SDカードの読み込み/書き込み性能を fio の測定結果から比較する

概要
はじめに
目的
実行環境
計測方法
実験結果
結論
おわりに
変更履歴
参考
補足

概要

SDカードには規格が定義されており、それぞれの製品には準拠した規格が記載されていることが多い。
本記事では、4種類のSDカードと2種類のSDカードリーダを用いて、それぞれ読み込み/書き込み性能を測定した。

その結果、下記のような傾向が見られた。

ファイルシステムを介することによる書き込み性能が大きく低下する
SDカードによって性能が最も発揮できるブロックサイズが異なる
Raspberry Pi 4の場合だと、並列処理によりパフォーマンスは低下する
UHS-II 非対応のカードリーダの場合、UHS-II対応のSDカードの性能を発揮できない

はじめに

SDカードには規格が定義されており、それぞれの製品には準拠した規格が記載されていることが多い。
ユースケースに応じて、適切なSDカードを使用することでその製品を最大限に生かすことができる。しかし、これら規格は数が多く複雑なものが多い。

そこで複数のSDカードを計測することで、実測値と規格の関係性を調査する。

調査には、未使用のSDカードを4種類を使用し、Raspberriy Pi 4上で計測する。このとき、UHS-II の影響も調査するために2種類のカードリーダ(UHS-II 未対応、UHS-II 対応) を用意し、 UHS-II対応カードリーダとの組み合わせも考慮する。

目的

ファイルシステムを介することによるオーバーヘッドを計測する
SDカードの違いによってパフォーマンスが異なることを確認する
ブロックサイズの違いによってパフォーマンスが異なることを確認する
並列処理させることでパフォーマンスが異なることを確認する
UHS-II 非対応のカードリーダがボトルネックになることを確認する

実行環境

Raspberry Pi 4 Model B (Raspberry Pi 4) は microSDカード経由でRaspberry Pi OSを起動させる。また、Raspbery Pi 4のUSB3.0ポートにSDカードリーダを接続し、そこから計測対象SDカードを挿入する。

ここで使用するRaspberry Pi 4のスペックについて、必要な情報だけ抜粋したものを下記に示す。

項目	Raspberry Pi 4
CPU	Cortex-A72 (ARM v8) 1.5GHz
メモリ	4GB LPDDR4-3200
OS	Raspberry Pi OS (May 7th 2021)
OS格納先ストレージ	microSDHC 16GB Class10 UHS-1
ケース	陽極酸化アルミニウム製ヒートシンクケース

今回は、SDカードリーダによる性能の差を図るために下記の二つを用意した。

BSCR27U3BK: UHS-IIに対応していないSDカードリーダ
MRW-S1: UHS-IIに対応したSDカードリーダ

上記の環境に対して、下記4種類のSDカードを計測する。(カタログに記載されていないものは、空欄としている)

	ELITE SDXC UHS-I	SanDisk Extreme Pro(並行輸入品)	SF-E64	SF-M64T
SDスピードクラス		CLASS10	CLASS10	CLASS10
UHSスピードクラス	U3	U3	U3	U3
ビデオスピードクラス	V30	V30	V30	V60
インタフェース	UHS-I	UHS-I	UHS-II	UHS-II
容量	64GB	64GB	64GB	64GB
最大読み出し速度	90 MB/s	170 MB/s	270 MB/s	277 MB/s
最大書き込み速度	45MB/s	90 MB/s	70 MB/s	150 MB/s

計測方法

計測には、Flexible I/O tester-3.12 (fio) を用いて、読み込みと書き込みの性能を計測する。
fioでは、パラメータを指定することで様々な計測を実施することができる。
本実験では、bs 、numjobsとfilename の値を変更するような計測を実施する。

bs: ユーザプログラムから読み込み・書き込みをするの一回当たりのサイズ。4KB・1MB・256MBに変更して確認する。
numjobs: 計測プログラムを並列して複数個のプロセス/スレッドで実行する。1・4・8に変更して確認する。
filename: 計測プログラムの読み込み・書き込み先のファイルを指定する。「ファイルシステム以下のファイル」と「デバイスファイル」の二つを確認する。

そこで、下記のようなパラメータファイルを用意し、これらの値を書き換えながら計測することにした。

[global]
size=1G
directory=/mnt
runtime=300
invalidate=1
group_reporting=1
numjobs=1 # FIXME

[write]
name=write
description="WRITE TEST"
unlink=0
rw=randwrite # randread
ioengine=sync
exec_prerun="./prerun.sh"
#exec_postrun="./postrun.sh"
#filename=/dev/sda1
time_based
bs=4K # FIXME

// 1:
#!/bin/sh

echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

また、SDカードの状態による測定値のブレを最小限に抑えるために、測定前にSDカードをSD Card Formatter 5.0.1の上書きフォーマットを実施しておく。

実験結果

ファイルシステムによるオーバーヘッド

ファイルシステムへの書き込みは、デバイスファイルに直接書き込む場合と比較して、オーバーヘッドが出ている。
- さらに、並列処理されている場合のオーバーヘッドは顕著に出ている。

