USB 3.0: периферийный интерфейс будущего (обновлено)

За 12 лет, прошедших с момента начала активного продвижения стандарта Universal Serial Bus на рынок, он смог занять фактически монопольную позицию, устранив всех былых конкурентов и обзаведясь новыми. Теперь мы стоим на пороге очередного витка его развития с приходом третьей ревизии стандарта – SuperSpeed USB.

USB: «интерфейс для всех»

История интерфейса Universal Serial Bus, на сегодняшний день являющегося де-факто стандартом для периферийных устройств, началась 16 лет назад, в 1994 г. Консорциум разработчиков состоял из семи компаний: Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC и Nortel, главным разработчиком был сотрудник Intel Аджай Бхатт (Ajay Bhatt). Подоплекой к созданию новой технологии стала растущая необходимость во введении удобного интерфейса для подключения периферийных устройств, поскольку типичные для тех годов COM, LPT и PS/2 отличались низкой пропускной способностью и не поддерживали горячее подключение, а их разъемы были неудобны для применения из-за больших разъемов со множеством контактов и, соответственно, толстых кабелей.

Впервые USB была представлена общественности в виде предварительной ревизии спецификаций в версии 0.7 в ноябре 1994 г., дебютный контроллер разработала Intel в 1995 г., а финальная ревизия спецификаций увидела свет в январе 1996 г., и с того времени началось победоносное шествие этого интерфейса к сегодняшнему доминированию на рынке.

USB 1.0 содержала некоторые недоработки касательно скоростных режимов подключения и взаимодействия с разветвителями портов, потому первой коммерчески успешной версией интерфейса стала 1.1, представленная в сентябре 1998 г. В ней были предусмотрены два режима: Low Speed (1,5 Мб/с) для нетребовательных к пропускной способности устройств и Full Speed (12 Мб/с). Стандарт довольно быстро получил признание индустрии, спровоцировав массовый переход производителей манипуляторов, принтеров, сканеров, телекоммуникационного оборудования и пр. с COM и LPT на USB. Примерно в то же время стал абсолютно бесполезным и разъем DA-15 (известный как Game port), использовавшийся для подключения игровых джойстиков и рулей, поскольку все разработчики этих устройств, до того момента предпочитавшие этот аналоговый интерфейс цифровому COM, перешли на USB в связи с его сниженной латентностью и возможностью прямой подачи питания.

Прошло всего полтора года, и стремительное распространение USB привело к появлению его в продуктах, для которых 12 Мб/с уже было недостаточно. В ответ на это в апреле 2000 г. была представлена следующая версия спецификации – USB 2.0, увеличившая пропускную способность сразу в 40 раз – до 480 Мб/с. Новый режим работы назвали Hi-Speed (в целом выбор наименований вряд ли можно считать удачным – неподготовленный пользователь скорее всего не сможет разобраться, что же быстрее – Full Speed или Hi-Speed).

В дальнейшем USB 2.0 развивался незначительно, получая обновления в форме поправок (ECN, Engineering Change Notices). Наиболее важные из них описывали введение разъемов mini-B и micro-B/AB для портативных устройств, появление режима USB On-the-Go, сделавшего возможным подключение двух периферийных устройств напрямую без ПК (например, накопителя и принтера) и внедрение возможности зарядки батарей через интерфейсные порты ПК и внешние адаптеры с разъемом USB.

Именно USB 2.0 стала ревизией, после которой этот интерфейс начал распространяться поистине лавинообразно, вытеснив с рынка практически всех конкурентов. Увеличенная пропускная способность сделала целесообразным применение его во внешних накопителях, фактически породив целую нишу для производителей HDD, на сегодняшний день являющуюся одной из приоритетных для них. Как следствие, в подавляющем большинстве случаев вендоры просто отказались от старых стандартов, и в данный момент единственным таким «пережитком прошлого» остается лишь PS/2, который по не совсем ясным причинам продолжают поддерживать разработчики клавиатур и мышей, с одной стороны, и материнских плат – с другой. По данным аналитического агентства In-Stat, количество используемых устройств с интерфейсом USB на март 2008 г. составило 6,5 млрд, при этом ежегодно объем их поставок растет и уже превзошел отметку 2 млрд единиц в год.

