Тестирование производительности интерфейса USB 3.1

Раньше, когда принятая у Intel стратегия «тик-так» не давала сбоев, а AMD старалась не сдавать своих позиций на рынке настольных процессоров, весна традиционно оказывалась периодом обновления не только для всей живой природы, но и для десктопных платформ. Совершенно неудивительно, что в этих условиях демонстрация новых продуктов на весенних отраслевых выставках прочно вошла в привычку у производителей материнских плат. Но в этом году давняя традиция грозила срывом: никаких новых наборов системной логики в ближайшее время не ожидается, и, казалось бы, производителям плат этой весной должно быть нечем порадовать своих поклонников. Однако прошедшая на прошлой неделе выставка CeBIT показала, что разработчики всё-таки нашли выход из положения, и этим выходом стал новый интерфейс USB 3.1.

Хотя никаких новых процессорных разъемов и чипсетов в ближайшей перспективе не ожидается, многие производители плат решили дополнить имеющуюся у них линейку продукции новыми моделями с поддержкой портов USB 3.1. Реализация таких портов не требует серьёзных инженерных затрат, зато позволяет увеличить привлекательность материнских плат путём расширения функциональности и добавления совместимости с внешними устройствами нового поколения. К настоящему моменту платы с новыми портами уже появились в ассортименте компаний ASUS, ASRock и MSI, и, очевидно, остальные производители плат присоединятся к «клубу USB 3.1» в самое ближайшее время.

А раз так, то самое время посмотреть, что же может дать новый интерфейс с практической точки зрения. Пока устройств с поддержкой USB 3.1 в продаже нет, но компания ASUS предоставила в наше распоряжение комплект оборудования, включающий не только пару плат с поддержкой USB 3.1, но и внешний USB 3.1-накопитель. Используя всю эту совокупность устройств, мы получили возможность провести подробное тестирование нового интерфейса.

⇡#Стандарт USB 3.1: что нового

Введённый в обиход ещё в 2009 году стандарт USB 3.0 (также известный как SuperSpeed USB) десятикратно повысил скорость передачи данных по сравнению с USB 2.0 (Hi-Speed USB) и получил теоретическую пропускную способность на уровне 5 Гбит/с. Тогда казалось, что такого впечатляющего прироста скорости должно хватить очень надолго. Но увеличение объёмов передаваемых данных и не думало замедляться, поэтому дальнейшее развитие интерфейса на этом не остановилось, и теперь ему на смену приходит новая версия – USB 3.1 (получившая маркетинговое название SuperSpeed+ USB). Она способна обеспечить очередное, теперь уже двукратное, увеличение полосы пропускания – до 10 Гбит/с. С практической точки зрения это означает, что вместо современных USB 3.0-устройств, реальная скорость передачи данных от которых составляет в лучшем случае 400-450 Мбайт/с, теперь смогут получить распространение их последователи с интерфейсом USB 3.1, которые будут способны отдавать и получать данные как минимум вдвое быстрее.

Двукратное расширение полосы пропускания – не единственное преимущество нового стандарта USB 3.1. В дополнение к этому USB 3.1 использует и более эффективное кодирование данных, позаимствованное из протокола PCI Express 3.0. Если USB 3.0 предполагал кодирование по схеме 8/10-бит (к каждым восьми битам полезных данных добавляется два бита контрольной суммы), то USB 3.1 переходит на более совершенную схему кодирования 128/132 бит с исправлением ошибок. Иными словами, в то время как предыдущая версия протокола расходовала 20 % своей полосы пропускания на передачу служебной информации, теперь накладные расходы снижаются до менее чем 4 %. Причём новый алгоритм расчёта контрольных сумм позволяет исправлять однобитовые искажения в 128-битном пакете без необходимости его повторной передачи. В результате интерфейс USB 3.1 на практике способен обеспечивать полезную пропускную способность, превосходящую скорость USB 3.0 даже более чем вдвое. Путём простого арифметического подсчёта несложно получить, что скорость передачи полезных данных по USB 3.1 может достигать величин более 1,2 Гбайт/с. Однако это – лишь теория, и из этого числа необходимо вычесть издержки драйвера, добавки, возникающие при формировании пакетов, неэффективность микропрограммного обеспечения и прочее. А значит, в итоге мы вполне можем ожидать практического максимума скорости где-то в районе 1 Гбайт/с, что выразится в уменьшении времени передачи больших объёмов данных по сравнению с USB 3.0 примерно в 2,4-2,5 раза.

