天硕航天级星载固态硬盘性能实测
随着商业航天产业进入规模化、智能化发展阶段，卫星平台的数据处理需求正在快速提升。对于星载固态存储器而言，在满足空间环境适应性和长期在轨可靠性要求的基础上，更高的数据读写带宽也已经是不可忽视的新需求。特别是在遥感数据高速缓存、星上数据处理及算力卫星等应用中，存储系统必须高速地完成数据写入、读取与交换，才能为上层载荷和计算系统提供稳定的数据支撑。
天硕 (TOPSSD) 联合具备专业资质的硬件测试机构，对其航天级 XMC-C 型星载固态硬盘 640GB (pSLC 模式) 进行了一系列性能测试。该型产品采用 PCIe 3.0 x4 高速接口，支持 NVMe 1.4 协议。本次测试重点考察其顺序读写、随机 I/O、访问延迟、不同数据块性能以及持续高负载条件下的带宽稳定性。
从测试结果来看，该型产品 CrystalDiskMark 顺序读取达到 3636.07MB/s、顺序写入达到 3384.12MB/s，4K 高队列随机读写均超过 80 万 IOPS；AS SSD 测试读取访问时间为 0.014ms、写入访问时间为 0.085ms。在 FIO 连续 600 秒高负载测试中，平均读取带宽达到 3586MB/s、性能波动仅 0.03%，平均写入带宽达到 3267MB/s、性能波动为 0.61%。
上述测试结果表明，该型 XMC 星载固态硬盘不仅具备较高的峰值数据吞吐能力，在持续高负载条件下同样能够保持 3GB/s 以上的稳定读写带宽。对于正在向高速化、数据密集化发展的星载数据存储、遥感载荷处理及星上计算应用而言，持续稳定的性能和高带宽能够为大规模数据在轨存储、调用和处理提供更高效的存储支撑。
一、引言
新一代智能卫星、算力卫星以及空间信息基础设施正在向“星上感知、星上计算、星上决策”的方向演进。
对于这些新型空间应用而言，存储系统是连接传感器、计算单元以及通信链路的重要基础设施。
一方面，遥感影像、视频数据、科学探测数据等任务数据具有数据量大、连续写入时间长等特点；另一方面，星上计算任务又需要频繁访问模型参数、中间计算结果以及任务日志，对存储设备的随机访问性能、响应速度和持续运行能力提出了更高要求。
天硕航天级星载固态存储器，正是在上述需求趋势下设计的一系列商业航天应用存储产品。该系列存储器使用 PCIe Gen3×4 的高速接口，提供了 M.2、U.2、XMC、BGA 多种形态，目前相关产品最大的容量可以达到 8TB。
产品以自研主控和自主固件为基础，在数据管理、性能优化和故障恢复等环节设置了多层机制。
本次我们通过多种专业存储测试工具，对该系列中的 X55S XMC-C 型星载固态存储模组的实际性能表现进行了验证，并将结合典型星载应用的需求，对其性能特点进行分析。
二、样品基础信息与状态
本次测试样品为：TOPSSD X55S XMC-C 型星载固态存储模组，核心配置如下：
从配置上看，这是一套定位明确的星载存储方案。它采用天硕自研的抗辐照主控，同时采用 XMC-C 型加固模块形态。相比常见的 SSD 外形，XMC 更强调模块化连接和平台适配，更符合星载计算机、载荷处理单元等设备的系统集成方式。
接下来使用 CrystalDiskInfo 查看测试盘的基本状态。
从 CrystalDiskInfo 识别结果来看，测试样品容量为 640.1GB，接口类型为 NVM Express，当前传输模式为 PCIe 3.0×4，协议标准为 NVMe 1.4 ，与产品的设计规格相吻合。
测试时样品健康状态显示为 100%，温度为 32℃。同时，S.M.A.R.T. 信息中媒体与数据完整性错误计数为 0，错误日志项数为 0，说明样品在进行后续性能测试前处于正常工作状态。
从接口规格来说，这是一套相当明确的 PCIe 3.0 高速存储方案。不过对于固态存储器而言，接口带宽只是上限。真正重要的是：这块盘能不能把这些带宽持续、稳定地利用起来。
三、测试平台与环境
为了尽可能保证测试结果的一致性和可复现性，本次测试在固定硬件平台及软件环境下完成，具体平台配置如下：
四、速度性能测试结果
4.1 CrystalDiskMark
先看大家比较熟悉的 CrystalDiskMark。
它可以通过不同数据块大小、队列深度及线程组合，观察存储设备的顺序与随机读写能力。