ASUS Rampage III Extreme

Прогресс не стоит на месте, и для многих внешних устройств, например накопителей и мультимедийных продуктов, производительности USB 2.0 уже недостаточно. В связи с этим была разработана новая ревизия стандарта, получившая номер 3.0 и десятикратный прирост быстродействия. Первые детали ее стали вырисовываться в 2007 г., в частности, Intel сообщала, что в интерфейсе появится оптическая линия для высокоскоростного соединения, однако потом разработчики пошли более простым путем, а оптика перекочевала в собственную технологию Intel Light Peak, которую прочат на замену не только USB, но и Ethernet, и DVI/HDMI, и даже PCI Express и SATA. Финальная спецификация USB 3.0 была завершена 17 ноября 2008 г. и передана консорциуму USB-IF, занимающемуся сертификацией конечных продуктов на базе этого интерфейса. Первым таким устройством должна была стать материнская плата ASUS P6X58 для платформы Intel Socket 1366, анонсированная летом 2009 г., однако спустя всего неделю после анонса выпуск продукта был отменен. В итоге первыми сертифицированными платформами с поддержкой USB 3.0 были официально представленные на CES 2010 в начале января платы ASUS и Gigabyte, хотя еще в октябре 2009 г. Gigabyte начала поставки остальных семи платформ на базе чипсета Intel P55 с USB 3.0. Что касается других устройств, то их список пока не так уж велик: лишь недавно USB-IF отчиталась о достижении планки в 75 продуктов, среди которых основную массу составляют флэш-накопители и внешние HDD. Такой медленный старт объясняется просто: единственный сколько-нибудь распространенный контроллер – NEC µPD720200, а AMD и Intel пока проявляют осторожность и не внедряют поддержку USB 3.0 в свои чипсеты, вызывая тем самым опаску и среди разработчиков периферии. Впрочем, NEC уже сообщила о пересечении отметки в 3 млн. отгруженных чипов за полгода с момента его сертификации и наращивании производства чипа до 2 млн единиц в месяц с апреля 2010 г. в связи с растущим спросом, так что инсталляционная база должна начать расти очень быстро.

Общие сведения

Gigabyte GA-P55A-UD6

Прежде чем приступить к детальному рассмотрению изменений в USB 3.0, опишем общие принципы работы самого интерфейса. Как следует из названия, Universal Serial Bus – асимметричная последовательная полудуплексная шина. В ней используется топология «многоуровневая звезда», в рамках которой ведущим устройством является хост, позволяющий подключение до 127 клиентов посредством разветвителей портов с поддержкой до пяти уровней. В рамках одной шины может быть только один физический хост (контроллер), но в целях минимизации потерь производительности из-за особенностей работы протокола чаще всего вводятся несколько логических хостов, которые управляют портами в зависимости от типа подключенных конечных устройств. Именно из-за ограничения их количества невозможно объединить два ПК посредством USB (подобные решения существуют, однако на самом деле в них входит отдельный контроллер, а на подключаемых компьютерах требуется установка драйвера).

Как мы уже упоминали, USB 2.0 поддерживает три режима работы: Low Speed (1,5 Мб/с), Full Speed (12 Мб/с) и Hi-Speed (480 Мб/с). На практике производительность будет ниже: во-первых, используется избыточное кодирование данных (на 8 «полезных» битов передается 10), во-вторых, имеются значительные потери на обработку протокола. Реальные значения для Hi-Speed редко превышают 30–35 МБ/с (240–280 Мб/с).

Протокол USB предусматривает, что обмен данными с устройствами происходит посредством логических каналов (pipes), устанавливаемых между хостом и так называемой конечной точкой – логической сущностью, адресуемой контроллером в соответствии с поддерживаемой функцией, которую подключенное устройство сообщает ему. Канал всегда настраивается по инициативе контроллера, клиент не может инициировать связь. Эта особенность является одним из основных недостатков USB по сравнению с прямым конкурентом – интерфейсом IEEE 1394 FireWire, в котором каждое устройство может инициировать связь с другим по топологии «точка-точка».

По каналу данные передаются посредством четырех возможных типов передач в зависимости от типа конечной точки:

Gigabyte GA-H55N-USB3
  • потоковая (Bulk): большой объем данных с использованием всей свободной пропуск­ной способности, без гарантирования полосы или латент­ности, с гарантией доставки (для пересылки файлов);
  • основанная на прерывании (Interrupt): передача малого объема данных с гарантией латентности и доставки пакета (для клавиатур, мышей и т. п.);
  • изохронная (Isochronous): передача небольшого объема данных с гарантированной полосой пропускания, без гарантии латентности и доставки (для веб-камер, звуковых карт и т. п.);
  • контрольная (Control): строго стандартизированная служебная передача для управления устройством и отсылки специфических данных (его VID/PID для определения типа клиента и установки драйвера, состояние, синхронизация и т. д.).

Первые три типа являются так называемыми потоковыми (Stream pipe), последний – командным (Message pipe). Любая передача в USB является однонаправленной, при необходимости передачи данных в обоих направлениях контроллер поочередно устанавливает канал связи в восходящем и нисходящем направлениях.

