文章摘要：

隨著商業航天產業進入規模化、速讀智能化發展階段，寫秒性衛星平台的持續開雲登入口數據處理需求正在快速提升。對於星載固態存儲器而言，穩定在滿足空間環境適應性和長期在軌可靠性要求的天碩基礎上，更高的速讀數據讀寫帶寬也已經是不可忽視的新需求。特別是寫秒性在遙感數據高速緩存、星上數據處理及算力衛星等應用中，持續存儲係統必須高速地完成數據寫入、穩定讀取與交換，天碩才能為上層載荷和計算係統提供穩定的速讀數據支撐。

天碩 (TOPSSD) 聯合具備專業資質的寫秒性硬件測試機構，對其航天級 XMC-C 型星載固態硬盤 640GB (pSLC 模式) 進行了一係列性能測試。持續該型產品采用 PCIe 3.0 x4 高速接口，穩定支持 NVMe 1.4 協議。天碩本次測試重點考察其順序讀寫、隨機 I/O、訪問延遲、不同數據塊性能以及持續高負載條件下的帶寬穩定性。

從測試結果來看，該型產品 CrystalDiskMark 順序讀取達到3636.07MB/s、順序寫入達到3384.12MB/s，4K 高隊列隨機讀寫均超過 80 萬 IOPS；AS SSD 測試讀取訪問時間為0.014ms、寫入訪問時間為0.085ms。在 FIO 連續 600 秒高負載測試中，平均讀取帶寬達到 3586MB/s、性能波動僅 0.03%，平均寫入帶寬達到 3267MB/s、性能波動為 0.61%。

上述測試結果表明，該型 XMC 星載固態硬盤不僅具備較高的峰值數據吞吐能力，在持續高負載條件下同樣能夠保持3GB/s 以上的開雲登入口穩定讀寫帶寬。對於正在向高速化、數據密集化發展的星載數據存儲、遙感載荷處理及星上計算應用而言，持續穩定的性能和高帶寬能夠為大規模數據在軌存儲、調用和處理提供更高效的存儲支撐。

一、引言

新一代智能衛星、算力衛星以及空間信息基礎設施正在向“星上感知、星上計算、星上決策”的方向演進。

對於這些新型空間應用而言，存儲係統是連接傳感器、計算單元以及通信鏈路的重要基礎設施。

一方麵，遙感影像、視頻數據、科學探測數據等任務數據具有數據量大、連續寫入時間長等特點；另一方麵，星上計算任務又需要頻繁訪問模型參數、中間計算結果以及任務日誌，對存儲設備的隨機訪問性能、響應速度和持續運行能力提出了更高要求。

天碩航天級星載固態存儲器，正是在上述需求趨勢下設計的一係列商業航天應用存儲產品。該係列存儲器使用PCIe Gen3 x 4 的高速接口，提供了M.2、U.2、XMC、BGA 多種形態，目前相關產品最大的容量可以達到8TB。

產品以自研主控和自主固件為基礎，在數據管理、性能優化和故障恢複等環節設置了多層機製。

本次草莓视频香蕉视频通過多種專業存儲測試工具，對該係列中的 X55S XMC-C 型星載固態存儲模組的實際性能表現進行了驗證，並將結合典型星載應用的需求，對其性能特點進行分析。

二、樣品基礎信息與狀態

本次測試樣品為：TOPSSD X55S XMC-C 型星載固態存儲模組，核心配置如下：

從配置上看，這是一套定位明確的星載存儲方案。它采用天碩自研的抗輻照主控，同時采用XMC-C 型加固模塊形態。相比常見的 SSD 外形，XMC 更強調模塊化連接和平台適配，更符合星載計算機、載荷處理單元等設備的係統集成方式。

接下來使用 CrystalDiskInfo 查看測試盤的基本狀態。

從 CrystalDiskInfo 識別結果來看，測試樣品容量為640.1GB，接口類型為 NVM Express，當前傳輸模式為 PCIe 3.0×4，協議標準為NVMe 1.4 ，與產品的設計規格相吻合。

測試時樣品健康狀態顯示為 100%，溫度為32℃。同時，S.M.A.R.T. 信息中媒體與數據完整性錯誤計數為 0，錯誤日誌項數為 0，說明樣品在進行後續性能測試前處於正常工作狀態。

從接口規格來說，這是一套相當明確的 PCIe 3.0 高速存儲方案。不過對於固態存儲器而言，接口帶寬隻是上限。真正重要的是：這塊盤能不能把這些帶寬持續、穩定地利用起來。

