USB 3.0 и SATA Rev. 3.0: догонялки

Хотя с той поры, как появилась «Песнь ямщика», минуло, почитай, ужо годков полтораста, высказанная в этих строках мысль по-прежнему актуальна. Только счет нонче идёт не на «дни златые», а на минуты-секунды бешеного ритма рабочего (да и выходного) дня, которых, как оказывается, тоже не так уж много «в жизни сей». Да и «тройки» уже не гнедые, а всё USB 3.0 да SATA Rev. 3.0... И кто лучше и быстрее передаст нужную нам информацию, тот в итоге и на коне.

Последовательный интерфейс USB исторически всегда заметно отставал по скорости передачи данных от дискового Serial ATA, служил эдакими «вожжами», «охлаждавшими пыл» SATA/PATA. И лишь с недавним появлением версии USB 3.0 (SuperSpeed USB) с пиковой скоростью до 5 Гбит/с у внешних накопителей появился шанс поспевать за бешеным ритмом компьютерной жизни. Почти в то же время появилась и новая версия интерфейса Serial ATA с официально правильным названием SATA Revision 3.0 (а никак не SATA III, SATA 3.0 и прочая безграмотная «самопись»). Другое официально допустимое название этого интерфейса, SATA 6 Gb/s, отражает тот факт, что максимальная скорость SATA Rev. 3.0 составляет 6 Гбит/с. Но может ли внешний USB 3.0 со своими 5 Гбит/с соперничать с внутренним SATA 6 Гбит/с или внешним eSATA на его основе? Особенно если учесть, что нынче контроллеры обоих интерфейсов на «материнках» нередко «сажают» на шину PCI Express x1 2.0 с пиковой скоростью в те же 5 Гбит/с...

Наши внимательные читатели, видимо, уже в курсе, что на данный момент «уклад жизни» незыблем, то есть в среднем на практике интерфейс SuperSpeed USB работает заметно медленнее свежего SATA/eSATA. Если последний теоретически выдает до 600 Мбайт/с и на практике по полезным данным удаётся выжать из него до 560-580 Мбайт/с, то над USB довлеет архитектурное «наследие прошлого». Так, Hi-Speed USB при пиковой скорости в 480 Мбит/с мог потоком передавать полезные данные на скорости 35-36 Мбайт/с. То есть, по аналогии, от USB 3.0 мы могли бы ожидать практических скоростей лишь в районе 350-400 Мбайт/с. В принципе, не так уж плохо, если бы не одно «но».

Дело в том, что реальные контроллеры этих интерфейсов, разрабатываемые теми или иными компаниями, реализуют работу не идеально. Причём это касается как USB 3.0, так и SATA Rev. 3.0 (ранее «детские болезни» в той или иной мере также касались USB 2.0 и SATA предыдущих поколений). То есть выжать из интерфейсных новинок «теоретический максимум» (или хотя бы близкие к нему значения) на текущих продуктах (хост-контроллерах и накопителях) невозможно. Можно лишь пытаться получить более или менее высокую скорость работы. И вот тут мы вплотную подошли к собственно предмету данной статьи.

Конечно же, мы не станем напрямую сталкивать лбами интерфейсы USB 3.0 и SATA/eSATA Rev. 3.0. Заранее понятно, кто из них будет в роли лидера, а кто — на позиции вечно догоняющего. Впрочем, результаты тестов для этих интерфейсов мы приведём, и вы сами сможете судить, каков разрыв между потенциальными соперниками.

Нас здесь интересует более практически полезный вопрос: какие из конкретных контроллеров, присутствующих сейчас на рынке, обеспечивают наилучшие скоростные показатели тому и другому интерфейсу и насколько лидеры опережают аутсайдеров. Это в итоге может повлиять и на выбор пользователем той или иной материнской платы.

⇡#Методика и участники тестирования

Мы не ставили перед собой цель собрать абсолютно все присутствующие сейчас на рынке контроллеры этих двух интерфейсов, поэтому ограничились наиболее популярными, «ключевыми» моделями. В их число попали:

SATA Rev. 3.0:

1. Контроллер чипсета Intel Z68 Express;
2. Контроллер чипсета AMD SB950 (SB850);
3. Контроллер Marvell 88SE9172 на шине PCIe x1 2.0;
4. Контроллер ASMedia ASM1061 на шине PCIe x1 2.0.

USB 3.0 (все на шине PCIe x1 2.0):

1. Контроллер ASMedia ASM1042;
2. Контроллер EtronTech EJ168A.