Поскольку соединения инициируются только хостом, через определенные интервалы он опрашивает все подключенные устройства по порядку (в зависимости от типа передач, от критичных к латентности до самого «нетребовательного» Bulk), и если устройству нужно отослать или принять данные, обслуживает его. Следовательно, даже простая мышь будет снижать общую производительность шины, и чем больше к контроллеру подключено клиентов, тем сильнее окажется этот эффект. Чтобы немного сгладить его, разработчики контроллеров реализуют в физических хостах несколько логических интерфейсов (на данный момент – EHCI, Enhanced Host Controller Interface), группирующих подключенные конечные точки по типам таким образом, чтобы, например, изохронный клиент (веб-камера), постоянно требующий некой пропускной способности, не мешал устройствам, работающим по прерываниям (подобно ситуациям, когда при передаче данных от LPT-сканеров намертво зависают мышь и клавиатура). Наименее привилегированными остаются Bulk-клиенты – им приходится довольствоваться остатками пропускной способности шины, которые отдаются им последними.

ASRock 890FX Deluxe3

Необычным режимом работы USB является USB On-the-Go, позволяющий подключить два клиентских устройства без участия хоста, при этом одно из них логически назначает себя ведущим. Примером может служить принтер с функцией прямой печати с внешнего носителя или камеры, который при их подключении станет хостом, однако при работе с ПК будет клиентом.

Из физических характеристик USB 2.0 отметим, что интерфейс может быть представлен несколькими типами разъемов: A, B, mini-A, mini-B, micro-B и micro-AB. Тип А является универсальным и встречается повсеместно, В предназначен для более или менее крупной техники вроде внешних накопителей и принтеров, mini-А/AB на сегодняшний день не используются, остальные распространены в портативных устройствах. Разъемы micro-B с недавнего времени стали стандартными для зарядки мобильных телефонов с функцией связи ПК большинства вендоров благодаря инициативам Open Mobile Terminal Platform и Международного Телекоммуникационного Союза.

Кабель USB состоит из четырех жил: +5 В, «земля» и витая пара для передачи данных. В кабелях mini- и micro-USB используется пятая жила для определения типа разъема (в micro-A она заземлена, в micro-B – нет). Максимальная теоретическая длина при использовании обычных проводов составляет 5 м, однако на практике для устойчивого соединения рекомендуются более короткие кабели, чаще всего – до 1,2 м.

Каждый порт USB обеспечивает максимальный питающий ток до 500 мА по линии 5 В, таким образом, пиковая потребляемая мощность устройства может составить 2,5 Вт. Однако есть в реализации питания посредством USB интересный нюанс: физически выдаваемый портом ток ничем не ограничен и зависит лишь от качества разводки на материнской плате или контроллере. Драйвер определяет, хватит ли подключенному клиенту тока только по передаваемому самим клиентом параметру bMaxPower при инициализации, и либо запускает его, либо оставляет неинициализированным. Таким образом, прошивка может обмануть систему, заявив, что ему нужно лишь, к примеру, 250 мА, а на самом деле «потянуть» 750 мА (как часто и бывает с портативными жесткими дисками). Следовательно, если разводка цепей питания портов сделана не слишком хорошо и напряжение по шине 5В сильно «просядет» – такое устройство работать не сможет, яркий пример тому – все те же HDD, неспособные раскрутить шпиндель на некоторых системах. Иногда этот нюанс разработчики материнских плат используют себе во благо: так, среди характеристик последнего поколения платформ Gigabyte заявлена возможность выдачи до 1,5 А с каждого порта USB, что достигается более качественными компонентами в цепях питания.

Изменения в USB 3.0

Последняя ревизия стандарта Universal Serial Bus содержит более значительные изменения, нежели произошли при переходе с USB 1.1 к USB 2.0. Несмотря на то что, на первый взгляд, просто введен еще один скоростной режим – SuperSpeed, технически все сложнее. Фактически SuperSpeed – это основанная на старом протоколе новая шина, интегрированная в один контроллер с USB 2.0, в которой устранены основные недостатки старых ревизий, снижавшие производительность. Более того, хост на самом деле представлен двумя отдельными устройствами – SuperSpeed и не-SuperSpeed, аналогично и разветвителей используется два – EHCI для USB 2.0 и xHCI – для USB 3.0. Оба они физически подключены ко всем портам, потому в зависимости от типа подключенного клиента каждый порт может работать в нужном режиме.