В новый стандарт заложены и другие усовершенствования, уже не касающиеся скорости. Например, электрическая реализация портов при использовании особых разъёмов и специальной схемы подключения предполагает их способность отдавать до 100 Вт мощности. Это значит, что порты USB 3.1 в некоторых случаях будет допустимо использовать не только для питания переносных устройств хранения данных и для зарядки смартфонов и планшетов, но и даже для подпитки энергией, например, полноценных ноутбуков. В дополнение к этому выполненные в соответствии с новым стандартом USB-кабели получили поддержку специального «альтернативного режима», который позволяет передавать аудио и видео по протоколу DisplayPort.

Немалым достоинством стандарта USB 3.1 выступает его обратная совместимость. Это значит, что порты USB 3.1 способны работать в режимах USB 1.x, 2.0 и 3.0. То есть как старые устройства можно подключать к новым портам, так и новые устройства без каких-либо ограничений смогут работать в старых системах.

Впрочем, всё-таки существует один нюанс, который может несколько ограничить совместимость устройств и портов USB 3.1. Дело в том, что новая версия стандарта вводит в употребление ещё один тип разъёма – так называемый USB тип C. Это значит, что появляется дополнительный, независимый вариант портов, который не имеет механической совместимости ни с какими другими разъёмами.

Но даже несмотря на это, разъёмы USB типа C имеют сразу несколько преимуществ по сравнению с остальными реализациями. Самое главное — их можно беспрепятственно переворачивать на 180 градусов: они не имеют верха и низа и их стороны равноправны. Таким образом, вероятность правильно воткнуть штекер в порт увеличивается вдвое – это всегда можно будет сделать с первого раза. Кроме того, новый коннектор имеет сравнительно скромные габариты – он немного похож своими размерами на micro-USB тип B, обычно используемый в смартфонах, а значит, внедрение портов USB типа C может стать повсеместной тенденцией и со временем они станут негласным стандартом для портов USB, которыми будут оснащаться любые устройства.

⇡#USB 3.1 в исполнении ASUS

Компания ASUS смогла начать внедрение USB 3.1 на своих материнских платах одной из первых. Это неудивительно, так как наибольших успехов в разработке необходимых контроллеров достигла компания ASMedia, состоящая с ASUS в тесных партнёрских отношениях. В результате сегодня ASUS может предложить сразу два различающихся варианта реализации портов USB 3.1 – непосредственно на плате или через дочернюю PCIe-карту. Полный список моделей материнских плат, в которых появилась поддержка новых портов, выглядит следующим образом:

• Rampage V Extreme/U3.1;
• X99-Deluxe/U3.1;
• X99-Pro/USB3.1;
• X99-A/USB3.1;
• X99-E WS/USB3.1;
• Z97-Deluxe/USB3.1;
• Z97-Pro(Wi-Fi ac)/USB3.1;
• Z97-A/USB3.1;
• Z97-E/USB3.1;
• Z97-K/USB3.1;
• Sabertooth Z97 Mark 1/USB3.1;
• B85M-G Plus/USB3.1;
• B85-Plus/USB3.1.

Те платы, которые имеют в своём названии маркировку USB3.1, оборудуются двумя портами USB 3.1, выведенными на заднюю панель. Модели же с суффиксом U3.1 комплектуются дополнительной PCIe x2-картой с двумя такими портами.

Обратите внимание, в приведённом списке фигурируют лишь платы для процессоров Intel, и в нём почти нет плат серии ROG. Однако это не значит, что у приверженцев таких решений нет шансов заполучить в свою систему новомодные порты USB. Попутно ASUS готова предложить и отдельную PCIe x2-карту расширения с двумя портами USB 3.1, которую можно будет приобрести независимо от материнской платы.

Нам же на тестирование достались две материнские платы: ASUS X99-A/USB3.1 и ASUS Z97-A/USB3.1.

