Интерфейс USB 3.0 – стандарт SuperSpeed USB

USB Implementers Forum финализировал спецификации стандарта USB 3.0 в конце 2008 года. Как и можно было ожидать, новый стандарт увеличил пропускную способность, хотя прирост не такой значительный, как 40-кратное увеличение скорости при переходе от USB 1.1 на USB 2.0. В любом случае, 10-кратное повышение пропускной способности можно приветствовать. USB 3.0 поддерживает максимальную скорость передачи 5 Гбит/с. Пропускная способность почти в два раза превышает современный стандарт Serial ATA (3 Гбит/с с учётом передачи информации избыточности).


Логотип USB 3.0

Каждый энтузиаст подтвердит, что интерфейс USB 2.0 является основным «узким местом» современных компьютеров и ноутбуков, поскольку его пиковая «чистая» пропускная способность составляет от 30 до 35 Мбайт/с. Но у современных 3,5″жёстких дисков для настольных ПК скорость передачи уже превысила 100 Мбайт/с (появляются и 2,5″ модели для ноутбуков, приближающиеся к данному уровню). Скоростные твёрдотельные накопители успешно превзошли порог 200 Мбайт/с. А 5 Гбит/с (или 5120 Мбит/с) соответствует 640 Мбайт/с.

Мы не думаем, что в обозримом будущем жёсткие диски приблизятся к уровню 600 Мбайт/с, но следующие поколения твёрдотельных накопителей могут превысить это число уже через несколько лет. Увеличение пропускной способности становится всё более важным, поскольку количество информации увеличивается, соответственно, растёт и время её резервирования. Чем быстрее работает хранилище, тем меньше будет время резервирования, тем проще будет сделать «окна» в расписании резервирования.

Таблица сравнения скоростных характеристик USB 1.0 – 3.0

Цифровые видеокамеры сегодня могут записывать и хранить гигабайты видеоданных. Доля HD-видеокамер увеличивается, а им требуются более ёмкие и быстрые хранилища для записи большого количества данных. Если использовать USB 2.0, то на передачу нескольких десятков гигабайт видеоданных на компьютер для монтажа потребуется значительное время. USB Implementers Forum считает, что пропускная способность останется принципиально важной, и USB 3.0 будет достаточно для всех потребительских устройств на протяжении ближайших пяти лет.

Кодирование 8/10 бит

Чтобы гарантировать надёжную передачу данных интерфейс USB 3.0 использует кодирование 8/10 бит, знакомое нам, например, по Serial ATA. Один байт (8 бит) передаётся с помощью 10-битного кодирования, что улучшает надёжность передачи в ущерб пропускной способности. Поэтому переход с битов на байты осуществляется с соотношением 10:1 вместо 8:1.

Сравнение пропускной способности USB 1.x – 3.0 и конкурентов

Режимы энергосбережения

Конечно, основной целью интерфейса USB 3.0 является повышение доступной пропускной способности, однако новый стандарт эффективно оптимизирует энергопотребление. Интерфейс USB 2.0 постоянно опрашивает доступность устройств, на что расходуется энергия. Напротив, у USB 3.0 есть четыре состояния подключения, названные U0-U3. Состояние подключения U0 соответствует активной передаче данных, а U3 погружает устройство в «сон».

Если подключение бездействует, то в состоянии U1 будут отключены возможности приёма и передачи данных. Состояние U2 идёт ещё на шаг дальше, отключая внутренние тактовые импульсы. Соответственно, подключённые устройства могут переходить в состояние U1 сразу же после завершения передачи данных, что, как предполагается, даст ощутимые преимущества по энергопотреблению, если сравнивать с USB 2.0.

Больший ток

Кроме разных состояний энергопотребления стандарт USB 3.0 отличается от USB 2.0 и более высоким поддерживаемым током. Если USB 2.0 предусматривал порог тока 500 мА, то в случае нового стандарта ограничение было сдвинуто до планки 900 мА. Ток при инициации соединения был увеличен с уровня 100 мА у USB 2.0 до 150 мА у USB 3.0. Оба параметра весьма важны для портативных жёстких дисков, которые обычно требуют чуть большие токи. Раньше проблему удавалось решить с помощью дополнительной вилки USB, получая питание от двух портов, но используя только один для передачи данных, пусть даже это нарушало спецификации USB 2.0.