Самые популярные сейчас микроконтроллеры интерфейса USB 3.0 для шины PCI Express x1 версии 2.0

Популярный года два назад контроллер USB 3.0 от NEC/Renesas (чип uPD720200) нынче уже не так просто встретить на рынке: на новые модели «материнок» его практически не ставят (он дороже недавно появившихся конкурентов), да и «одинокие» PCIe-карточки USB 3.0 на этом чипе найти в московской рознице стало уже проблематично. Поэтому мы не стали включать этот хост в наш обзор. Зато у нас присутствуют два более свежих решения: чип ASM1042 от компании ASMedia Technology (дочернего предприятия ASUSTeK Computer) и еще более интересный чип EJ168A от компании Etron Technology, который сейчас продвигается как одно из самых скоростных решений для USB 3.0 и ставится на многие «продвинутые» «материнки».

Испытания проводились нами на трёх материнских платах:

1. Gigabyte GA-Z68XP-UD3-iSSD;
2. ASUS Crosshair V Formula;
3. ASRock Fatal1ty 990FX Professional.

На первой из них расположены контроллеры:

1. SATA 6 Гбит/с чипсета Intel Z68 Express;
2. SATA 6 Гбит/с Marvell 88SE9172 на шине PCIe x1 2.0;
3. USB 3.0 EtronTech EJ168A на шине PCIe x1 2.0.

В состав второй входят контроллеры:

1. SATA 6 Гбит/с южного моста AMD SB950;
2. SATA 6 Гбит/с ASMedia ASM1061 на шине PCIe x1 2.0
3. USB 3.0 ASMedia ASM1042 на шине PCIe x1 2.0.

В состав третьей входят контроллеры:

1. SATA 6 Гбит/с южного моста AMD SB950;
2. SATA 6 Гбит/с Marvell 88SE9172 на шине PCIe x1 2.0;
3. USB 3.0 EtronTech EJ168A на шине PCIe x1 2.0.

Данные для SATA-контроллера моста AMD SB950 приводятся нами ниже для платы ASRock с добавлением одной «контрольной» точки от платы ASUS (результаты для SB950 на обеих платах очень близки). Кроме того, все SATA-контроллеры были протестированы нами в двух режимах — IDE и AHCI. А для некоторых USB-контроллеров испытания проводились как с выключенным (QR, или Quick Removal), так и с включенным (BP, или Better Performance) кешированием внешних накопителей (в Windows-свойствах соответствующих девайсов, см. скриншот).

К контроллерам подключались следующие накопители:

1. жёсткий диск Seagate Barracuda XT ST33000651AS (SATA 6 Гбит/с, 3 Тбайт);
2. SSD OCZ Solid 3 (SATA 6 Гбит/с, контроллер SandForce SF-2281, 120 Гбайт);
3. внешний диск Seagate GoFlex Desk STAC4000200 (USB 3.0, 4 Тбайт);
4. внешний диск Seagate GoFlex STAA500205 (USB 3.0, 500 Гбайт);
5. внешний диск Transcend StoreJet TS500GSJ25D3 (USB 3.0, 500 Гбайт).

Подчеркнем, что нас интересует здесь исключительно скорость работы интерфейсов, поэтому внутренняя скорость самих накопителей (то есть скорость чтения/записи данных на пластины или флеш-память) нам в этой статье совсем не важна, она не оказывает никакого влияния на результаты наших тестов. В частности, поэтому мы не видели смысла добавлять в эту компанию SSD с интерфейсом USB 3.0: дело в том, что текущие модели подобных накопителей используют чип-транслятор USB 3.0 во внутренний интерфейс SATA (причем обычно Rev. 2.0, то есть со скоростью не выше 3 Гбит/с), поскольку именно им, а не USB 3.0, оснащены нынешние флеш-контроллеры SSD. А скорость такого решения с чипом-транслятором USB-SATA мы уже тестируем при помощи внешних жёстких дисков.

Другая тонкость заключается в том, что «не все трансляторы одинаково полезны». То есть применяемые во внешних USB-накопителях преобразователи интерфейсов USB 3.0 в SATA по-разному работают с теми или иными хост-контроллерами USB 3.0. Соответственно, это может существенно сказаться на скорости работы с этой шиной внешних накопителей. Именно это мы увидим на примере сравнения внешних дисков от Seagate и Transcend.