ASUS X99-A/USB3.1

ASUS Z97-A/USB3.1

Хотя они и имеют между собой коренные различия, так как поддерживают процессоры разного класса (LGA2011-3 и LGA1150), принципы реализации USB 3.1 на этих платах оказались совершенно одинаковыми. Обновлённые версии материнских плат почти полностью повторяют дизайн предшественниц — ASUS X99-A и ASUS Z97-A, — а изменения кроются лишь в появлении на них дополнительного чипа ASMedia ASM1142, который представляет собой двухпортовый контроллер USB 3.1, подключаемый либо к одной линии PCIe 3.0, либо к двум линиям PCIe 2.0. На обеих платах реализован второй вариант, то есть контроллер USB 3.1 в реализации ASUS использует чипсетные линии PCI Express, разделяемые с одним из имеющихся на плате слотов PCI Express 2.0 через мультиплексор. А это значит, что выбран далеко не самый быстрый вариант: на контроллер, реализующий два порта USB 3.1 с максимальной пропускной способностью 1,25 Гбайт/с, приходит шина с реальной полосой пропускания менее 1 Гбайт/с, да ещё и не напрямую, а через промежуточные узлы. Впрочем, на данный момент этого должно хватать: скоростные возможности USB 3.1 по современным меркам явно избыточны.

Контроллер USB 3.1 ASMedia ASM1142

Сами порты USB 3.1 выведены на платах ASUS на заднюю панель в виде традиционных разъёмов типа A. Для их визуального выделения используется видоизменённая цветовая схема: в то время как порты USB 3.0 имеют сердцевину синего цвета, у USB 3.1 она бирюзовая.

ASUS X99-A/USB3.1

ASUS Z97-A/USB3.1

Таким образом, нетрудно заметить, что на ASUS X99-A/USB3.1 порты USB 3.1 заняли место пары портов USB 3.0, которые на прошлой версии этой платы были реализованы дополнительным контроллером ASMedia, а на Z97-A/USB3.1 разъёмы USB 3.1 заменили пару чипсетных портов USB 2.0. В части же остальных характеристик между X99-A и Z97-A и их преемницами X99-A/USB3.1 и Z97-A/USB3.1 никаких различий нет.

Как видите, ASUS пока воздержалась от добавления на свои платы нового USB-разъёма типа C. И это касается не только рассматриваемой пары материнок, но и всей линейки USB 3.1-продуктов. Инженеры решили, что на данном этапе для пользователей важнее совместимость. Устройства, использующие интерфейс USB 3.1, только-только начинают свой жизненный путь, а порты USB 3.1 типа A, которые устанавливаются на платы, без каких-либо ограничений работают со всем старым USB 1.x/2.0/3.0-оборудованием по стандартным кабелям.

Учитывая отсутствие на рынке внешних устройств с новым интерфейсом, компания ASUS предоставила нам не только платы, но и инженерный образец собственного внешнего USB 3.1-контейнера. Однако это – не пример перспективного продукта, а лишь экспериментальный образец, который никогда не будет воспроизводиться серийно.

ASUS USB 3.1 Enclosure

Устройство собрано во внешнем корпусе для 2,5-дюймовых накопителей Lian Li EX-M2. При этом внутри контейнера находится не обычный SSD, а плата, объединяющая два mSATA-накопителя в RAID-массив. Основывается она на контроллере ASMedia ASM1352R, как раз предназначенном для подключения к интерфейсу USB 3.1 одного или нескольких SATA-накопителей. Поскольку данный чип представляет собой вполне стандартное и общедоступное решение, можно ожидать, что агрегаты, подобные нашему экспериментальному тестовому устройству ASUS, через некоторое время смогут предложить другие производители, традиционно занимающиеся компьютерной периферией.

В варианте же, предоставленном ASUS, в RAID-массив уровня 0 было объединено два mSATA-накопителя Samsung SSD 840 EVO ёмкостью по 250 Гбайт каждый. Благодаря этому полученный 500-гигабайтный массив обладает возможностью выдавать при последовательных операциях скорости, существенно превышающие пропускную способность интерфейса SATA 6 Гбит/с. В частности, по утверждению инженеров ASUS, предельные пиковые результаты устройства при подключении через интерфейс USB 3.1 могут достигать величины 860 Мбайт/с.

