Anti-Spectre-Microcode: SSD-Benchmarks zu Verlusten mit Skylake unter Windows 10

Daniel Albers et al. 142 Kommentare
Anti-Spectre-Microcode: SSD-Benchmarks zu Verlusten mit Skylake unter Windows 10

tl;dr: Die unter Windows gegen die Sicherheitslücke Spectre Variante 2 ergriffenen Gegenmaßnahmen kosten Leistung. Je neuer die CPU, desto geringer ist sie davon betroffen. Immer in Mitleidenschaft gezogen werden aber schnelle Massenspeicher. ComputerBase hat in synthetischen und praktischen Tests nachgemessen.

Spectre Variante 2 und die Auswirkungen auf das SSD-Testsystem

Seit dieser Woche stellt Intel für alle CPUs, die neuen Microcode gegen die Sicherheitslücke Spectre Variante 2 erhalten sollten, eine entsprechende Aktualisierung bereit. Jetzt ist es an den Mainboard-Herstellern, an den System-Herstellern oder an Microsoft, diesen neuen Microcode auch zu verteilen.

Wie sich der Patch auf die Leistung in Spielen und Anwendungen auswirkt, hat ComputerBase bereits detaillierter betrachtet – wenn auch nur mit einer Teilmenge der betroffenen Architekturen. Der Artikel Meltdown & Spectre: Benchmarks mit AMD und Intel unter Windows 7 und 10 enthielt dabei auch einen Test, der die Auswirkungen auf die Leistung einer SSD in Augenschein nahm. Dabei handelte es sich allerdings nur um den synthetischen CrystalDiskMark und nur um die extrem schnelle NVMe-SSD Samsung 960 Pro (Test).

Dieser Artikel beleuchtet die Auswirkungen der Gegenmaßnahmen hingegen noch einmal für ein breites Spektrum an Laufwerken und in Praxis-Szenarien am ganz konkreten Beispiel des ComputerBase-Testsystems für SSDs. Es wird gezeigt, welche Nachteile sich durch das Hinzufügen der drei neuen CPU Befehle Indirect Branch Restricted Speculation (IBRS), Single Thread Indirect Branch Predictors (STIBP) und Indirect Branch Predictor Barrier (IBPB) zum Microcode des CPUs und deren Verwendung ergeben. Als Plattform kommt Intels Skylake-Architektur unter Windows 10 zum Einsatz. Der neue Microcode wurde dabei über Windows eingespielt, denn ein neues BIOS von MSI gibt es bis heute nicht.

Patch gegen Spectre V2 per Windows Update

Das Testsystem setzt auf einen nicht übertakteten Core i7-6700K (Test) mit vier Kernen und acht Threads der Skylake-Generation, dem auf dem MSI Z270 Gaming Pro Carbon 32 Gigabyte DDR4-2133 (15-15-15-36-2T) zur Seite stehen. Nutzen kann Windows 10 als Arbeitsspeicher davon aber nur acht Gigabyte, weil 24 Gigabyte als RAM-Disk konfiguriert sind. Das Laufwerk dient als Gegenspieler ohne Flaschenhals in den Kopiertests.

Bis heute ohne Update: Das MSI Z270 Gaming Pro Carbon
Bis heute ohne Update: Das MSI Z270 Gaming Pro Carbon (Bild: MSI)

Das aktuell letzte offizielle BIOS für das Z270 Gaming Pro Carbon mit der Version 7A63v18 von Anfang Januar beinhaltet noch nicht die neue Microcode Version 0xC2, damit der Windows-Patch gegen Spectre V2 funktionsfähig ist. MSI erweist sich bei diesem Thema als vergleichsweise langsam.

Unter Windows 10 wurde stattdessen das mittlerweile verfügbare Microcode-Update KB4090007 manuell installiert. Daraufhin wird von Windows 10 beim Booten des Systems der Microcode mit der Version 0xC2 früh genug geladen und die Spectre Variante 2 Gegenmaßnahme ist aktiv, wie die anschließende Überprüfung zeigt.

