbržih modela. Stoga, kupovina skupog NVMe PCIe 4.0 SSD-a za isključivo korištenje kao eksternog diska može biti upitna ovih dana: nećete moći u potpunosti iskoristiti njegove mogućnosti dok su eksterni interfejsi ograničeni na 40 Gbps.

Situacija će se promijeniti sa standardima poput Thunderbolt 5, koji cilja na 80 Gbps , ali danas je najrazumnija stvar upariti "svaku ovcu sa njenim partnerom": SATA SSD-ove sa USB 3.0 ako želite nešto ekonomično, NVMe Gen3 sa USB 3.1/3.2 ili Thunderbolt ako tražite nešto brže, a najsnažnije NVMe Gen4 diskove rezervirajte za internu upotrebu, gdje se mogu koristiti bez toliko ograničenja.

Različiti NVMe M.2 diskovi za video montažu: da li se koriste ili su ograničeni?

Vrlo uobičajen scenario za profesionalce i kreatore sadržaja je želja za nekoliko NVMe SSD-ova posvećenih različitim zadacima : jedan za operativni sistem i programe, drugi za sirove video datoteke, treći za projekte i biblioteke, a četvrti za keš memoriju, audio vršne vrijednosti ili druge privremene datoteke. Ova organizacija ima mnogo smisla u softveru za uređivanje jer odvaja tokove čitanja i pisanja i smanjuje konkurenciju na istom disku.

Tipično pitanje je da li instaliranje tri ili četiri NVMe diska na matičnu ploču može otežati rad GPU-a ili samih diskova. Na platformi poput Z490 sa 10700K, na primjer, mogli biste koristiti dva integrisana M.2 slota i PCIe x4 adapter za dodavanje još jednog M.2 SSD-a . Raspodjela traka bi izgledala otprilike ovako: jedan puni PCIe x16 slot za GPU, još jedan fizički PCIe x16 slot koji radi na x4 za M.2 adapter i dva M.2 slota povezana na čipset.

Na papiru, čipset i DMI veza imaju maksimalno četiri PCIe 3.0 linije, što ograničava kombinovani saobraćaj između svih povezanih uređaja: M.2, SATA portova, USB-a, itd. Ako bi svi NVMe diskovi i čipset uređaji obavljali sekvencijalne transfere punom brzinom istovremeno, mogli biste doći do tačke u kojoj tri NVMe diska zajedno ne bi bila brža od jednog NVMe diska koji radi punim kapacitetom , jer biste dostigli ograničenje propusnosti DMI-a.

Ali u praksi, u video montaži i kreativnom radu, pristup disku je raznovrsniji: postoji mnogo čitanja i pisanja datoteka, skokova, malih nasumičnih pristupa, djelomičnih renderiranja... Ne radi se toliko o tri diska sa konstantnom brzinom od 3.000 MB/s, već o distribuciji I/O redova na nekoliko diskova . To znači da, iako dijele istu konačnu vezu, sistem se čini glatkijim, ima manje vremena čekanja i softver može efikasnije paralelizovati zadatke.

Na novijim platformama poput Z690 i novijih, alokacija traka i interfejs CPU-čipset su poboljšani, što dodatno otežava preopterećenje sistema s više NVMe diskova. Ali čak i ako vaša matična ploča nije najnoviji model, posjedovanje tri odvojena NVMe diska obično je prednost u odnosu na jedan veliki za složene radne procese. Važno je prihvatiti da ukupno ograničenje postoji i da teorijske marketinške brojke rijetko odražavaju stvarnu upotrebu.

Druga uska grla koja utiču na ukupne performanse računara

Dok se fokusiramo na NVMe i pohranu podataka, ne smijemo zaboraviti ni druge elemente koji također mogu postati značajna uska grla. Na primjer, PCI Express slot na koji spajate GPU je važan: moderna kartica dizajnirana za PCIe 4.0 montirana na matičnu ploču koja nudi samo PCIe 3.0 može izgubiti neke bodove performansi, a ako je spojite na x8 ili x4 umjesto x16, utjecaj može biti još veći ovisno o modelu.

RAM je još jedan klasičan faktor: ovih dana, 8 GB je očigledno zastarjelo za glatko igranje i rad. 16 GB je i dalje dovoljno za mnoge korisnike, ali je sve manje dovoljno za teški multitasking i zahtjevne igre. Trenutna idealna vrijednost je 32 GB RAM-a za one koji žele sistem bez kašnjenja, posebno ako su brzina i latencija također dobre (ključno za platforme poput Ryzena).

Napajanje također može biti pravo usko grlo, iako se ponekad zanemaruje. Ako GPU zahtijeva vršnu snagu od 300W , a napajanje je ne može stabilno isporučiti, kartica bi se mogla usporiti, zastajkivati ​​ili čak srušiti i ponovo pokrenuti. Na neki način, to je "električno usko grlo": hardver bi mogao bolje raditi, ali napajanje ne može to održati.

Što se tiče pohrane, nastavak korištenja mehaničkih HDD-ova za igranje ili zahtjevne projekte stalan je izvor beskonačnog vremena učitavanja i zastoja, posebno kada igra ili softver trebaju učitati teksture ili video isječke u hodu. Prelazak na barem SATA SSD već je ogroman skok, a prelazak na NVMe eliminira gotovo sva ograničenja vremena učitavanja za većinu kućne upotrebe.

Konačno, sama matična ploča i njen kvalitet izrade također igraju ulogu: osrednji VRM-ovi, loše implementiran BIOS, neadekvatan raspored PCIe traka ili ograničena kompatibilnost s određenim frekvencijama RAM-a mogu negativno utjecati na ukupne performanse, čak i ako su ostale komponente dobre. Nije vizualno toliko upečatljiva kao GPU, ali odabir prave matične ploče može spriječiti mnoge glavobolje u budućnosti.

Sveukupno, razumijevanje načina dodjele PCIe linija, ograničenja veza poput DMI-a, ponašanja različitih eksternih interfejsa (USB, Thunderbolt) i istinske važnosti IOPS-a i nasumičnih brzina omogućava donošenje mnogo informiranijih odluka o kupovini. Ne radi se o opsesiji savršenim brojkama, već o izbjegavanju plaćanja za performanse koje, zbog dizajna sistema, nikada nećete moći iskoristiti. U konačnici, trik je izgraditi uravnotežen sistem: CPU i GPU iz sličnih raspona, dovoljno RAM-a, dobro napajanje, NVMe SSD-ovi tamo gdje zaista prave razliku i veze koje ne ograničavaju potencijal hardvera.