Главным изменением в новой ревизии, безусловно, стало увеличение теоретической пропускной способности в 10 раз – до 4,8 Гб/с, что с учетом избыточности и потерь на обслуживание протокола должно обеспечивать около 400 МБ/с для одного порта. Несколько разработчиков контроллеров и мостов USB-SATA уже демонстрировали близкие к этому показателю результаты.

Также увеличено максимальное значение потребляемого тока до 900 мА, что даст возможность разработчикам внешних накопителей не «хитрить» с прошивками своих продуктов, сообщающими драйверу несоответствующие действительности сведения об энергопотреблении. Однако это не значит, что системы с USB 3.0 будут менее энергоэффективны.

Контроллер USB 3.0 ASRock

Напротив, введены дополнительные состояния для устройств: простой (Idle), сон (Sleep) и приостановка (Suspend), в которых клиенты могут снижать потребляемый ток до необходимого минимума. Устройствам дана возможность инициировать связь с хостом, хотя речь идет только об управлении состояниями соединения, все передачи данных по-прежнему начинает контроллер.

На уровне протокола SuperSpeed USB практически идентичен режимам предыдущего поколения, однако в схему арбитража шины внесены значительные усовершенствования. Теперь хост-контроллер не опрашивает всех клиентов подряд, будут ли они использовать шину в настоящий момент, вместо этого введена полноценная система прерываний. Кроме того, передача данных осуществляется не широковещательно всем подключенным конечным точкам, а только конкретной, заголовки же пакетов теперь содержат сведения о направлении передачи, адресах устройства и конечной точки (они могут быть разными, например, веб-камера со встроенным микрофоном – это две конечные точки) и пути пакета. Следовательно, снижается нагрузка на контроллер. Также шина стала из полудуплекса двойным симплексом (вместо передачи данных по очереди в каждом направлении возможны две одновременные передачи во встречных с пропускной способностью по 2,4 Гб/с). Соответственно, если клиенту нужно и передать, и получить информацию (типичная ситуация с внешними накопителями), исчезает необходимость поочередного установления связи в разных направлениях.

USB 3.0 тип В

Значительно увеличена эффективность в потоковом режиме передачи (Bulk Transfer) благодаря введению потоков команд и данных внутри отдельного канала (stream и pipe соответственно). Не секрет, что при мало-мальски активной работе ПО с файловой системой жесткий диск может получать команды быстрее, чем обрабатывать, и затем перестраивать их в буфере и исполнять в более эффективном порядке (Command Queuing), равно как и осуществлять чтение или запись в несколько потоков. Если ранее каждую такую операцию приходилось осуществлять, устанавливая новый канал связи, теперь это можно делать параллельными потоками внутри одного канала.

Физически увеличение пропускной способности шины достигнуто введением двух дополнительных дифференциальных пар. Соответственно, теперь в кабеле USB 3.0 содержится восемь жил, четыре из них представлены экранированными витыми парами. Отметим, что в разъемах добавилось не четыре, а пять контактов – экраны витых пар также заземляются. Несмотря на то что спецификация не описывает длину проводов, заявляется, что рекомендованным значением при использовании обычной экранированной витой пары с сечением 26 AWG будет 3 м для беспроблемного использования в режиме SuperSpeed.

USB 3.0 тип micro-В

Для подключения устройств с интерфейсом USB 3.0 будут применяться новые разъемы. Наиболее распространенный в ПК и ноутбуках тип А не будет отличаться по форме от старого стандарта: пять новых контактов в порте расположены глубже старых, в разъеме – ближе, замыкаться они будут только в системах с USB 3.0. Таким образом, разъемы типа А и прошлого, и нынешнего поколения будут полностью совместимы между собой, как и устройства, оснащенные ими. По инициативе производителей материнских плат пластиковая колодка в разъемах USB 3.0 выполняется синей, а не черной, чтобы их было проще отличить от USB 2.0. Тип В видоизменен: вверху появилась дополнительная «полочка» с четырьмя новыми контактами, также предусмотрен вариант еще с двумя контактами питания (Powered Type-B). Коннектор типа «папа» совместим только с устройствами USB 3.0, однако разъем «мама» позволяет подключение и кабелей USB 2.0 типа В. Наконец, разъемы micro-A и micro-AB получили справа дополнительный блок контактов, для них тип «мама» обратно совместим с USB 2.0, типа «папа» – нет.