Новые кабели, разъёмы, цветовое кодирование

Стандарт USB 3.0 обратно совместим с USB 2.0, то есть вилки кажутся такими же, как и обычные вилки типа A. Контакты USB 2.0 остались на прежнем месте, но в глубине разъёма теперь располагаются пять новых контактов. Это означает, что вам нужно полностью вставлять вилку USB 3.0 в порт USB 3.0, чтобы удостовериться в режиме работы USB 3.0, для которого требуются дополнительные контакты. Иначе вы получите скорость USB 2.0. USB Implementers Forum рекомендует производителям использовать цветовое кодирование Pantone 300C на внутренней части разъёма.

Ситуация получилась схожей и для USB-вилки типа B, хотя различия визуально более заметны. Вилку USB 3.0 можно определить по пяти дополнительным контактам.

USB 3.0 не использует волоконную оптику, поскольку она слишком дорога для массового рынка. Поэтому перед нами старый добрый медный кабель. Однако теперь у него будет девять, а не четыре провода. Передача данных осуществляется по четырём из пяти дополнительных проводов в дифференциальном режиме (SDP–Shielded Differential Pair). Одна пара проводов отвечает за приём информации, другая – за передачу. Принцип работы похож на Serial ATA, при этом устройства получают полную пропускную способность в обоих направлениях. Пятый провод – «земля».

>
USB 3.0 — теория и практика

SV
Дата: 01.06.2010
Все фото статьи

Введение

За долгие годы интерфейс USB 2.0 стал чем-то привычным — никто уже давно не спрашивает, есть ли в системном блоке такие порты. Даже вопрос их количества уже давно не так уж и актуален: на любой более-менее современной материнской плате есть десяток, а то и более разъемов. Такую популярность интерфейсу обеспечили несколько факторов: простота подключения (уже десять лет как драйвера основных типов устройств встроены во все популярные операционные системы), распространенность, компактность разъемов, универсальность, возможность питания подключенного устройства от того же разъёма. Внешние накопители, звуковые карты, принтеры, сканеры, модемы, мыши и клавиатуры — все это имеет интерфейс USB, не говоря уж о всевозможных аксессуарах, от настольных вентиляторов до новогодних елок с подсветкой, которым от порта нужно только питание. Но ничто не вечно под луной — скорость интерфейса, разработанного десять лет тому назад, в последнее время всё чаще оказывается недостаточной. В принципе, теоретическая пропускная способность 480 Мбит/с (60 МБ/с) достаточно высока, но на практике получить скорость более 35 МБ/с фактически невозможно. Если всевозможным мышкам это безразлично, то в случае внешних накопителей интерфейс USB 2.0 давно уже стал бутылочным горлышком — у современных жестких дисков, в том числе и 2,5-дюймовых, скорость чтения с пластин гораздо выше. Да что там говорить, даже производительность современных быстрых флеш-накопителей превышает возможности USB 2.0, вынуждая производителей создавать «флешки» с интерфейсом e-SATA, несмотря на то, что питание на них всё равно приходится подавать от USB-разъёма, так как в текущей версии e-SATA такая возможность не предусмотрена.

Так или иначе, но появление следующей версии интерфейса USB назрело давно — и вот перед нами USB 3.0. На сегодняшний день он присутствует уже более чем на десятке моделей материнских плат, но периферийных устройств с этим интерфейсом в продаже пока ещё практически нет — однако пару образцов нам всё же удалось заполучить в нашу лабораторию.

