Интерфейс Thunderbolt против USB 3.0

Сергей Пахомов

Интерфейс Thunderbolt

Адаптер Seagate GoFlex Thunderbolt

Накопитель Seagate Backup Plus

Методика тестирования

Выводы

 

Примерно полгода назад топовые материнские платы стали снабжать новым высокоскоростным интерфейсом Thunderbolt, и одновременно с этим начали появляться оснащенные им периферийные устройства. Прежде всего это внешние накопители и NAS-системы, которые как раз нуждаются в высокоскоростном интерфейсе.

Интерфейс Thunderbolt

Напомним, что интерфейс Thunderbolt был разработан компанией Intel как универсальный высокоскоростной интерфейс для широкого класса периферийных устройств. Первоначально он назывался Light Peak и впервые был представлен на IDF 2009. Однако в своем первом варианте интерфейс Light Peak был ориентирован на использование оптического кабеля в качестве транспортной сети для передачи сигналов. Первое поколение устройств Light Peak, согласно заявлениям Intel, имело теоретическую скорость передачи данных 10 Гбит/с (полнодуплексный режим) на расстоянии до 100 м с применением оптического кабеля.

В дальнейшем было принято решение создать данный интерфейс на базе медных соединений. Кроме того, после реализации этой технологии на базе медных проводов Light Peak стал позиционироваться как замена большинству существующих проводных интерфейсов, таких как USB, SCSI, eSATA, FireWire, HDMI и DVI.

В 2011 году впервые были представлены продукты с использованием этой технологии, которая получила официальное название Thunderbolt. Первыми устройствами с Thunderbolt-портом стали ноутбуки MacBook Pro компании Apple. А на выставке Computex 2012 был представлен уже достаточно широкий ассортимент разнообразных решений с поддержкой интерфейса Thunderbolt.

Высокоскоростной интерфейс Thunderbolt основан на совмещении технологий DisplayPort и PCI-Express, то есть позволяет подключать периферийные устройства, применяющие эти протоколы передачи данных. Это дает возможность одновременно передавать видеоизображение и большие объемы данных, поскольку такие потоки разграничены между собой и передаются по разным каналам без задержек. По сути, в контроллере Thunderbolt установлены мультиплексор и демультиплексор, которые отвечают за передачу данных разных протоколов в едином потоке. Интерфейс Thunderbolt обеспечивает теоретическую пропускную способность передачи данных до 10 Гбит/с в одном направлении. При этом каждый из портов данного интерфейса включает два канала, что позволяет подключать по два устройства к одному порту Thunderbolt либо до шести устройств в виде цепочки. Каждый из каналов имеет в таком случае полную пропускную способность 10 Гбит/с для обоих направлений. Если же к порту подключено устройство, работающее по интерфейсу DisplayPort, то в этом случае пропускная способность условно делится на четыре линии с максимальной пропускной способностью 5,4 Гбит/с. Как заявляет компания Intel, в отличие от традиционных архитектур передачи данных, в которых используется единая шина, в Thunderbolt применяется другая топология, что обеспечивает высокую пропускную способность для каждого из портов независимо от их количества.

Теоретически новый интерфейс передачи данных по своей пропускной способности опережает другие современные интерфейсы для подключения периферийных устройств, такие как USB 3.0, FireWire 800 и eSATA. Нельзя не отметить полную совместимость нового интерфейса с устройствами DisplayPort. Так, стандартный разъем Thunderbolt является полностью электрически совместимым с разъемом mini DisplayPort. То есть для подключения устройств с таким разъемом не нужны дополнительные переходники или адаптеры. Технология Thunderbolt аппаратно поддерживает спецификацию DisplayPort 1.1a, однако это не мешает подключать устройства, поддерживающие предыдущие спецификации данного протокола. Отметим интересную особенность работы устройств: подключенные мониторы с интерфейсом DisplayPort должны быть последними в цепочке — это объясняется алгоритмом работы контроллера Thunderbolt и распределения свободных каналов. Thunderbolt может обрабатывать те же самые типы видео­ и аудиосигналов, что и DisplayPort, то есть передавать видеоизображения высокой четкости с разрешением FullHD 1080p и восемью каналами звука.

Для подключения контроллера Thunderbolt к чипсету Intel задействуются четыре линии PCI Express 2.0.