Карта расширения на чипе ASM1042 продемонстрировала очень низкую скорость работы интерфейса USB 3.0

Наконец, не все реализации интерфейса USB 3.0, даже на одном и том же чипе хост-контроллера, «одинаково полезны». В частности, побывавшая у нас на тестировании отдельная двухпортовая PCIe-плата контроллера USB 3.0 на чипе ASMedia ASM1042 (см. фото выше этого абзаца) продемонстрировала в испытаниях скорость, в несколько раз меньшую, чем показатели решения на том же чипе в составе испытанной нами материнской платы ASUS. Значения на уровне 50-60 Мбайт/с показались нам настолько низкими, что мы не посчитали нужным включать их в перечень результатов статьи. Так что при покупке отдельной платы хост-контроллера USB 3.0 (да и дешевых «материнок» с такими решениями) будьте аккуратны и по возможности требуйте возврата денег в случае, если реализация интерфейса USB 3.0 там окажется проблемной по скорости. Чтобы не «терять дни златые» в унылом ожидании.

Вместе с «материнками» использовались 4-ядерные процессоры AMD FX 4100 и Intel Core i5-2500 и 4 Гбайт двухканальной памяти DDR3-1600, а также ОС MS Windows 7 Ultimate x64, установленная на системный SSD.

Для измерений скорости передачи данных по интерфейсам (без влияния скорости чтения-записи данных на сами носители) мы применили тесты буферизованного чтения (и записи) при помощи трёх утилит:

1. AIDA64 2.00 Disk Benchmark, тест Buffered Read;
2. HD Tach RW 3.0, тест Burst Speed (буферизованное чтение);
3. ATTO Disk Benchmark v2.46, чтение и запись файла объёмом 1 Мбайт.

Первая утилита — одна из наиболее часто используемых простыми пользователями для дисковых бенчмарков. Она выдает достаточно надёжные результаты, однако иногда грешит по некоторым показателям (в частности, на буферизованных операциях в особо сложных случаях). Вторая утилита, как правило, демонстрирует наиболее высокие значения скорости буферизованного чтения на интерфейсах USB 2.0 и SATA 3 Гбит/с, поэтому её показатели для USB 3.0 и SATA 6 Гбит/с будут нам особенно интересны. Обе эти программы используют низкоуровневое обращение к дискам (в обход файловой системы). Наконец, третья утилита использует обращения именно к файловой системе, и с её помощью можно, в частности, измерить скорость буферизованного чтения и записи накопителей, если использовать обращения без кеширования в ОС (параметр Direct I/O) и задать размер тестового файла равным, например, 1 Мбайт (это справедливо для случая большинства современных накопителей, обладающих кеширующей памятью существенно большего объёма). Забегая вперед, подчеркнём, что именно в тесте ATTO нам удалось получить самые высокие скорости для SATA Rev. 3.0.

Ряд других распространенных простеньких бенчмарков вроде HD Tune, CrystalDiskMark и прочих мы не стали применять ввиду либо их неприспособленности для данных измерений, либо (что чаще) неадекватности их показаний.

⇡#Результаты тестов

Скорость интерфейса Serial ATA Revision 3.0 для всех четырёх хост-контроллеров, работающих в режимах AHCI и IDE, и двух типов современных накопителей (HDD и SSD) показана на следующей диаграмме:

Скорость интерфейса SATA Rev. 3.0 для HDD, SSD и 4 хост-контроллеров, работающих в режимах AHCI и IDE

Результатов много, поэтому пойдем поэтапно.

• Во-первых, сразу бросаются в глаза заметно более низкие показатели бенчмарка HD Tach RW 3, чем у двух других использованных нами утилит (лишь изредка они близки: например, для IDE-режима работы контроллеров). Если для SATA Rev. 2.0 эта программа выдавала весьма высокие показатели, то SATA 6 Гбит/с ставит этот тест на одно колено (впрочем, ряд не показанных нами здесь утилит вообще «сбивает с ног»). Поэтому полностью доверять показателям HD Tach 3 в случае SATA Rev. 3.0 уже не стоит, они могут служить разве что для относительного и весьма приблизительного сравнения однотипных решений.

• Во-вторых, показатели низкоуровневого теста Buffered Read из AIDA64 Disk Benchmark хоть и достаточно высоки и к тому же наглядны (программа строит график, близкий к горизонтальному), всё же, как правило, ниже, чем скорости работы интерфейса, полученные нами при помощи файлового теста ATTO Disk Benchmark. К тому же последний удобен тем, что позволяет одновременно с чтением измерять и буферизованную скорость записи, не разрушая информацию на дисках (то есть тесты можно проводить даже на системных логических разделах). Для высокоскоростного интерфейса SATA 6 Гбит/с именно профессиональный бенчмарк от ATTO способен дать наиболее адекватные результаты полосы пропускания шины (варианты аналогичных измерений при помощи, например, теста IOMeter выходят за рамки данной статьи ввиду их повышенной комплексности). Именно в тесте ATTO нам удалось получить скорости работы интерфейса SATA с контроллером SandForce SF-2281, близкие к практическому пределу самого интерфейса (570-580 Мбайт/с по полезным данным).