USB 2.0 и 3.0

Говоря об особенностях нового интерфейса, нельзя не коснуться его истории, насчитывающей полтора десятка лет. Первая версия протокола USB, название которого расшифровывается как «универсальная последовательная шина» (Universal Serial Bus), была представлена в 1995 году.
Его разработка поддерживалась такими гигантами, как Microsoft и Intel, которые хорошо понимали необходимость создания нового универсального интерфейса, способного заменить собой существующее на тот момент разнообразие внешних интерфейсов (параллельный порт, последовательный, порт для подключения джойстика, внешний SCSI — и в итоге они действительно исчезли с материнских плат). Впрочем, USB еще и был призван стать быстрым, и в то же время недорогим внешним интерфейсом — в те времена в них был явный недостаток. Через три года, в 1998 году, свет увидела обновленная версия протокола 1.1, а уже в 2000 году появилась спецификация версии 2.0, с которой и началось глобальное распространение данного интерфейса. Именно в этой версии к режимам Low Speed (скорость до 1,5 Мбит/с) и Full Speed (скорость до 12 Мбит/с) добавился Hi Speed, обеспечивающий скорость до 480 Мбит/с и позволивший новому интерфейсу на равных конкурировать с FireWire IEEE1394a с его 400 Мбит/с. Впрочем, особой конкуренции не получилось — благодаря более простой реализации и схеме лицензирования USB 2.0 быстро вытеснил FireWire в укромную нишу подключения видеокамер, несмотря на некоторые технические преимущества последнего.
Интерфейс USB достаточно прост для понимания. Во главе всего стоит хост-контроллер — корневое устройство, управляющее всем процессом передачи данных. К нему подключаются «хабы», представляющие собой разветвители, и конечные устройства, напрямую или через хабы. Общее количество устройств в данном дереве может доходить до 128. Разветвители могут быть либо пассивными, либо активными, последние отличаются тем, что имеют собственный источник питания, а значит, способны питать подключенные устройства, не потребляя ток с хоста. Кстати, «пассивными» в прямом смысле этого слова хабы все же не являются — на практике они представляют собой достаточно сложные электронные устройства.
Как уже было сказано, весь информационный обмен по «дереву» шины организуется хостом. Делает он это очень просто — с определенной периодичностью по очереди опрашивая оконечные устройства и выделяя им определенные временные промежутки, в течение которых те могут передавать данные. Недостатки подобной схемы достаточно очевидны: все устройства делят пропускную способность шины «на всех» и чем больше устройств, тем меньше будет доставаться каждому из них. Несколько сглаживают картину то, что существуют несколько типов логических каналов связи, создаваемых между устройствами и хостом: управляющий, предназначенный для передачи коротких команд; канал прерываний, для коротких команд с гарантированным временем доставки; изохронный, с гарантированной скоростью доставки некоторого числа пакетов в течение заданного периода, и поточный канал, в котором есть гарантированность доставки, но не регламентируется скорость и задержки. Соответственно, для разных устройств создаются разные каналы (мышкам и клавиатурам — канал прерываний, накопителям — изохронный). А дальше в течение каждого периода работы шины по ней передаются пакеты прерываний, потом изохронные пакеты в требуемом количестве, ну а в оставшееся время в периоде передаются управляющие и, в последнюю очередь, поточные пакеты.

Еще раз хочется напомнить, что «головой» всему является хост-контроллер: именно он организует все опросы, «заслушивает» прерывания в выделенные для этого временные интервалы и отправляет устройства в сон. Конечные устройства не могут по собственному желанию уйти в спящий режим или выйти из него, инициировать обмен данными или срочно сообщить хосту что-то важное (например, о переполнении буфера). Более того, все организуемые каналы являются полудуплексными — одновременная передача и прием данных невозможны, только по очереди. Равноправия в USB нет: какие бы устройства вы друг с другом ни соединяли, одно из них должно играть роль хоста, в то время как остальные — подчиняться ему.
С ростом популярности устройств на материнских платах росло и количество портов USB. И производители довольно любопытным образом вышли из неприятной ситуации, когда одна шина делится на всех — они организовали несколько шин. Так, в популярном нынче чипсете Intel P55 при углубленном рассмотрении обнаруживается аж семь UHCI-контроллеров (отвечающих за работу с устройствами Low Speed и Full Speed), объединенных с семью двухпортовыми хабами, и два EHCI контроллера, работающих с Hi Speed устройствами — да, это уже не дерево, а хитросплетенный куст с несколькими корнями и несколькими стволами.
Наконец, отдельно стоит сказать про питание, обеспечиваемое шиной USB. Нагрузочная способность одного порта ограничена значением 0,5 А, поэтому при подключении к нему нескольких устройств требуется определить, не перегрузят ли они порт. Достигается это достаточно просто: после подключения устройство должно сообщить хосту о том, какой ток оно потребляет от порта — и до получения от хоста разрешения на включение оставаться в спящем режиме. Если суммарный потребляемый устройствами ток превышает 0,5 А, последнему подключённому устройству хост разрешения на включение не даст. Такая реализация имеет одну уязвимость: хотя в принципе можно проверить, действительно ли устройство потребляет столько, сколько оно попросило, такая схема усложнит и удорожит USB-контроллер, поэтому в абсолютном большинстве случаев никакой проверки не проводит — хост слепо доверяет устройствам. С одной стороны, это может привести к перегрузке хоста по питанию и даже выходу его из строя, с другой, позволяет работать USB-устройствам, чьё потребление превышает 0,5 А, но не слишком сильно. К последним относятся внешние жёсткие диски: как следует из наших измерений, при раскрутке шпинделя они потребляют порядка 0,7—0,9 А. Тем не менее, формально они сообщают хосту о потреблении 0,5 А (собственно, сообщить о большем потреблении они не могут даже теоретически: это не предусмотрено протоколом USB), а дальнейшая их работа зависит от того, способен ли хост обеспечить реальное их энергопотребление, или же напряжение питания под такой нагрузкой просядет ниже минимально допустимого. Ещё «неправильнее» ведут себя всевозможные USB-вентиляторы, USB-фонари и тому подобные устройства: так как они обычно просто не имеют внутри никакого USB-контроллера, то и хосту ничего о своём потреблении не сообщают. Сколько бы таких устройств ни включили в разъём, хост будет считать нагрузку нулевой.