Конкуренция

MSI 890FXA-GD70

На сегодняшний день реальных конкурентов у USB два: FireWire и eSATA. Первый во многом превосходит более распространенный стандарт благодаря поддержке полнодуплексной передачи данных, топологии «точка-точка» и высокой эффективности протокола (даже в ревизии IEEE 1394a FireWire 400 она опережает формально более быстрый USB 2.0, не говоря уж о FireWire 800 и недавно принятом FireWire 3200). Тем не менее USB попросту настолько популярнее, что FireWire остался уделом нишевых решений: интерфейсов для подключения видеокамер, цифровых аудиоустройств класса Hi-Fi и т. п. Даже давний апологет FireWire – Apple – постепенно отказывается от его использования, оставив эти разъемы лишь в ориентированных на профессиональное использования ПК и ноутбуках. С выходом же третьей ревизии USB в нем и вовсе смысла не остается: работает медленнее, распространен гораздо меньше, продукты с ним дороже…

Преимущество eSATA над USB ровно одно – производительность, зато недостатков немало. Во-первых, реализация данного интерфейса на материнской плате или в ноутбуке сопряжена с необходимостью в сложной разводке дорожек от моста к задней панели либо с установкой дополнительного контроллера. Во-вторых, устройства с eSATA требуют дополнительного питания. В-третьих, кабель для него довольно громоздок и неудобен. Наконец, накопители с eSATA чаще всего стоят заметно дороже аналогов с USB. Таким образом, выигрывает он у USB лишь благодаря быстродействию, но и этот единственный козырь SuperSpeed USB бьет. Возможно, при тяжелой нагрузке на внешний накопитель нативный интерфейс все же будет работать лучше (что мы еще проверим в тестовой части данного материала), однако такой профиль использования типичным назвать никак нельзя.

ASUS Leather External HDD

Условным конкурентом может стать Intel Light Peak, которой прочат возможность сменить не только USB, но и DVI/HDMI, Ethernet и даже SATA и PCI Express, но пока она не реализована ни в одном коммерческом продукте, и даже если Intel удастся действительно выве­сти ее на рынок в 2010–2011 гг., как и планировалось, для серьезного распространения ей придется затратить немало времени. На стороне USB тут огромная инсталляционная база ПК, и каким бы интерфейс Light Peak ни казался перспективным, серьезным соперником в ближайшее время он вряд ли сможет быть.

Внедрение

На данный момент вопрос продвижения USB 3.0 на рынок полностью отдан на откуп разработчикам материнских плат: ни Intel, ни AMD не стали реализовывать поддержку этого интерфейса в своих чипсетах. Причин тому две: во-первых, разработка разветвителя портов xHCI, совместимого с SuperSpeed USB, была завершена Intel лишь в августе 2009 г., а с тех пор компания не выпускала новых южных мостов (чипсеты P55/H55/H57 содержат логику от ICH10R). Аналогично и AMD могла попросту не успеть интегрировать xHCI в свой южный мост SB850, представленный в марте вместе с чипсетами 800-й серии. Впрочем, вероятно, приложив некие усилия, внедрить поддержку USB 3.0 оба вендора сумели бы, если бы был коммерческий смысл, однако пока целесообразность таких действий сомнительна: до момента, когда количество периферии с этим интерфейсом на рынке станет мало-мальски заметным, и у Intel, и у AMD успеют смениться не только чипсеты, но и платформы полностью, вместе с процессорными архитектурами.

Buffalo DriveStation USB 3.0 HD-HXU3

Мотивация разработчиков чипсетов понятна, однако большинство производителей материнских плат с ней оказались не согласны. Они полагают, что любое заметное функциональное превосходство их продуктов над моделями предыдущего поколения (а еще лучше – над моделями конкурентов) – отличный повод обновить линейку продукции и заявить о себе. Все-таки поддержка интерфейса USB 3.0, который работает в 10 раз быстрее USB 2.0, выглядит значительно более серьезным преимуществом, нежели абстрактные дополнительные фазы питания или твердотельные конденсаторы. Исходя из этого подавляющее большинство производителей платформ выпустило новые модели с поддержкой USB 3.0 как для Intel Socket 1366/1156, так и для AMD Socket AM3. Вендоры поменьше ограничились флагманскими моделями, лидеры же обновили ассортимент почти полностью, представив до десятка новинок. Все они используют контроллер NEC µPD720200, однако техническая реализация подключения его к чипсету различается довольно значительно (об этом – в практической части материала).

Аналогична ситуация и на рынке мобильных ПК, хотя там подобного единодушия среди вендоров не наблюдается. Модели с поддержкой USB 3.0 представили лишь лидеры, в частности HP (что неудивительно, ведь компания входила в число разработчиков этой ревизии стандарта) и ASUS. Тайваньский бренд, например, предлагает потребителям несколько моделей ноутбуков с опциональным контроллером и возможностью приобретения брендированного внешнего жесткого диска с интерфейсом USB 3.0 в качестве аксессуара, а также планирует во II полугодии 2010 г. реализовать его и в нетбуках Eee PC. Для портативных ПК вопрос производительности периферийного интерфейса даже более актуален, чем для стационарных: шансы нарастить емкость жесткого диска у них ограничены, а USB 2.0 для работы с внешним HDD откровенно не подходит (не зря многие вендоры устанавливают разъемы eSATA).