ファイルシステムへの読み込みは、デバイスファイルに直接読み込む場合と比較して、同程度の性能が出ている。

SDカードの違い

一部例外はあったが、カタログに載っている最大書き込み速度と傾向は同じになっている。
- SF-M64Tは、ブロックサイズが小さい場合に性能が出ていない傾向にあった。

一部例外はあったが、カタログに載っている最大読み込み速度と傾向は同じになっている。
- SF-E64はブロックサイズが小さい場合に性能が出ていない傾向にあった。

ブロックサイズの違い

ブロックサイズが大きくすれば、書き込み性能は向上した (～256MB)

ブロックサイズが大きくすれば、読み込み性能は向上した (～256MB)

UHS-II 非対応によるオーバーヘッド

読み込み性能・書き込み性能の双方、UHS-II非対応のカードリーダでは UHS-Iの転送速度104MB/sより下回っている

並列処理によるオーバーヘッド

基本的に並列処理数を増やすことで性能が落ちている。

結論

ファイルシステムを介することによる書き込み性能が大きく低下する傾向がある
SDカードの違いによってパフォーマンスは異なる
- また、SDカードによって性能が最も発揮できるブロックサイズが異なる
Raspberry Pi 4の場合だと、並列処理によりパフォーマンスは低下する
UHS-II 非対応のカードリーダの場合、UHS-II対応のSDカードの性能を発揮できない