Очевидно, что ситуация, когда большой и очень популярный класс устройств — внешние накопители на жёстких дисках — пользуется тем, что строгость закона смягчается необязательностью его выполнения, нормальной не является, поэтому невысокую нагрузочную способность USB 2.0-портов можно также отнести к их недостаткам. Не отказались бы от дополнительного питания и другие потребители, такие как сканеры, компактные акустические системы, мини-мониторы и различные зарядные устройства.
Заканчивая разговор про USB 2.0, стоит вспомнить и о физическом уровне, а точнее, о кабелях. В них четыре провода: два для передачи данных, «земля» и +5 В для цепей питания. Изначальная спецификация регламентировала использование стандартных плоских разъемов типа А на стороне хоста и разъемов типа В на стороне устройства. Но впоследствии к ним быстро добавился сонм компактных разъемов — несколько вариантов mini-USB и micro-USB.
Ну а теперь пора поговорить и про USB 3.0. Новая версия стандарта принесла нам новый режим работы, Super Speed, самым главной особенностью которого стало увеличение максимальной скорости данных на порядок — до 4,8 Гбит/с. Основными требованиями при разработке нового стандарта были совместимость со всем существующим оборудованием с интерфейсом USB и сохранение простоты интерфейса.

Разработчики выбрали путь, который можно назвать «ростом вширь». К существующим параллельно контроллерам UHCI и EHCI добавили еще один, ответственный как раз за работу устройств в режиме Super Speed. Таким образом удалось и сохранить совместимость, и добавить новый канал передачи данных, на который «медленные» старые устройства не будут оказывать влияния.
Соответствующим образом изменились и кабели с разъемами: к уже имеющимся четырем проводам добавили еще две пары сигнальных проводов, одна из которых отвечает за передачу данных к контроллеру, а вторая — от него, и одну дополнительную землю. Тяжелее всего пришлось разъемам, которые стали довольно замысловатыми — в них ввели еще пять контактов, при этом сохранив совместимость со старыми разъемами. Впрочем, в этом есть и определенный плюс: устройства с поддержкой USB 3.0 легко распознать, достаточно лишь взглянуть на разъем.

USB 3.0 тип А

USB 3.0 тип В

USB 3.0 тип Micro-В
Впрочем, помимо роста скорости, новый стандарт принес еще много интересного. Во-первых, в нем увеличилась сила тока, которую может запросить устройство — теперь верхняя граница отступила до 0,9 А. Особенно «порадуются» этому внешние накопители на 2,5-дюймовых жестких дисках — их производители наконец-то могут отказаться и от Y-образных кабелей, собиравших питание сразу с двух портов, и от описанного нами выше способа нарушения стандарта ради обеспечения работы устройства. Во-вторых, две линии передачи данных совершенно недвусмысленно намекают, что стандарт USB 3.0 позволяет одновременно передавать и получать данные. В-третьих, стандарт принес полноценный механизм прерываний, что позволило отказаться от столь невыгодных с точки зрения потери драгоценного времени опросов устройств. В-четвертых, устройствам теперь разрешено создавать более одного канала передачи данных. Не забыто и энергосбережение: с появлением прерываний стало возможным реализовать и управление питанием устройств, с режимами пониженного потребления, инициируемыми самими устройствами. Фактически, вся архитектура была радикальнейшим образом переработана, а совместимость с предыдущим стандартом, можно сказать, «подклеена».

Ну, пожалуй, на этом мы и прекратим знакомиться с теорией (желающие сделать это более подробно, могут изучить документацию на сайте), пора оценить, насколько хорош новый интерфейс.