Nach dem Windows-Update sind die Gegenmaßnahmen aktiv
Nach dem Windows-Update sind die Gegenmaßnahmen aktiv

Das so aktualisierte System kann damit auch für die nächsten SSD-Tests wieder verwendet werden, ohne dass Benchmarks durch ein Einspielen der Gegenmaßnahmen rückwirkend ihre Gültigkeit verlieren.

Benchmarks

Erneut bildet der CrystalDiskMark den Ausgangspunkt. Die Ergebnisse des sequentiellen und des wahlfreien Q8T8-Laufes mit kleinen Dateien, kurzer Warteschlange und hoher Parallelität zeigen nur kleine Abweichungen von maximal drei Prozent.

Beim wahlfreien Zugriff mit einem Thread und einer Warteschlange von 32 ändert sich hingegen mehr. Dabei zeigt sich der größte Verlust bei der Samsung 960 Pro 512 GB, minus 38 Prozent werden ermittelt. Bei den anderne Laufwerken sind es maximal 30 Prozent. Im Q1T1-Lauf ist es wiederum die MX500 mit einem Terabyte, die am deutlichsten einbricht.

Beim Schreibtest zeigt sich ein ähnliches Bild, einzelne Modelle zeigen aber Abweichungen. Beim sequentiellen sowie beim Q8T8-Lauf beträgt die maximale Abweichung in diesem Fall bereits sieben Prozent. Die Samsung 960 Pro 512 GB bricht jetzt sowohl beim Q32T1-Lauf mit 40 Prozent als auch beim Q1T1-Lauf mit 19 Prozent am stärksten ein.

Am wenigsten beeindruckt zeigt sich das langsamste Laufwerk im Test: Die Intel SSD 510 (Test) aus dem Jahr 2011, die die SATA-III-Schnittstelle noch nicht ausreizen kann, kämpft offensichtlich mit einem anderen Flaschenhals.

Kopieren aus der und in die RAM-Disk

Im Praxistest reduzieren sich die Auswirkungen des Microcode-Updates beim Kopieren dann allerdings deutlich. Maximal acht Prozent Leistung kostet der Patch die Samsung SSD 960 Pro. Sie SATA-Laufwerk zeigen hingegen nur Verlust im kleinen einstelligen Bereich. Und das, obwohl sowohl beim Schreiben als auch beim Lesen durch Verwendung einer RAM-Disk der Gegenspieler selbst keine Bremse darstellt.

Interessant: Die Intel 510 zeigt im Vergleich zum vorherigen Test im Praxistest eine deutliche Erhöhung der Lesegeschwindigkeit und wurde aus diesen Grund bei der Auswertung nicht beachtet.

Fazit

Intel Skylake zeigt sich von den Gegenmaßnahmen gegen die Sicherheitslücke Spectre Variante 2 in der für Privatkunden gängigen Praxis auf den getesteten SATA-SSDs weitgehend unbeeindruckt, mit bis zu acht Prozent leidet das NVMe-Laufwerk schon stärker.

Die neuen CPU-Befehle beziehungsweise deren Nutzung führen bei den synthetischen Benchmarks zu deutlich größeren Performance Einbrüchen als bei den praxisorientierten Tests. Im Durchschnitt über alle Tests und Laufwerk liegen die Abweichungen um den Faktor sechs bis acht höher.

Maximaler prozentualer Einbruch der Gesamtleistung
SATA SSD NVMe SSD
synthetische Benchmarks 13 % 15 %
Praxis orientierten Tests 2 % 2 %

Wird der prozentuale Einbruch zwischen SATA-SSDs mit AHCI-Protokoll und PCIe-SSDs mit dem NVMe-Protokoll verglichen, nehmen sich beide Varianten nicht viel. Am deutlichsten betroffen ist im Test aber die schnellste vertretene SSD, die Samsung SSD 960 Pro mit NVMe.

Benchmarks aus der Community

Der Artikel betrachtet zwar mehrere Laufwerke, aber nur eine Plattform: Intel Skylake unter Windows 10. Über weitere Benchmarks und Erfahrungen der Leser mit anderen, eventuell auch älteren Architekturen wie Sandy Bridge oder Haswell sowie älteren Betriebssystemen in den Kommentaren freut sich die Redaktion sehr.

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