Начинка ASUS USB 3.1 Enclosure

Внешний накопитель ASUS для своей работы требует подсоединения сразу двух USB-кабелей. Через старомодный разъём micro-B USB на него подаётся питание, а современный разъём типа C служит для передачи данных. Кроме того, по соседству с разъёмами располагается технологическая перемычка и три диагностических светодиода. Отметим, что одновременное использование для подключения контейнера к ПК сразу двух USB-разъёмов в данном случае избыточно, и серийные продукты наверняка смогут обходиться одним разъёмом, например типа C, на который допускается вешать электрическую нагрузку мощностью до 15 Вт.

Кабель ASUS USB 3.1 Enclosure: с одного конца USB Type A, с другого – USB Type C

⇡#Технология ASUS USB 3.1 Boost

Говоря о стандарте USB 3.1 и о росте скорости этого интерфейса, нельзя не упомянуть и о том, что инженеры компании ASUS проделали дополнительную работу и активировали в стандартном протоколе передачи данных некоторые по умолчанию отключенные оптимизации – режимы Turbo и UASP. Они были доступны на платах ASUS и для USB 3.0, но теперь их адаптировали для нового стандарта, что должно позволить достичь более высокой скорости передачи данных по интерфейсу USB. Конечно, максимальная теоретическая пропускная способность при этом не превышается, однако включение технологии USB 3.1 Boost использует возможности интерфейса более эффективно и дополнительно приближает реальные скорости к теоретическому максимуму.

В стандартном режиме передачи данных BOT (Bulk-only transport), который остался неизменным со времён первых версий USB и используется по умолчанию, информация и команды передаются через интерфейс последовательно, причём никакая параллельная обработка при этом не поддерживается, все команды обрабатываются по одной за раз. Очевидно, что при такой схеме производительность интерфейса оказывается напрямую связанной с размером транзакций. В частности, переход на более крупные пакеты снижает трафик, приходящийся на долю команд и служебной информации, и увеличивает скорость при последовательной передаче данных, то есть при обмене большими файлами. Однако у увеличения размера транзакций есть и обратная сторона: производительность при передаче мелких порций информации, размер которых меньше объёма транзакции, замедляется. Поэтому инженеры ASUS в своём режиме Turbo, суть которого заключается в оптимизации размеров транзакций BOT-протокола, применили комбинированный подход. В новой версии этого режима, которая была введена именно для USB 3.1, не просто увеличивается размер транзакций. Для того чтобы исключить возможные падения производительности, теперь добавлено ещё и кеширование, которое должно минимизировать случаи передачи небольших порций данных.

Более того, в дополнение к обновлённому Turbo-режиму инженеры ASUS добавили и включение нового протокола UASP (USB Attached SCSI Protocol), который появился в стандарте USB 3.0. Он предполагает использование наборов команд SCSI поверх USB-транспорта. Принципиальное отличие UASP заключается в его многопоточности и способности обрабатывать по несколько команд одновременно, что снижает время ожидания и поднимает скорость передачи за счёт увеличения полезной загрузки интерфейса. UASP предусматривает выделение четырёх независимых каналов, разделяющих обмен данными, командами и статусом по разным конвейерам. Фактически UASP добавляет многозадачность и возможность перестановки команд в очереди (аналог NCQ) для USB, однако для работы этого протокола требуется специальная поддержка как со стороны хоста, так и со стороны клиента. К сожалению, UASP поддерживали далеко не все устройства и контроллеры USB 3.0, однако с вводом в употребление стандарта USB 3.1 ситуация, вероятно, изменится к лучшему, и эффективность этого параллельного протокола смогут ощутить все пользователи без исключения.

На платах ASUS активация режимов UASP и Turbo выполняется через входящую в пакет AI Suite III специализированную утилиту ASUS USB 3.1 Boost.

Эта утилита проверяет совместимость портов и подключенных устройств и вносит необходимые настройки в параметры USB-драйвера.