Участники тестирования

Buffalo HD-H1.OTU3


Внешне накопитель Buffalo не представляет собой чего-либо особенного: перед нами аккуратный пластиковый параллелепипед, внутри которого скрывается 3,5-дюймовый жесткий диск Samsung HD103SJ. На одном из торцов «кирпичика», который полагается ставить вертикально (но хочется положить — слишком уж мала устойчивость устройства, при отсутствии каких-либо ножек), расположились разъемы. Именно этот торец для нас наиболее интересен, ведь помимо разъема питания (увы, «большим» дискам 0,9 А пока еще маловато для полноценной работы) и небольшого вентилятора, здесь расположился разъем USB 3.0 тип B, заметно отличающийся от привычного разъема старого стандарта.
Vantec NextStar 3


Вторым образцом стал контейнер известного производителя таких устройств, компании Vantec. Этот экземпляр также стоит на торце, хотя и более длинном, и при этом использует небольшую подставку. Впрочем, его устойчивость все равно вызывает опасения.
Увы, контейнер Buffalo был неразборным, а вот внутри Vantec мы обнаружили чип ASMedia ASM1051.
Что же касается корневой части USB 3.0, то в данном случае в её роли выступает фактически единственный распространенный на сегодня чип корневого контроллера — NEC µPD720200.

Особенно приятным для нас было то, что доставшийся нам контроллер USB 3.0 производства компании ASUS использует четыре линии PCI-Express, а значит, мы можем быть уверены, что ему хватит ширины канала. Увы, но на текущий момент использование отдельного контроллера является наилучшим вариантом, поскольку на материнских платах мы видим все тот же контроллер NEC, но с неизвестной шириной канала до него (одной линии PCI-Express 1.1 контроллеру не хватит — её пропускная способность меньше, чем у USB 3.0), а встроенных в чипсет контроллеров пока нет.

Методика тестирования

Во время тестирования использовались следующие программы:
IOMeter версии 2003.02.15;
FC-Test версии 1.0;
Тестовая система была следующей:
системная плата ASUSTeK P5WDG2 WS Pro;
процессор Intel Core 2 Duo E2160;
жесткий диск IBM DTLA-307015 объемом 15 ГБ в качестве системного диска;
видеокарта Radeon X600;
1 ГБ системной памяти DDR2 с частотой 800 МГц;
Операционная система Microsoft Windows XP Professional SP2 (Windows Vista в случае теста PCMark Vantage).
Тестирование осуществлялось с базовыми драйверами операционной системы. Накопители размечались под файловые системы FAT32 и NTFS одним разделом с размером кластера по умолчанию. В отдельных случаях, описанных ниже, для тестирования использовались логические разделы размером 32 ГБ, размечаемые под FAT32 и NTFS с размером кластера по умолчанию. Во всех тестах внутренние накопители подключались к порту на материнской плате и работали при активированном режиме AHCI, а внешние к порту USB 3.0 на плате расширения ASUS или порту USB 2.0 на материнской плате.
Мы решили, что наиболее интересным как для нас, так и для вас будет сравнение не только двух контейнеров между собой и сравнение двух версий стандарта, но и сопоставление их с тем, что дает привычный нам SATA 300. Поэтому вы увидите сразу четыре набора данных — два для разных контейнеров на USB 3.0, один для контейнера Vantec при работе по USB 2.0 и один для жесткого диска на SATA 300. Во всех случаях использовался диск Samsung HD103SJ. Правда, из-за того что контейнер Buffalo был неразборным, нам пришлось поступить довольно своеобразно. Мы знали, что в Buffalo используется Samsung HD103SJ, поэтому выбрали такой же диск для использования в Vantec и в варианте без контейнера. Понятно, что из-за того, что диски сами по себе несколько отличаются, мы получаем некоторый разброс результатов, вызываемый не интересующим нас интерфейсом, а самими дисками, но все же, мы постарались свести разницу до минимума.

Кроме того, в паре тестов мы использовали SSD Intel X25-M G2 объемом 160 ГБ.

