Разбираемся в маркировке SD карт

Выбор SD флэш карт памяти — не самое тривиальное занятие, хотя казалось бы, характеристик, на которые можно описаться не так много.

В первую очередь, SD карты выбирают по скоростным характеристикам и по бренду. Сложность заключается в том, что производитель указывает максимальные показатели линейной скорости чтения и записи, которые на практике редко достижимы. Помимо этого, на результаты тестирования влияет, в каких условиях проводился тест: была ли флэшка вставлена в картридер (на шине PCIe), если да, то встроенный или внешний, подключаемый через USB, если USB, то какой версии. Отдельно нужно проводить тестирование карточек в мобильных устройствах, они всегда выдают там другие показатели. Влияет и ПО (и даже версия), которым выполняется тест.

В связи с этими сложностями, даже результаты тестов не могу дать однозначный ответ о скорости карты, если ее не сравнивать с другой картой, протестированной в абсолютно таких же условиях. Здесь для оценки порядка производительности может помочь знание маркировки SD-карт, которые отражают базовые характеристики, на которые можно ориентироваться.

Маркировка класса скорости

Ассоциацией SD (образована в 2000 г.) определены 4 типа классов скоростей (по возрастанию производительности):

Speed Class (обозначается буквой C и цифрой), UHS Speed Class (обозначается буквой U и цифрой в ней), Video Speed Class (обозначается буквой V и цифрой) and SD Express Speed Class (буква E и цифра) с цифрой обозначают минимальную скорость записи в Мбайтах в секунду.

Цифра в рамках каждого из 4 типов классов отражает конкретный скоростной диапазон в данном классе, например в типе класса SD определены следующие категории:

• C2 (класс 2): минимальная скорость записи 2 МБ/с
• C4 (класс 4): минимальная скорость записи 4 МБ/с
• C6 (класс 6): минимальная скорость записи 6 МБ/с
• C10 (класс 10): минимальная скорость записи 10 МБ/с

В основном это полезно для устройств, работающих с потоковым видео — каждый из стандартов определяет определенное качество и разрешение видео потока, которое можно передать через задержек и потерь. Поэтому отдельно для карт, способных писать видео поток, были выделены такие скоростные режимы:

V6, V10, V30, V60, V90 — со скоростью записи от 6 до 90 МБ/с соответственно.

В таблице ниже мы видим, что в классе UHS совмещаются несколько режимов скоростей C и V — связано это с тем, что одна карта может соответствовать нескольким режимам скорости. Все это приводит к большой сумятице, которую разрешает таблица соответствия различных режимов и типов классов:

Из таблицы становится понятно, что сейчас ни одна SD карточка не достигает даже половины теоретического максимума режима UHS-II. Максимальная скорость большинства современных карт ограничивается комбинацией скоростей C10/U1/V10. Такие карты не оптимизированы для передачи потокового видео.
Отдельные более скоростные карты U3/V30 — самые доступные для записи Full HD Video. А лидером в широком сегменте сейчас являются карты V90, позволяющие записывать видео со скоростью до 90 МБ/с, что не уступает HDD дискам. Такие карты предназначены для записи 4K8K видео.

Качество видео зависит не только от его разрешения, но и от частоты кадров. На популярных картах V30/V60 можно обеспечить не более 60 кадров в секунду:

Режим шины (bus speed)

Помимо скоростей самих карт памяти в стандарте определены также режимы шины, то есть интерфейса, который связывает карту памяти с хостом. Общее правило заключается в том, что необходимо использовать достаточно быстрый режим, который не влияет на скорость записи на карту памяти, то есть превышает скорость чтения/записи самой памяти.

В таблице мы видим соответствие между типами карт, режимами скоростей шины и классами скоростей, представленных в них карт.

Забавно, что самые простые режимы шины называются NS (Normal Speed) и High Speed (HS). Затем идут несовместимые между собой шины UHS-I, II и III (Ultra High Speed), а после SD Express.

Начальная скорость шины SD 12,5 МБ/с (SDR12) является режимом по умолчанию и определена в версии стандарта SD1.0. Затем в SD1.1 был определен высокоскоростной режим 25 МБ/с (SDR25) для поддержки цифровых камер.

UHS-I обеспечивает более высокую скорость шины, используя всего один ряд контактов. А UHS-II, UHS-III и SD Express способны обеспечивать еще более высокие скорости, чем UHS-I, за счет использования двух линий для передачи данных через два ряда контактов. Второй ряд контактов интерфейса поддерживает технологию дифференциальной сигнализации низкого напряжения (LVDS).