Verbatim Store’n’Go USB 3.0

Что касается самих периферийных устройств, то тут мнения игроков рынка разделились. К примеру, на CeBIT 2010 многие производители внешних HDD, флэш-накопителей и SSD на вопрос об USB 3.0 отвечали, что пока рынок еще не готов, поскольку нет платформ с поддержкой этого интерфейса, стоя в паре метров от стендов разработчиков материнских плат, увешанных слоганами о SuperSpeed USB и его преимуществах. Налицо явная «палка о двух концах»: Intel и AMD ждут выхода конечных устройств, а их производители, в свою очередь, ждут первого шага от них. К счастью, с марта дела сдвинулись с места: та же компания OCZ, представители которой заявляли, что о USB 3.0 говорить пока рано, уже поставляет SSD Enyo Slim с этим интерфейсом, подобные продукты есть и в ассортименте Chaintech и Buffalo, выпускаются и первые «флэшки» с поддержкой SuperSpeed USB. По­явились также жесткие диски: Lacie, Samsung, Seagate, Trans­cend, Western Digital – многие участники сегмента рынка HDD обновили свои линейки. Кроме того представлены и внешние контроллеры USB 3.0 в формфакторах PCI Express x1–x4 и ExpressCard, основанные на чипах NEC и VIA. Наконец, Super­Speed USB уже движется и в смежную с компьютерами сферу потребительской электроники: следующее поколение мультимедийных плееров ASUS O!Play будет оснащено именно этой версией интерфейса.

Transcend StoreJet 25D3

Одним словом, начало положено. Действительно, сейчас вопрос лишь в том, когда же появятся чипсеты Intel и AMD с интегрированными контроллерами нового поколения, и, соответственно, каждый новый компьютер на их основе будет нативно поддерживать USB 3.0. С другой стороны, ничто не мешает разработчикам платформ поступить с этим интерфейсом так же, как с FireWire, реализуемым сейчас в большинстве случаев именно с внешним контроллером, который стоит некую дополнительную сумму, однако устанавливается повсеместно. Если де-факто все выпускаемые материнские платы будут поддерживать USB 3.0 – производители периферии не заставят себя ждать. Сейчас же, очевидно, проблема состоит лишь в том, что контроллеры и мосты нового стандарта попросту дороже, и мало кто из производителей рискует массово переходить на него.

Аналитики In-Stat считают, что в 2011 г. будет продано 250–300 тыс. единиц продукции с этим интерфейсом, а в 2012 г. – свыше полумиллиона, при общих поставках USB-устройств около 3,7 млн штук. Стоит учитывать, что фактически SuperSpeed USB востребован лишь в системах хранения и других критичных к пропускной способности устройствах, вроде HD-плееров и видеокамер, потому подавляющее большинство остальной периферии будет лишь номинально совместимо с USB 3.0, а фактически продолжит использовать только Hi-Speed или даже более медленные версии стандарта. Однако к 2012 г. и у Intel, и у AMD появятся платформы с нативной поддержкой SuperSpeed USB, и тогда избегать его поддержки будет попросту бессмысленно.

Тестирование

WD MyBook 3.0

Количество периферии с поддержкой USB 3.0 крайне ограничено, потому тестовая часть материала будет необычно короткой. Ситуация с доступностью продуктов на украинском рынке осложняется тем, что на данный момент спрос на них фактически нулевой, потому дистрибьюторы их попросту не завозят. Те немногие устройства, попавшие на тестирование, – образцы производителей, в том числе предоставленные Gigabyte и ASUS специально для оценки работы SuperSpeed USB на своих материнских платах и ноутбуках.