IOMeter: Sequential Read & Write

Начнем с тестов в IOMeter. Первыми, как всегда, будут последовательные операции. В данном тесте на накопители посылается поток запросов с глубиной очереди команд, равной четырем. Раз в минуту размер блока данных увеличивается. В итоге мы получаем возможность проследить зависимость линейных скоростей чтения и записи накопителей от размеров используемых блоков данных и оценить максимальные достижимые скорости.
Численные результаты измерений здесь и далее вы можете, при желании, увидеть в соответствующих таблицах, мы же будем работать с графиками и диаграммами.
Результаты IOMeter: Sequential Read
Результаты IOMeter: Sequential Write
Превосходство новой версии интерфейса над старой видно невооруженным взглядом — максимальная скорость при передаче данных по USB 3.0 точно такая же, как и при работе по SATA 300, в то время как старый интерфейс упирается в ожидаемые 33,5 Мбайт/с. Как минимум одна проблема решена — скорости интерфейса явно достаточно для современных дисков. Правда, совсем избавиться от дополнительных задержек не удалось — посмотрите на скорость работы с небольшими блоками, она у USB 3.0 заметно ниже, чем у SATA 300. Особенно любопытно то, что при установке в контейнер SSD мы видим точно такие же скорости — перед нами явно какое-то ограничение производительности. Честно говоря, нам пока сложно сказать, видим ли мы недостаточную производительность чипа USB, или принципиальное ограничение новой шины, связанное с ее архитектурой.
Но еще более нас удивили результаты SSD с точки зрения максимальной достигнутой скорости. Мы специально проверили их несколько раз и пробовали взять другие SSD — нет, все верно, скорость ограничивается на уровне 160 Мбайт/с. Конечно, это гораздо лучше, чем 35 Мбайт/с, но все же как-то совсем не похоже на десятикратный обещанный прирост скорости! Очень хочется надеяться, что перед нами недостатки первых реализаций USB 3.0 и в дальнейшем мы увидим скорости, достойные заявленных 4,8 Гбит/с.
На записи картина такая же: USB 3.0 явно выигрывает у своего предшественника, пропускной способности нового интерфейса вполне хватает, чтобы обслуживать современный жесткий 3,5-дюймовый диск. К сожалению, падение скорости на небольших блоках никуда не делось и слишком уж явно повторяется, чтобы засчитать его за случайность.

IOMeter: Disk Response Time и IOMark: Average Positioning Speed

Для измерения времени отклика мы в течении десяти минут при помощи «IOMeter» отправляем на накопители поток запросов на чтение или запись блоков данных по 512 байт при глубине очереди исходящих запросов, равной единице. Количество запросов, обработанных накопителем, таково, что оно заведомо превышает объем буферной памяти. В результате мы получаем устоявшееся время отклика накопителя.
Со временем отклика ситуация получилась довольно забавная. С одной стороны, мы видим явное улучшение: новый протокол привносит меньше задержек, чем его предшественник, хотя все равно заметно отстает от SATA 300 — это хорошо видно на результатах контейнера Vantec, в котором использовался тот же самый диск, который мы подключали по SATA. А вот в Buffalo стоял другой экземпляр диска, хотя и той же модели, и его результаты радикально отличаются. Конечно, можно предположить, что в этом контейнере используется «медленный» чип с несовершенной прошивкой, но мы склонны большую часть разницы списать именно на различия самих дисков. Так, результаты тестирования отклика на SSD в Vantec, интересные сами по себе, из-за крайне малого времени отклика самого накопителя, показывают, что увеличение времени отклика из-за влияния интерфейса, а именно протокола Super Speed, весьма невелико.

IOMeter: Random Read & Write

Оценим теперь зависимости производительности накопителей в режимах чтения и записи с произвольной адресацией от размера используемого блока данных.
Результаты рассмотрим в двух вариантах. На блоках малого размера построим зависимость количества операций в секунду от размера используемого блока, а на больших блоках вместо количества операций возьмем в качестве критерия производительности скорость, измеренную в мегабайтах в секунду.
Результаты IOMeter: Random Read, операций/с
Результаты IOMeter: Random Read, МБ/с
Результаты IOMeter: Random Write, операций/с
Результаты IOMeter: Random Write, МБ/с
С точки зрения производительности на небольших блоках, новый интерфейс не так уж и сильно отличается от старого: они оба чуть хуже SATA 300, но все же производительность в гораздо большей степени определяется диском, чем интерфейсом. А вот при сколько-нибудь больших запросах (допустим, 1—2 Мбайта — считайте, что мы смотрим фотографии с фрагментированного диска) новый интерфейс выступает уже заметно лучше старого. Причем его реализация в Vantec явно лучше — именно она совсем чуть-чуть отстает по скорости от диска, подключенного по SATA. С увеличением размера блока разница еще больше увеличивается.
А вот на записи мы видим несколько иную картину. На малых блоках жесткий диск на SATA явно быстрее, в то время как все внешние интерфейсы идут с примерно равной скоростью, отставая от диска почти вдвое. На больших блоках отставание USB 3.0 уменьшается. Самое интересное начинается при росте размера запроса до 2 Мбайт и более — USB 2.0 выходит на максимальную скорость, а SATA и USB 3.0 продолжают приятно увеличивать скорость. Любопытно, что Vantec снова оказывается заметно лучше, чем Buffalo, хотя у последнего поведение более предсказуемое и закономерное.