三、測試平台與環境

為了盡可能保證測試結果的一致性和可複現性，本次測試在固定硬件平台及軟件環境下完成，具體平台配置如下：

四、速度性能測試結果

4.1 CrystalDiskMark

先看大家比較熟悉的 CrystalDiskMark。

它可以通過不同數據塊大小、隊列深度及線程組合，觀察存儲設備的順序與隨機讀寫能力。

本次分別記錄 MB/s 與 IOPS 兩組結果。

測試中，天碩 XMC 星載固態硬盤順序讀取達到3636.07MB/s，順序寫入達到3384.12MB/s。

另一組 128KB 順序測試中，讀取為3329.65MB/s，寫入達到3416.95MB/s。

從結果來看，這塊盤已經基本把 PCIe 3.0 x4 的有效帶寬發揮到了較高水平。

對於遙感載荷、高速相機和其他大數據量星載設備來說，順序性能直接關係到大量任務數據能否及時寫入存儲係統，也會影響後續數據讀取、處理和下傳。

而隨機性能則更進一步地體現出了 SSD 主控和固件對複雜 I/O 任務的處理能力，在 4K Q32T16 下，隨機讀取達到了 804,925 IOPS，隨機寫入也達到了 817,089 IOPS。

即便降低了到 4K Q1T1 的低隊列訪問狀態下，隨機讀取仍然可以達到大約 16,377 IOPS，隨機寫入也可以達到約 58,129 IOPS（即 67.08MB/s 和 238.09MB/s）。

也就是說，這塊盤不但擅長於“大塊數據搬運”，麵對頻繁小塊的數據訪問也同樣具有較強的能力。

4.2 AS SSD Benchmark

AS SSD Benchmark 采用的是不可壓縮的數據來進行測試的，在對 SSD 的主控、固件以及 NAND 綜合的能力要求上會相對更高一些。

測試結果顯示：

順序讀取 3230.73MB/s，順序寫入3254.50MB/s；4K 讀取 64.26MB/s，寫入 221.31MB/s；4K-64 線程讀取 2244.12MB/s，寫入 2866.96MB/s。最終讀取評分 2631，寫入評分 3414，綜合得分達到 7394 分。

不過，對星載存儲來說，比綜合分數更值得關注的其實是訪問延遲。

本次測試中，讀取訪問時間僅 0.014ms，寫入訪問時間為0.085ms。

低延遲的價值，在任務係統裏非常直接。

當星上計算單元、載荷處理設備持續產生數據時，如果SSD 頻繁出現較長的 I/O 等待，即使理論峰值速度很高，也可能在整個數據處理鏈路中形成的“堵點”。

因此，高帶寬與低延遲同時存在，才更有利於建立穩定的數據吞吐能力。

4.3 ATTO

衛星上的數據並不會永遠以同一種尺寸出現。

不同載荷、文件係統以及數據處理流程，會產生大小不一的 I/O 請求。因此，草莓视频香蕉视频又使用 ATTO，對 512B 到 64MB 不同數據塊進行完整掃描。

測試結果可以看到一個非常清晰的性能爬升過程。

在較小的數據塊下，SSD 吞吐量隨 Block Size 迅速增加：4KB 時，讀取約 675MB/s，寫入約 636MB/s；8KB 時，讀寫已經達到約 1.2GB/s；16KB 時，寫入達到約 2.32GB/s；32KB 時，寫入達到約 3.20GB/s；到 64KB 以後，性能基本進入穩定區間。

此後一直到 64MB 大數據塊，讀取長期保持在約3.47～3.48GB/s，寫入則基本保持在3.18～3.21GB/s。

這組結果的意義並不隻是“速度高”。

更重要的是，當數據塊進入正常的大吞吐區間後，性能曲線沒有隨著塊大小變化產生明顯起伏，而是迅速形成了一個相對穩定的平台。

對於I/O 類型複雜、數據尺寸不斷變化的星載任務來說，這意味著存儲係統更容易提供可預測的性能輸出。

尤其是連續遙感數據、圖像數據、雷達數據或科學載荷原始數據，實際傳輸通常以較大的塊進行組織，因此 ATTO 在 64KB 以上區域所表現出的穩定吞吐能力，對這類應用具有比較直接的參考意義。

4.4 FIO

相比 CrystalDiskMark、AS SSD 和 ATTO 等偏向快速性能評估的測試軟件，FIO 更適合根據實際需求持續時間更長、負載參數更明確的 I/O 測試。

簡單來說，前麵的軟件主要是在測試“這塊 SSD 能夠跑多快”，而 FIO 持續壓力測試考察的則是另一件事：“它能不能一直這麽跑？”