Сегодня у всех представленных на украинском рынке производителей материнских плат в ассортименте присутствуют модели с поддержкой USB 3.0, реализованной посредством контроллера NEC, как для платформ Intel, так и для AMD. Интересны технические решения, к которым пришлось прибегнуть разработчикам для установки этого чипа на платы с чипсетами Intel. Дело в том, что пропускная способность даже одного порта USB 3.0 превышает возможности PCI Express 1.0 x1 (250 МБ/с), потому NEC µDP720200 использует PCI Express 2.0 x1 с каналом 500 МБ/с. Однако наборы логики для Socket 1366 и Socket 1156 поддерживают PCI Express 2.0 лишь условно: эти линии работают на полной скорости только в портах для видеокарт, выведенных из северного моста X58 либо и вовсе из встроенного в процессор контроллера в случае Socket 1156. Южный мост и чипы PCH, пришедшие ему на смену в P55 и более поздних чипсетах, предоставляют периферии линии PCI Express, электрически (по максимально допустимой нагрузке питания) совместимые со второй версией шины, но ограниченные в скорости до уровня PCI Express 1.0. В связи с этим разработчикам материнских плат пришлось организовывать контроллеру USB 3.0 подключение к быстрому интерфейсу с помощью дополнительной логики. Большинство пошло простым путем, объединив две медленные линии в одну быструю посредством дополнительного коммутатора PCI Express от PLX. Первой подобное решение представила компания ASUS, за ней потянулись и многие другие. В продуктах Gigabyte реализация оказалась более изощренной: на них устанавливается специальный коммутатор-делитель, который при переключении в BIOS режима работы USB в положение Turbo перенаправляет 8 из 16 линий PCI Express 2.0 из графического порта на контроллер. Это решение работает чуть быстрее конкурирующих (длинный тракт «процессор-чипсет-коммутатор-контроллер» сокращается до «процессор-делитель-контроллер»), однако ограничивает производительность видеокарты (что, впрочем, заметно лишь на топовых устройствах вроде AMD Radeon HD 5970). Разница в быстродействии составляет единицы процентов, так что в целом с точки зрения пользователя решения равноценны. Мы проводили свое тестирование на материнской плате ASUS.

Что касается чипсетов AMD, то в них линии PCI Express, предоставляемые южным мостом периферии, работают на полной скорости, потому и в материнских платах на наборах логики 700-й серии, и в новейших продуктах на базе 800-й линейки NEC µDP720200 подключен напрямую.

В целом подавляющее большинство материнских плат с поддержкой USB 3.0 – модели высокого и среднего класса в формфакторе ATX, однако встречаются и исключения. К примеру, Gigabyte GA-H55N-USB3 выполнена в типоразмере mini-ITX и ориентирована на ПК-мультимедийные центры, где возможность подключения высокоемкого хранилища с быстрым интерфейсом особенно востребована.

В нашей тестовой лаборатории за прошедшие полгода успело побывать большое количество материнских плат с поддержкой USB 3.0, однако периферию можно пересчитать по пальцам одной руки, и все продукты были внешними жесткими дисками. Нам удалось оценить быстродействие устройств ASUS, Buffalo, Transcend, Verbatim и Western Digital, три из которых были портативными (ASUS Leather External HDD, Transcend StoreJet 25D3 и Verbatim Store′n′Go USB 3.0), а два – стационарными внешними HDD (Buffalo DriveStation USB 3.0 HD-HXU3 и WD MyBook 3.0).

Быстродействие новинок, бесспорно, очень выигрывает от перехода на новый интерфейс: пиковые скорости линейного чтения и записи достигают предела производительности, обеспечиваемого установленными в них жесткими дисками. К примеру, полноразмерные накопители Buffalo и WD составляют 100–125 МБ/с при чтении, что вполне соответствует показателям 3,5" HDD, на которых они основаны. Для портативных устройств формфактора 2,5" показатели не так высоки, поскольку в большинстве случаев в них ставятся накопители с частотой вращения 5400 или даже 4200 об/мин в угоду сниженному энергопотреблению, однако тоже впечатляют: Transcend StoreJet 25D3 обеспечивает идентичную скорость чтения и записи от 88 МБ/с на внешних дорожках пластин до 42 МБ/с на внутренних. ASUS Leather, который компания предлагает в качестве аксессуара к своим ноутбукам, оказался и вовсе «реактивным»: Seagate Momentus 7200.4, установленный в нем, при подключении по USB 3.0 достигает 110 МБ/с в начале диска. Что интересно, в большинстве случаев накопители справляются с записью примерно на треть медленнее, чем с чтением, за исключением Transcend StoreJet: очевидно, мост USB-SATA от Asmedia работает с потоком более эффективно, нежели мосты Fujitsu и других производителей в остальных устройствах. Особенно этот эффект заметен на WD MyBook 3.0: если к скорости чтения с него претензий нет, то запись проводится всего на 50 МБ/с, причем до середины пластин график остается прямой линией, указывая на «бутылочное горлышко» именно в интерфейсе, а не в жестком диске. Возможно, Western Digital со временем выпустит обновление ПО данного устройства, исправив эту досадную ошибку. Аналогичное поведение при записи демонстрирует и ASUS Leather External HDD, однако у него «плато» находится все же выше – на уровне 80 МБ/с, что вполне приемлемо.

Также в значительной мере производительность зависит от прошивки контроллеров: один и тот же чип NEC на двух материнских платах ASUS с одинаковым методом подключения к чипсету заметно отличается по характеру работы, а внешнее устройство в формфакторе PCI Express x1 с этим же контроллером стабильно отстает от интегрированных на 3–5 МБ/с (при одинаковых версиях драйверов).

Интересны результаты сравнения эффективности работы USB 2.0, USB 3.0 и SATA (и, соответственно, eSATA, так как различаются они только разъемом) под тяжелой нагрузкой. Для этого мы использовали накопитель Transcend, поскольку из портативных он оказался самым производительным, а задачей было оценить возможность применения новых устройств со скоростным интерфейсом так же, как и обычных внутренних – для работы с ПО, крупными файлами и т. д.

С учетом малой пропускной способности интерфейса USB 2.0, редко достигающей 35 МБ/с, ожидать от диска, подключенного к ПК с его помощью, высокого быстродействия не приходится: независимо от того, насколько быстр установленный в накопитель HDD, он не сумеет продемонстрировать свой потенциал. Мы констатировали, что рассчитывать на комфортную работу с ПО, установленным на такое устройство, можно лишь в случае, если обращения к нему будут проходить массово и в один поток, множество запросов подряд или работа в несколько потоков снижают производительность непропорционально (например, два потока чтения в сумме обеспечивают 16–22 МБ/с против 32 МБ/с при одном).

USB 3.0 этой проблемы лишен: благодаря режиму SuperSpeed и возможности исполнять несколько запросов одновременно его быстродействие очень близко к SATA, более того, при прямом подключении к контроллеру HDD на материнской плате установленный в накопителе Transcend жесткий диск Samsung HM500JI обеспечивает довольно слабую производительность при многопотоковой записи из-за неудачной работы прошивки в отличие от работы с USB 3.0, когда мост USB-SATA практически устраняет этот эффект. В результате при большом числе запросов USB 3.0 даже опережает SATA – великолепный результат! В целом USB 3.0 демонстрирует более чем достаточное быстродействие, очень близкую к показателям прямого подключения HDD к контроллеру SATA, так что можно констатировать: с новой версией стандарта этот интерфейс перестал быть «бутылочным горлышком» для внешних накопителей. Вероятнее всего, с постепенным распространением соответствующих контроллеров на материнских платах всех классов и внешних HDD с поддержкой USB 3.0 актуальность eSATA станет нулевой: на данный момент даже RAID 0 из двух жестких дисков не сможет перегрузить работой порт USB 3.0.

Выводы

Обновление одного из самых важных интерфейсов в современном ПК – бесспорно, знаковое событие. Масштаб изменений вполне сравним с произошедшим при переходе с USB 1.1 на USB 2.0. Тогда это привело к появлению целого сегмента рынка – внешних HDD, без которого сегодня сложно представить индустрию систем хранения пользовательского класса. Нынешнее десятикратное увеличение быстродействия устраняет все проявившиеся за десять лет серьезные недостатки интерфейса, давая задел на годы вперед. Конечно, с совершенствованием жестких дисков, скоростной флэш-памяти (а возможно, и принципиально новых быстрых носителей информации) мы когда-нибудь подберемся к пределу возможностей SuperSpeed USB, однако в обозримом будущем это вряд ли случится. Переход на третью версию интерфейса предлагает производителям как периферии, так и платформ отличные перспективы вывода на рынок совершенно новых продуктов.

Тем не менее остро стоит вопрос популяризации USB 3.0. Переход на прошлую версию стандарта оказался довольно быстрым благодаря практически одновременному представлению чипсетов с интегрированными контроллерами USB 2.0, но SuperSpeed USB получился не таким удачливым, как предшественник. Участники рынка периферии и производители наборов логики выжидают подходящего случая, надеясь объявить свои продукты, когда они действительно окажутся востребованными: для Intel и AMD это та ситуация, когда появится много периферии с USB 3.0 и ее нужно будет куда-то подключать, а для игроков с другой стороны – когда инсталляционная база ПК с поддержкой данного стандарта станет значительной. В итоге, пока они ждут первого хода друг друга, сторонние разработчики контроллеров пользуются моментом. Вероятно, именно благодаря им, в частности NEC, внедрение USB 3.0 в ближайшее время начнет активизироваться, если же нет – придется дожидаться 2011–2012 гг. и выхода новых архитектур Intel и AMD. В любом случае у SuperSpeed USB большое будущее, вопрос лишь в том, как скоро оно наступит.