• В-третьих, очевидно, что в режиме AHCI для всех 4 контроллеров и дисков скорость работы интерфейса существенно выше, чем в режиме IDE. Разумеется, пресловутая NCQ здесь ни при чём — при измерениях скорости интерфейса данные читаются/пишутся практически только в буфер накопителя, реальные обращения к магнитным пластинам и флеш-памяти пренебрежимо малы. А это значит, что AHCI-режим хост-контроллеров позволяет более эффективно использовать шину SATA, чем устаревший IDE. Особенно заметна «пропасть» между скоростью AHCI и IDE для SSD — порой разница доходит до полутора раз!

Кстати, если включить опцию кеширования в драйверах Marvell для контроллера Marvell 88SE9172 (и аналогичных),

то показатели тестов буферизованного чтения для данного контроллера возрастают примерно до 3 Гбайт/с, то есть соответствуют скорости работы с системной памятью тестового ПК. Понятно, что к скорости самого интерфейса это не имеет никакого отношения.

• В-четвёртых, показательно, что при записи скорость работы интерфейса SATA, как правило, существенно ниже, чем при чтении. Единственное исключение — IDE-режим общения с SSD, где более простая организация протокола IDE, очевидно, приносит свои плоды. Впрочем, если верить «файловому» тесту ATTO, то для жёстких дисков (HDD) падение скорости интерфейса SATA при записи по сравнению с чтением может доходить до двух раз и даже более! И только с SSD нам удалось получить при записи скорость интерфейса, превышающую 3 Гбит/с, то есть при записи на HDD скорость SATA Rev. 3.0 почти такая же, как при использовании интерфейса SATA предыдущего поколения (Rev. 2.0).

• В-пятых, интегрированные в системные чипсеты SATA-контроллеры показали заметно более высокую скорость работы интерфейса, чем дискретные на шине PCIe x1 2.0 (от Marvell и ASMedia): 470 Мбайт/с против примерно 350 Мбайт/с для AHCI HDD (и 550 против 400 Мбайт/с для AHCI SSD). Напомним, что первые связаны с процессором и контроллером памяти по вчетверо более быстрым шинам (их пиковая скорость 2 Гбайт/с против 500 Мбайт/с у PCIe x1 2.0). А шина PCIe x1 2.0 со своими 5 Гбит/с уже «обрезает» полосу интерфейса SATA 6 Гбит/с. Дополнительными факторами, негативно влияющими на скорость, оказываются задержки на шинах, в том числе обслуживание самой шины PCIe x1 контроллером шин в системном чипсете, а также неидеальности реализации SATA в дискретных контроллерах. Если вам нужны максимальные скорости от ваших SATA SSD или RAID-массивов, то альтернативы чипсетным контроллерам в бюджетном сегменте фактически нет (профессиональные SAS/SATA-контроллеры на шине PCI Express x8 мы здесь в расчёт не берём). Дискретные же SATA-контроллеры подойдут там, где нужно гибко хранить большие объёмы данных, то есть для внешних eSATA-накопителей или внутренних HDD большой ёмкости и не топовой скорости.

• В-шестых, микроконтроллеры ASMedia ASM1061 и Marvell 88SE1972 демонстрируют примерно одинаковую скорость работы интерфейса SATA 6 Гбит/с. Некоторое предпочтение первому можно отдать при записи, однако для одиночных HDD (а именно в таком режиме эти контроллеры лучше всего использовать, см. выше) разница совершенно некритична.

• В-седьмых, соперничество AMD и Intel на почве SATA-контроллеров («не ЦП и ГП двуедиными живы…») показывает, что решения в «южниках» Z68 и SB950 примерно равноценны по скорости чтения как в AHCI, так и IDE-режимах. Однако на стороне AMD оказывается в среднем более высокая скорость записи в режиме AHCI (на HDD и SSD) и наличие шести портов со скоростью 6 Гбит/с против пока что двух у Intel Z68. С небольшим преимуществом этот раунд «красно-зелёные» выигрывают у «голубых».