IOMeter: Database

С помощью теста «Database» мы выясняем способность накопителей работать с потоками запросов на чтение и запись 8-килобайтных блоков данных со случайной адресацией. В ходе тестирования происходит последовательное изменение процентного соотношения запросов на запись от нуля до ста процентов (с шагом 10 %) от общего количества запросов и увеличение глубины очереди команд от 1 до 256.
Таблицы с полными результатами тестирования вы можете посмотреть по следующим ссылкам: Результаты IOMeter: Database.
Мы не будем в данном случае строить сводные диаграммы, а сравним друг с другом диаграммы с результатами каждого накопителя.
Сравнение получилось крайне наглядным, особенно благодаря интересному поведению диска Samsung. В случае USB 2.0 он резко сдает позиции — у него почти исчезает отложенная запись да и переупорядочивание запросов на чтение крайне сложно найти — сколько-нибудь заметный прирост производительности наблюдается лишь при очереди 16.
USB 3.0 в реализации Vantec выглядит чуть интереснее — на больших очередях прирост производительности становится более заметным. Правда, очередь в четыре запроса все так же почти не отличается от единичной. А вот в случае USB 3.0 по версии Buffalo диск рисует что-то невероятное. Форма графиков такова, что будь это диск на SATA, мы бы сказали, что его прошивка крайне несовершенна. Судя по всему, контроллер в контейнере сам пытается в меру своих способностей помогать диску на глубоких очередях, но делает это весьма нестабильно. Впрочем, один момент остался неизменных: на малых глубинах очереди разница производительности все так же минимальна.

IOMeter: Webserver, Fileserver

В данной группе тестов накопители тестируются под нагрузками, характерными для серверов и рабочих станций.
Напоминаем, что в «Webserver» и «Fileserver» эмулируется работа накопителя в соответствующих серверах, в то время как в «Workstation» мы имитируем работу диска в режиме типичной нагрузки для рабочей станции, с ограничением максимальной глубины очереди в 32 запроса. Тестирование в «Workstation» проводится как с использованием всего дискового пространства накопителя, так и при работе только с адресным пространством 32 ГБ.
Поскольку темой нашей статьи является интерфейс для внешних накопителей, то мы будем кратки и обойдемся лишь сравнением рейтингов производительности — все же, такие нагрузки являются далеко не самыми типичными.
Результаты IOMeter: Fileserver
Результаты IOMeter: Webserver
Результаты IOMeter: Workstation
Результаты IOMeter: Workstation, 32 ГБ
Результаты получились несколько неожиданными. Так, для серверов USB 3.0 в реализации Buffalo явно интереснее, чем по версии Vantec, хотя они оба и отстают от диска, подключенного по SATA. Для рабочих станций картина схожа, но заметное превосходство Buffalo демонстрирует лишь на уменьшенной рабочей зоне. Что же касается сравнения USB 3.0 с предыдущей версией интерфейса, то в случае Vantec отрыв весьма невелик, а вот если в сравнение взять еще и Buffalo, то весьма значителен.

IOMeter: Multi-thread Read & Write

Данный тест позволяет оценить поведение накопителей при многопоточной нагрузке. В ходе него эмулируется ситуация, когда с накопителем работает от одного до четырех приложений, причем количество запросов от них изменяется от одного до восьми, а адресные пространства каждого приложения, роли которых выполняют worker-ы в «IOMeter», не пересекаются.
При желании, вы можете увидеть таблицы с полными результатами тестирования по соответствующим ссылкам, а мы же в качестве наиболее показательных рассмотрим диаграммы записи и чтения для ситуаций с глубиной очереди в один запрос, поскольку при количестве запросов в очереди равном двум и более значения скоростей практически не зависят от количества приложений.
Результаты IOMeter: Multi-tread Read
Результаты IOMeter: Multi-tread Write
Сравнение USB 3.0 и USB 2.0 на многопоточной нагрузке проходит без неожиданностей — при одном потоке новый стандарт явно выигрывает, поскольку позволяет реализовать полную скорость диска, да и на нескольких, хоть и теряет в скорости, но остается впереди предшественника, опережая его почти вдвое.
Интереснее другое: в случае трех и четырех потоков на чтение диск по USB работает быстрее, чем по SATA. Что именно позволило диску увеличить скорость, нам неизвестно, но результат нагляден и стабилен, на случайность его не спишешь.
Многопоточная запись проходит без приключений — накопители пронесли соотношение своих скоростей через все варианты этой нагрузки. USB 2.0 явно играет роль бутылочного горлышка, причем настолько что диск вообще не обращает внимания на количество потоков, в остальных же случаях скорость равномерно понемногу снижается с увеличением количества потоков.