おわりに

本記事では、さまざまな環境で読み込み書き込み性能を測定した。
SDカード・ブロックサイズ・並列処理といった要因がパフォーマンスに大きく影響を与えていた。

変更履歴

2021/9/11: 記事公開
2023/3/5: 記事タイトル「様々なSDカードの読み込み/書き込み性能の実測値を計測する」から変更

参考

補足

実験で得られたデータを本章に残す。

SD card	Card Reader	Block size	jobs	io	File	performance
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	4KB	1	randwrite	Default	1409KB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	4KB	4	randwrite	Default	483KB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	4KB	8	randwrite	Default	567B/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	1MB	1	randwrite	Default	23.1MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	1MB	4	randwrite	Default	9877KB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	1MB	8	randwrite	Default	148KB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	256MB	1	randwrite	Default	32.0MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	256MB	4	randwrite	Default	19.4MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	256MB	8	randwrite	Default	12.8MB/s
ELITE SDXC UHS-I	BSCR27U3BK	256MB	1	randwrite	Default	31.2MB/s
ELITE SDXC UHS-I	BSCR27U3BK	256MB	4	randwrite	Default	20.2MB/s
ELITE SDXC UHS-I	BSCR27U3BK	256MB	8	randwrite	Default	13.4MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	4KB	1	randwrite	`/dev/sda1`	1556KB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	4KB	4	randwrite	`/dev/sda1`	1523KB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	4KB	8	randwrite	`/dev/sda1`	1573MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	1MB	1	randwrite	`/dev/sda1`	29.1MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	1MB	4	randwrite	`/dev/sda1`	26.9MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	1MB	8	randwrite	`/dev/sda1`	25.7MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	256MB	1	randwrite	`/dev/sda1`	32.0MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	256MB	4	randwrite	`/dev/sda1`	27.0MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	256MB	8	randwrite	`/dev/sda1`	24.9MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	4KB	1	randread	Default	4685KB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	4KB	4	randread	Default	4906KB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	4KB	8	randread	Default	4862KB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	1MB	1	randread	Default	71.4MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	1MB	4	randread	Default	59.3MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	1MB	8	randread	Default	61.0MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	256MB	1	randread	Default	79.7MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	256MB	4	randread	Default	66.6MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	256MB	8	randread	Default	65.5MB/s
ELITE SDXC UHS-I	BSCR27U3BK	256MB	1	randread	Default	60.2MB/s
ELITE SDXC UHS-I	BSCR27U3BK	256MB	4	randread	Default	58.0MB/s
ELITE SDXC UHS-I	BSCR27U3BK	256MB	8	randread	Default	58.2MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	4KB	1	randread	`/dev/sda1`	4644KB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	4KB	4	randread	`/dev/sda1`	4668KB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	4KB	8	randread	`/dev/sda1`	4850MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	1MB	1	randread	`/dev/sda1`	68.8MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	1MB	4	randread	`/dev/sda1`	54.8MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	1MB	8	randread	`/dev/sda1`	54.1MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	256MB	1	randread	`/dev/sda1`	83.1MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	256MB	4	randread	`/dev/sda1`	65.0MB/s
ELITE SDXC UHS-I	MRW-S1	256MB	8	randread	`/dev/sda1`	62.8MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	4KB	1	randwrite	Default	1950KB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	4KB	4	randwrite	Default	462KB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	4KB	8	randwrite	Default	369B/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	1MB	1	randwrite	Default	49.7MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	1MB	4	randwrite	Default	7411KB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	1MB	8	randwrite	Default	85.4KB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	256MB	1	randwrite	Default	72.9MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	256MB	4	randwrite	Default	17.5KB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	256MB	8	randwrite	Default	9782KB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	4KB	1	randwrite	`/dev/sda1`	1907KB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	4KB	4	randwrite	`/dev/sda1`	1466KB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	4KB	8	randwrite	`/dev/sda1`	2005KB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	1MB	1	randwrite	`/dev/sda1`	85.1MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	1MB	4	randwrite	`/dev/sda1`	66.0MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	1MB	8	randwrite	`/dev/sda1`	62.1MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	256MB	1	randwrite	`/dev/sda1`	73.6MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	256MB	4	randwrite	`/dev/sda1`	35.6MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	256MB	8	randwrite	`/dev/sda1`	31.6MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	4KB	1	randread	Default	5513KB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	4KB	4	randread	Default	5753KB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	4KB	8	randread	Default	5720KB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	1MB	1	randread	Default	72MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	1MB	4	randread	Default	48.1MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	1MB	4	randread	Default	54.6MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	256MB	1	randread	Default	83.0MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	256MB	4	randread	Default	66.1MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	256MB	8	randread	Default	57.3MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	4KB	1	randread	`/dev/sda1`	5431KB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	4KB	4	randread	`/dev/sda1`	5724KB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	4KB	8	randread	`/dev/sda1`	5722KB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	1MB	1	randread	`/dev/sda1`	64.3MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	1MB	4	randread	`/dev/sda1`	55.0MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	1MB	8	randread	`/dev/sda1`	55.9MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	256MB	1	randread	`/dev/sda1`	80.0MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	256MB	4	randread	`/dev/sda1`	63.2MB/s
SanDisk Extreme Pro	MRW-S1	256MB	8	randread	`/dev/sda1`	64.7MB/s
SF-E64	MRW-S1	4KB	1	randwrite	Default	1456KB/s
SF-E64	MRW-S1	4KB	4	randwrite	Default	1976KB/s
SF-E64	MRW-S1	4KB	8	randwrite	Default	5947B/s
SF-E64	MRW-S1	1MB	1	randwrite	Default	41.3MB/s
SF-E64	MRW-S1	1MB	4	randwrite	Default	14.2MB/s
SF-E64	MRW-S1	1MB	8	randwrite	Default	647KB/s
SF-E64	MRW-S1	256MB	1	randwrite	Default	60.3MB/s
SF-E64	MRW-S1	256MB	4	randwrite	Default	25.3MB/s
SF-E64	MRW-S1	256MB	8	randwrite	Default	15.8MB/s
SF-E64	MRW-S1	4KB	1	randread	Default	14.5MB/s
SF-E64	MRW-S1	4KB	4	randread	Default	8856KB/s
SF-E64	MRW-S1	4KB	8	randread	Default	8758KB/s
SF-E64	MRW-S1	1MB	1	randread	Default	29.1MB/s
SF-E64	MRW-S1	1MB	4	randread	Default	24.9MB/s
SF-E64	MRW-S1	1MB	8	randread	Default	23.9MB/s
SF-E64	MRW-S1	256MB	1	randread	Default	164MB/s
SF-E64	MRW-S1	256MB	4	randread	Default	132MB/s
SF-E64	MRW-S1	256MB	8	randread	Default	130MB/s
SF-M64T	MRW-S1	4KB	1	randwrite	Default	920KB/s
SF-M64T	MRW-S1	4KB	4	randwrite	Default	67B/s
SF-M64T	MRW-S1	4KB	8	randwrite	Default	44B/s
SF-M64T	MRW-S1	1MB	1	randwrite	Default	10.8MB/s
SF-M64T	MRW-S1	1MB	4	randwrite	Default	19.1KB/s
SF-M64T	MRW-S1	1MB	8	randwrite	Default	11.0KB/s
SF-M64T	MRW-S1	256MB	1	randwrite	Default	129MB/s
SF-M64T	MRW-S1	256MB	4	randwrite	Default	3281KB/s
SF-M64T	MRW-S1	256MB	8	randwrite	Default	2738 KB/s
SF-M64T	BSCR27U3BK	256MB	1	randwrite	Default	69.6MB/s
SF-M64T	BSCR27U3BK	256MB	4	randwrite	Default	2786KB/s
SF-M64T	BSCR27U3BK	256MB	8	randwrite	Default	2867KB/s
SF-M64T	MRW-S1	4KB	1	randread	Default	7760KB/s
SF-M64T	MRW-S1	4KB	4	randread	Default	8418KB/s
SF-M64T	MRW-S1	4KB	4	randread	Default	8394KB/s
SF-M64T	MRW-S1	1MB	1	randread	Default	128MB/s
SF-M64T	MRW-S1	1MB	4	randread	Default	131MB/s
SF-M64T	MRW-S1	1MB	8	randread	Default	128MB/s
SF-M64T	MRW-S1	256MB	1	randread	Default	177MB/s
SF-M64T	MRW-S1	256MB	4	randread	Default	140MB/s
SF-M64T	MRW-S1	256MB	8	randread	Default	141MB/s
SF-M64T	BSCR27U3BK	256MB	1	randread	Default	74.9MB/s
SF-M64T	BSCR27U3BK	256MB	4	randread	Default	69.3MB/s
SF-M64T	BSCR27U3BK	256MB	8	randread	Default	72.0MB/s