本次 FIO 測試采用 1MiB 數據塊、iodepth=32、numjobs=1，連續運行 600 秒，分別測試持續讀取和持續寫入性能。

連續讀取測試中：

平均帶寬 3586MB/s，帶寬標準差約為均值的 0.03%，P99.99 達到 3590MB/s。

連續寫入測試中：

平均帶寬 3267MB/s，帶寬標準差約為均值的 0.61%，P99.99 達到 3299MB/s。

600 秒，也就是整整 10 分鍾的持續高負載運行。

相比某一個瞬間出現 3600MB/s 甚至是更高，這一組的結果對於星載應用來說顯然更有參考意義。

讀取平均速度和峰值區域非常接近，並且 0.03% 的波動幅度幾乎可以忽略不計；而寫入則是在長時間持續的壓力之下依舊保持著 3.2GB/s 以上的水平，在整個過程中波動也處於很小範圍之內。

換句話說，這塊 SSD 表現出的並不是“偶爾能跑得很快”而是能夠在很長一段時間內都處在自己高速的工作區間內。

這也是高可靠存儲跟普通的性能跑分之間的一個重要區別：當星載設備進入到任務階段之後，數據可能會持續不斷的進入存儲係統中，這時候真正的需要的是不是幾秒鍾的爆發性能，而是幾百秒、甚至更長的時間裏都能給上層係統提供相對穩定的帶寬。

從這次 FIO 數據來看，天碩 XMC 星載固態硬盤的持續性能的一致性是相當出色的。

4.5 TxBENCH

為了避免單一軟件測試機製帶來的偏差，草莓视频香蕉视频還進行了 TxBENCH 測試。

在 2048KB、QD32 順序測試中，讀取達到3750.167MB/s，寫入達到3230.198MB/s。

在 2048KB、QD1 隨機測試中，讀取為 2716.978MB/s，寫入達到 3189.854MB/s。

4K QD1 讀取 64.962MB/s、寫入 215.709MB/s；提升至 QD32 後，4K 讀取達到 454.214MB/s，寫入 421.568MB/s。

將 TxBENCH 與 CDM、AS SSD、ATTO 的數據放在一起觀察，可以發現一個比較明顯的特征：不同測試工具、不同數據模型下，天碩 XMC 星載固態硬盤的大塊順序性能始終處在 3GB/s 以上的高速區間。

與此同時，TxBENCH 測得的 4K QD1 讀取 64.962MB/s、寫入 215.709MB/s，與 AS SSD 的 64.26MB/s、221.31MB/s 也非常接近。

這說明本次測試得到的高帶寬和小塊訪問能力並不是某一種 Benchmark 算法下偶然出現的單點成績，而是在不同測試環境中表現出了較好的重複性。

五、星載 SSD 真正需要的，是“可預期的性能”

消費級 SSD 的評測，經常關注誰的峰值更高。但到了航天應用，這套邏輯需要稍微改變一下。衛星不是為了跑 Benchmark 而設計的。

真正進入軌道以後，存儲係統麵對的是長時間運行、持續數據寫入、不同數據塊、高並發訪問，以及大量無法人工幹預的工作狀態。

因此，對星載 SSD 而言，最高速度很重要，但持續性能、一致性和低延遲同樣重要。

從這次測試可以看出天碩 XMC 星載固態硬盤有幾個比較清晰的性能特征：

高速。CDM 順序讀取超過 3.6GB/s, TxBENCH 最高讀取達到 3.75GB/s 能夠充分地利用 PCIe 3.0 x4 的鏈路。

高並發。4K 隨機讀寫都可以突破 80 萬 IOPS，可以給複雜的數據訪問以及星上的多任務處理提供了較好的 I/O 基礎。

低延遲。AS SSD 實測讀取訪問時間為 0.014ms 寫入 0.085ms 較低的響應時間能夠減少存儲環節對於上層任務處理造成的等待。

性能覆蓋範圍寬。ATTO 從 512B 到 64MB 當數據塊進入到大吞吐區間以後，讀寫性能快速進入了穩定的平台。

最關鍵的還是持續穩定，在連續 600 秒的 FIO 中，讀取平均 3586MB/s 波動 0.03%，寫入平均 3267MB/s 波動 0.61%, 性能不是隻在開始的幾秒鍾裏漂亮，而是持續的壓力下依然保持著高度的一致性。

六、總結

當然，一組存儲性能測試，並不能代表航天級 SSD 的全部能力。

真正的星載固態存儲，還必須麵對溫度、振動、衝擊、真空以及空間輻射等等環境因素。

而本文展現的這組跑分數據所解決的，隻是這其中最基礎、也最容易量化的：當大量的任務數據真正到來的時候，天碩這套存儲係統能不能持續、穩定地運行？

從這次 640GB XMC 星載固態硬盤的實測結果看來，答案已經相當清晰了。

對星載存儲來說，3.6GB/s 峰值的速度已經夠醒目；但是真正有工程價值的，是長時間的高負載之後，它依然穩定的工作在自己的高速區間裏。