Используя две полосы для передачи данных, карты с UHS-II или UHS-III достигают полнодуплексного режима (режим по умолчанию), назначая одну полосу для нисходящего направления (передача данных с хоста на карту), а вторая полоса используется для восходящего направления (передача данных с карты на хост). Пакеты могут передаваться в обоих направлениях одновременно. Полудуплекс переключает обе полосы в одном направлении во время передачи данных, чтобы ускорить передачу данных. Например, скорость 156 МБ/с в полнодуплексном режиме можно переключить на 312 МБ/с в полудуплексном режиме для UHS-II.

Интерфейсы также имеют свой предел теоретической пропускной способности:

• UHS-I: максимальная скорость передачи до 104 МБ/с (также режим называется SDR104)
• UHS-II: максимальная скорость передачи до 312 МБ/с (в полудуплексном режиме)
• UHS-III: до 624 МБ/с в полнодуплексном режиме (не поддерживает полудуплекс)

Все эти более быстрые интерфейсы доступны только для карт памяти SDHC, SDXC и SDUC.

Сводная таблица режимов интерфейсов:

Шины и карты SD Express

Карты памяти SD Express служат съемными твердотельными накопителями (SSD) со скоростью до 3940 МБ/с с использованием шины PCIe и протоколом NVMe с поддержкой интерфейса UHS-I, обеспечивая скорость, необходимую для приложений с контентом высокого разрешения, таких как сверхзамедленное видео, RAW режим непрерывной серийной съемки, захват и воспроизведение видео 8K, видео на 360 градусов, мобильные вычислительные устройства, игровые системы, многоканальные устройства IoT, автомобильные системы хранения данных, и это лишь некоторые из них.

Классы SD Express созданы для удовлетворения спроса на высокое разрешение и высококачественную запись видео 4K8K, а также имеют важную функцию поддержки флэш-памяти нового поколения, такой как 3D NAND и многопоточного доступа.

Основная причина, по которой используются многие типы скоростных классов, — это эволюция технологии памяти NAND памяти. В то время как ранние типы классов скорости — класс скорости SD и UHS — были оптимизированы для старых технологий памяти, новейшие типы классов скорости видео и класса скорости SD Express оптимизированы для новейших технологий флэш-памяти NAND, что позволяет ее максимально эффективно использовать с точки зрения многопоточных операций чтения/записи, кэширования и вывода на шину PCIe.

Application Performance Class

Сравнительно недавно появилась дополнительная характеристика карт — по производительности карт в приложениях. Для приложений, с учетом фрагментации данных важны множественные небольшие операции ввода-вывода, где существенную роль играет скорость случайного, а не последовательного доступа.

На данный момент определены 2 класса производительности приложений: A1 и A2. F2 принципиально отличается поддержкой функций очереди команд и кэширования. Класс производительности приложений можно применить к семейству карт памяти UHS SDHC/SDXC.

Эти классы описывают не только минимальную последовательную скорость в МБ/с, но и количество операций ввода-вывода в секунду. В данном случае IOPS означает, какое количество команд чтения/записи размером 4 КБ может быть выполнено в секунду.

Хост-устройство может определить доступную производительность приложения карты по полю в регистре состояния SD. Пользователь может определить доступную производительность по комбинации иконок класса производительности приложения хоста и карты. Производительность A2 достигается, только когда и хоста и карта поддерживают класс A2. Производительность не ниже А1 достигается при сочетании иконок А1 и А2.

Из таблицы становится понятно, что класс А2 может быть примерно 2-2,5 раза быстрее при множественных операциях ввода-вывода. Например, он позволяет прочитать не менее 4000 блоков по 4 Кбайт за секунду, что в сумме дает более 15 МБ/с при случайном чтении.

Таким образом, для современных смартфонов Android для надежного хранения и доступа к разрозненным данным (фото, видео и пр. файлы) на SD картах рекомендуется использование карт скоростного класса не менее UHS-I U3/V30 и поддержкой класса приложений не менее А1.

Для видеокамер, записывающих потоковое видео в высоком разрешении, же требуются карты UHS-II с скоростью V60/V90.

Всегда рекомендуется использовать карты с запасом, чтобы избегать перегрева контроллера (т.к. кэширование в базовых режимах не предусмотрено).