本次分别记录 MB/s 与 IOPS 两组结果。
测试中，天硕 XMC 星载固态硬盘顺序读取达到 3636.07MB/s，顺序写入达到 3384.12MB/s。
另一组 128KB 顺序测试中，读取为 3329.65MB/s，写入达到 3416.95MB/s。
从结果来看，这块盘已经基本把 PCIe 3.0 x4 的有效带宽发挥到了较高水平。
对于遥感载荷、高速相机和其他大数据量星载设备来说，顺序性能直接关系到大量任务数据能否及时写入存储系统，也会影响后续数据读取、处理和下传。
而随机性能则更进一步地体现出了 SSD 主控和固件对复杂 I/O 任务的处理能力，在 4K Q32T16 下，随机读取达到了 804,925 IOPS，随机写入也达到了 817,089 IOPS。
即便降低了到 4K Q1T1 的低队列访问状态下，随机读取仍然可以达到大约 16,377 IOPS，随机写入也可以达到约 58,129 IOPS（即 67.08MB/s 和 238.09MB/s）。
也就是说，这块盘不但擅长于“大块数据搬运”，面对频繁小块的数据访问也同样具有较强的能力。
4.2 AS SSD Benchmark
AS SSD Benchmark 采用的是不可压缩的数据来进行测试的，在对 SSD 的主控、固件以及 NAND 综合的能力要求上会相对更高一些。
测试结果显示：
顺序读取 3230.73MB/s，顺序写入 3254.50MB/s；4K 读取 64.26MB/s，写入 221.31MB/s；4K-64 线程读取 2244.12MB/s，写入 2866.96MB/s。最终读取评分 2631，写入评分 3414，综合得分达到 7394 分。
不过，对星载存储来说，比综合分数更值得关注的其实是访问延迟。
本次测试中，读取访问时间仅 0.014ms，写入访问时间为 0.085ms。
低延迟的价值，在任务系统里非常直接。
当星上计算单元、载荷处理设备持续产生数据时，如果SSD 频繁出现较长的 I/O 等待，即使理论峰值速度很高，也可能在整个数据处理链路中形成的“堵点”。
因此，高带宽与低延迟同时存在，才更有利于建立稳定的数据吞吐能力。
4.3 ATTO
卫星上的数据并不会永远以同一种尺寸出现。
不同载荷、文件系统以及数据处理流程，会产生大小不一的 I/O 请求。因此，我们又使用 ATTO，对 512B 到 64MB 不同数据块进行完整扫描。
测试结果可以看到一个非常清晰的性能爬升过程。
在较小的数据块下，SSD 吞吐量随 Block Size 迅速增加：4KB 时，读取约 675MB/s，写入约 636MB/s；8KB 时，读写已经达到约 1.2GB/s；16KB 时，写入达到约 2.32GB/s；32KB 时，写入达到约 3.20GB/s；到 64KB 以后，性能基本进入稳定区间。
此后一直到 64MB 大数据块，读取长期保持在约 3.47～3.48GB/s，写入则基本保持在 3.18～3.21GB/s。
这组结果的意义并不只是“速度高”。
更重要的是，当数据块进入正常的大吞吐区间后，性能曲线没有随着块大小变化产生明显起伏，而是迅速形成了一个相对稳定的平台。
对于I/O 类型复杂、数据尺寸不断变化的星载任务来说，这意味着存储系统更容易提供可预测的性能输出。
尤其是连续遥感数据、图像数据、雷达数据或科学载荷原始数据，实际传输通常以较大的块进行组织，因此 ATTO 在 64KB 以上区域所表现出的稳定吞吐能力，对这类应用具有比较直接的参考意义。
4.4 FIO
相比 CrystalDiskMark、AS SSD 和 ATTO 等偏向快速性能评估的测试软件，FIO 更适合根据实际需求持续时间更长、负载参数更明确的 I/O 测试。
简单来说，前面的软件主要是在测试“这块 SSD 能够跑多快”，而 FIO 持续压力测试考察的则是另一件事：“它能不能一直这么跑？”
本次 FIO 测试采用 1MiB 数据块、iodepth=32、numjobs=1，连续运行 600 秒，分别测试持续读取和持续写入性能。
连续读取测试中：
平均带宽 3586MB/s，带宽标准差约为均值的 0.03%，P99.99 达到 3590MB/s。
连续写入测试中：
平均带宽 3267MB/s，带宽标准差约为均值的 0.61%，P99.99 达到 3299MB/s。
600 秒，也就是整整 10 分钟的持续高负载运行。
相比某一个瞬间出现 3600MB/s 甚至是更高，这一组的结果对于星载应用来说显然更有参考意义。
读取平均速度和峰值区域非常接近，并且 0.03% 的波动幅度几乎可以忽略不计；而写入则是在长时间持续的压力之下依旧保持着 3.2GB/s 以上的水平，在整个过程中波动也处于很小范围之内。
换句话说，这块 SSD 表现出的并不是“偶尔能跑得很快”而是能够在很长一段时间内都处在自己高速的工作区间内。
这也是高可靠存储跟普通的性能跑分之间的一个重要区别：当星载设备进入到任务阶段之后，数据可能会持续不断的进入存储系统中，这时候真正的需要的是不是几秒钟的爆发性能，而是几百秒、甚至更长的时间里都能给上层系统提供相对稳定的带宽。
从这次 FIO 数据来看，天硕 XMC 星载固态硬盘的持续性能的一致性是相当出色的。
4.5 TxBENCH
为了避免单一软件测试机制带来的偏差，我们还进行了 TxBENCH 测试。
在 2048KB、QD32 顺序测试中，读取达到 3750.167MB/s，写入达到 3230.198MB/s。
在 2048KB、QD1 随机测试中，读取为 2716.978MB/s，写入达到 3189.854MB/s。
4K QD1 读取 64.962MB/s、写入 215.709MB/s；提升至 QD32 后，4K 读取达到 454.214MB/s，写入 421.568MB/s。
将 TxBENCH 与 CDM、AS SSD、ATTO 的数据放在一起观察，可以发现一个比较明显的特征：不同测试工具、不同数据模型下，天硕 XMC 星载固态硬盘的大块顺序性能始终处在 3GB/s 以上的高速区间。
与此同时，TxBENCH 测得的 4K QD1 读取 64.962MB/s、写入 215.709MB/s，与 AS SSD 的 64.26MB/s、221.31MB/s 也非常接近。
这说明本次测试得到的高带宽和小块访问能力并不是某一种 Benchmark 算法下偶然出现的单点成绩，而是在不同测试环境中表现出了较好的重复性。
五、星载 SSD 真正需要的，是“可预期的性能”
消费级 SSD 的评测，经常关注谁的峰值更高。但到了航天应用，这套逻辑需要稍微改变一下。卫星不是为了跑 Benchmark 而设计的。
真正进入轨道以后，存储系统面对的是长时间运行、持续数据写入、不同数据块、高并发访问，以及大量无法人工干预的工作状态。
因此，对星载 SSD 而言，最高速度很重要，但持续性能、一致性和低延迟同样重要。
从这次测试可以看出天硕 XMC 星载固态硬盘有几个比较清晰的性能特征：
高速。CDM 顺序读取超过 3.6GB/s, TxBENCH 最高读取达到 3.75GB/s 能够充分地利用 PCIe 3.0 x4 的链路。
高并发。4K 随机读写都可以突破 80 万 IOPS，可以给复杂的数据访问以及星上的多任务处理提供了较好的 I/O 基础。
低延迟。AS SSD 实测读取访问时间为 0.014ms 写入 0.085ms 较低的响应时间能够减少存储环节对于上层任务处理造成的等待。
性能覆盖范围宽。ATTO 从 512B 到 64MB 当数据块进入到大吞吐区间以后，读写性能快速进入了稳定的平台。
最关键的还是持续稳定，在连续 600 秒的 FIO 中，读取平均 3586MB/s 波动 0.03%，写入平均 3267MB/s 波动 0.61%, 性能不是只在开始的几秒钟里漂亮，而是持续的压力下依然保持着高度的一致性。
六、总结
当然，一组存储性能测试，并不能代表航天级 SSD 的全部能力。
真正的星载固态存储，还必须面对温度、振动、冲击、真空以及空间辐射等等环境因素。
而本文展现的这组跑分数据所解决的，只是这其中最基础、也最容易量化的：当大量的任务数据真正到来的时候，天硕这套存储系统能不能持续、稳定地运行？
从这次 640GB XMC 星载固态硬盘的实测结果看来，答案已经相当清晰了。
对星载存储来说，3.6GB/s 峰值的速度已经够醒目；但是真正有工程价值的，是长时间的高负载之后，它依然稳定的工作在自己的高速区间里。