FC-Test

Завершим тестирование в любимом нами «FileCopy Test». На накопителе создается два раздела по 32 ГБ, размечаемые на двух этапах тестирования сначала в NTFS, а затем в FAT32, после чего на разделе создается определенный набор файлов, считывается, копируется в пределах раздела и копируется с раздела на раздел. Время всех этих операций фиксируется. Напомним, что наборы «Windows» и «Programs» включают в себя большое количество мелких файлов, а для остальных трех шаблонов («MP3», «ISO» и «Install») характерно меньшее количество файлов более крупного размера, причем в «ISO» используются самые большие файлы.
Не забывайте, что тест копирования не только говорит о скорости копирования в пределах одного накопителя, но и позволяет судить о его поведении под сложной нагрузкой. Фактически во время копирования накопитель одновременно работает с двумя потоками, причем один из них на чтение, а второй на запись.
Мы будем подробно рассматривать лишь значения, достигнутые в NTFS, результаты тестирования в FAT32 вы можете узнать из таблицы по следующей ссылке: Результаты FC-Test: FAT32.
Диаграммы крайне схожи между собой и вполне предсказуемы, так что говорить о разных режимах по отдельности нет смысла. В целом, USB 3.0 демонстрирует, что в отличие от предшествующего ему USB 2.0, он действительно является интерфейсом, способным в полной мере реализовывать скоростные характеристики современных жестких дисков на любых нагрузках. Плата за внешнее исполнение в случае работы с файлами оказалась крайне невысока — да, диски в контейнерах с USB 3.0 все же отстают от своего аналога на SATA, но вовсе не так сильно. Причем на чтении это отставание совсем мало и составляет менее 10 % скорости, а вот на записи оно возрастает примерно до 15 процентов. Да, ярче всего оно чувствуется на копировании мелких файлов, но скажите, как часто вы этим занимаетесь? Все же, в большинстве случаев внешний накопитель используется либо для чтения, либо для записи. На фоне нового интерфейса старый USB 2.0 выглядит совсем уж убого — что не говори, а его время в качестве интерфейса для накопителей прошло.

Подведение итогов

Откровенно говоря, у нас остались несколько двойственные впечатления. С одной стороны, скоростных характеристик USB 3.0 действительно хватает для того, чтобы полностью реализовывать возможности современных жестких дисков, а наличие радикальных изменений в протоколе настраивает на оптимистичный лад. С другой стороны, мы не увидели обещанного десятикратного прироста скорости — попавшие в наши руки устройства не смогли выдать больше 160 МБ/с там, где SATA 300 с легкостью демонстрирует 250 Мбайт/с. Но Москва не сразу строилась, да и ранние реализации USB 2.0 тоже были весьма грешны в плане скорости — возможно, что через некоторое время мы увидим более быстрые чипы USB 3.0. Впрочем, ещё больше хочется увидеть чипсеты, в которых поддержка нового стандарта будет родной, а не реализованной при помощи стороннего чипа. До тех пор, пока это не произойдет, сложно ожидать большой популярности нового стандарта, ведь по крайней мере в области внешних накопителей у него уже есть серьёзный противник в лице e-SATA, который хоть и не обеспечивает питание подключаемым к нему устройствам, зато на данный момент распространён заметно шире, нежели USB 3.0, да и скорость показывает, как мы видим, большую. Впрочем, в долгосрочной перспективе победа, вне всякого сомнения, останется за USB 3.0 — и вопрос лишь в том, какое время это займёт.
> Другие материалы по данной теме
Дюжина пятисоток
Бриллианты россыпью: новые диски объемом один и два терабайта
Сетевые накопители Synology DS210j и DS410j

Рубрики: IT

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *