Преимущества USB 3.0 на практике

Испытание нового интерфейса USB 3.0 на практике. В тесте участвуют внешние диски Buffalo HD-H1.OTU3 и Vantec NextStar 3. Проверяется скорость работы накопителей в основных сценариях использования в частности, и общие впечатления от подситстемы SuperSpeed USB 3.0 в целом.

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.

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.

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 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.

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.

Источник: Ф-Центр