Въедливый читатель без труда сможет сделать из результатов на диаграмме выше ещё несколько интересных выводов, а мы переходим к скорости интерфейса USB 3.0 на разных контроллерах.

Скорость интерфейса USB 3.0 для разных HDD и 3 хост-контроллеров

• Во-первых, заметим, что внешний 2,5-дюймовый диск Seagate GoFlex STAA500205 (500 Гбайт) показал практически такие же результаты по скорости интерфейса, как и Seagate GoFlex Desk STAC4000200 на 4 Тбайт с 3,5-дюймовым диском SATA 6 Гбит/с. Поэтому на диаграмме мы приводим результаты лишь для последнего, а первый был использован нами только для проверки (подтверждения) тех проблем со скоростью, которые мы наблюдали у современных внешних дисков Seagate с некоторыми контроллерами USB 3.0. В отличие от них, внешний диск Transcend StoreJet TS500GSJ25D3 на 500 Гбайт (кстати, на более древнем чипе-трансляторе) вёл себя более уверенно и быстро со всеми из протестированных нами контроллеров.

• Во-вторых, нынешние внешние диски Seagate для USB 3.0 имеют явные проблемы с некоторыми хост-контроллерами в плане скорости интерфейса. Так, ограничение по скорости в районе 100-110 Мбайт/с с двумя из трёх показанных на диаграмме выше контроллеров USB 3.0 не позволяет полностью раскрыть скоростной потенциал 4-терабайтного винчестера, установленного в этот накопитель (собственная скорость HDD доходит до 190 Мбайт/с!). Интересно, что хотя на платы от ASRock и Gigabyte был установлен хост USB 3.0 одной и той же модели (Etron EJ168A), его работа с разными внешними дисками оказалась разной по скорости: накопитель от Transcend работал явно быстрее с платой Gigabyte (на Intel), чем с ASRock (на AMD), зато на плате ASRock диски Seagate не имели глобальных проблем со скоростью USB 3.0 и демонстрировали почти всю свою прыть (подкачала лишь скорость записи).

• В-третьих, USB-контроллер ASMedia ASM1042 на «материнке» ASUS с диском Transcend показал почти ту же скорость, что и быстродействующий Etron EJ168A на плате ASRock, однако для накопителей Seagate недобор скорости интерфейса с ним оказался почти двукратным, что нельзя признать удовлетворительным. Впрочем, как мы отмечали выше, отдельная PCIe-плата контроллера USB 3.0 на чипе ASM1042 показала ещё более низкие значения, на уровне 50-60 Мбайт/с, то есть данные он передаст не «с ветерком», а «с матерком», ставящим под сомнение целесообразность применения USB 3.0 вместо 2.0.

• В-четвёртых, скорость интерфейса внешних дисков с включенным (BP, Better Performance) кешированием внешних накопителей в Windows оказывается почти такой же, как с выключенным (QR, Quick Removal). Реальную пользу от BP можно будет ощутить только при чтении/записи множества мелких файлов или при работе приложений с внешнего HDD. А пока что пиковая скорость интерфейса USB 3.0 на реальных рыночных продуктах едва доходит до 200 Мбайт/с, что примерно вдвое ниже как ожидаемого от него потенциала, так и показателей сопоставимых решений на eSATA версии «6 Гбит/с».

⇡#Выводы

Собственно, все выводы из результатов наших испытаний скорости интерфейсов SATA Rev. 3.0 и USB 3.0 для наиболее популярных современных контроллеров компактно изложены по пунктам выше. Так, оказывается, что «не все контроллеры одинаково полезны». Среди хостов SATA Rev. 3.0 однозначно лидируют интегрированные в чипсеты AMD и Intel, причем подключать современные SSD и RAID-массивы лучше именно к ним, тогда как «дополнительные» наплатные SATA-чипы на шине PCI Express x1 2.0 уступают «чипсетным» по скорости интерфейса до полутора раз и пригодны только для нетребовательных к быстродействию внутренних и внешних HDD. А режим AHCI во многих случаях выгоднее по скорости, чем IDE.

Текущие решения для USB 3.0 пока не могут соперничать по скорости с SATA/eSATA даже второго поколения (3 Гбит/с) — они медленнее «PCI-экспрессных» чипов SATA/eSATA Rev 3.0 примерно вдвое. Однако потенциал, заложенный в USB 3.0, всё же позволяет надеяться на появление в будущем контроллеров и внешних USB-накопителей со скоростью передачи данных свыше 300 Мбайт/с.