Помимо высокой скорости передачи данных, большим преимуществом нового интерфейса можно считать то, что Thunderbolt поддерживает передачу данных, видео, аудио и питания всего через один порт и кабель. Это избавляет от лишних проводов USB, опутывающих компьютер или ноутбук при работе с многочисленными периферийными устройствами. Пользователь может подключить до шести устройств к каждому из портов Thunderbolt, связав их одной цепью (daisy-chain), то есть посредством последовательного подключения. Такая топология предполагает, что каждое устройство в цепи должно иметь два порта Thunderbolt.

Несмотря на то что новый интерфейс поддерживает подключение некоторых периферийных устройств без использования дополнительного питания, данная технология не может сравниться по мощности с Apple Display Connector (ADC), позволяющей подсоединять даже мониторы. Максимальная мощность подключаемых устройств обусловлена реализацией контроллера на системной плате, поэтому говорить о возможности подключения через этот интерфейс мощных решений пока рано.

В отличие от интерфейса USB, где соединение с низкоскоростным устройством или решением, поддерживающим старую ревизию интерфейса, может снизить производительность всей шины, новый интерфейс Thunderbolt специально построен таким образом, чтобы работать со многими устройствами без ущерба для пропускной способности канала. Конечно, они будут разделять общую пропускную способность канала Thunderbolt, что может ограничить производительность каждого из них при передаче большого потока данных, однако общая производительность канала Thunderbolt не уменьшится.

Пока устройств, поддерживающих новый интерфейс, всё еще мало, но велика вероятность того, что он получит широкое распространение и потеснит USB 3.0 на рынке периферийной техники.

Адаптер Seagate GoFlex Thunderbolt

Теперь, после краткого рассказа об интерфейсе Thunderbolt, давайте рассмотрим его реализацию на примере портативного адаптера Seagate GoFlex Thunderbolt для накопителей с интерфейсом SATA.

Прежде всего, этот адаптер предназначен для Mac-пользователей. Дело в том, что продукты компании Apple до последнего времени не поддерживали USB 3.0 и единственным высокоскоростным интерфейсом в них был Thunderbolt. Это, конечно же, не означает, что данный адаптер совместим только с Mac-системами — если в вашем ноутбуке или десктопном ПК есть интерфейс Thunderbolt, то адаптер Seagate GoFlex Thunderbolt позволит подключать накопители по нему.

 

Seagate GoFlex Thunderbolt

Адаптер Seagate GoFlex Thunderbolt

Адаптер Seagate GoFlex Thunderbolt едва ли можно назвать портативным. Он довольно массивный и по размерам превосходит стандартный 2,5-дюймовый накопитель.

Адаптер Seagate GoFlex Thunderbolt совместим только с 2,5-дюймовыми SATA-накопителями. Отметим, что, несмотря на совместимость разъема, использовать 3,5-дюймовый HDD с адаптером Seagate GoFlex Thunderbolt не удастся. По всей видимости, интерфейс Thunderbolt не может обеспечить достаточного питания для таких дисков.

Отметим, что адаптер Seagate GoFlex Thunderbolt имеет только один порт Thunderbolt, то есть он не позволяет создать цепочку устройств и может использоваться только как оконечное устройство в цепочке или как единственное. В общем­то, это объяснимо: устройства с интерфейсом Thunderbolt, ориентированные на работу в цепочке, должны иметь дополнительное (отдельное) питание, которое в адаптере Seagate GoFlex Thunderbolt отсутствует.

На сайте компании Seagate адаптер Seagate GoFlex Thunderbolt позиционируется для дисков Seagate Backup Plus и GoFlex, однако это, конечно же, не означает, что он несовместим с другими 2,5-дюймовыми накопителями. Тем не менее, отдавая дань производителю, мы сначала протестировали адаптер Seagate GoFlex Thunderbolt с внешним накопителем Seagate Backup Plus емкостью 500 Гбайт.

Накопитель Seagate Backup Plus

Внешний накопитель Seagate Backup Plus выполнен на основе 2,5-дюймового HDD-диска и поставляется в пластиковом корпусе. Он представляет собой реализацию стандарта USM (Universal Storage Module), разработанного компанией Seagate. Данный стандарт определяет спецификацию бокса для НDD-дисков, позволяющего подключать их и к шине SATA, и к контроллерам USB, и к FireWire, и к Thunderbolt.

 

Seagate Backup Plus

Накопитель Seagate Backup Plus

Согласно спецификации USM, НDD-диск помещается в корпус, а к разъему SATA присоединяется внешний сменный адаптер с контроллером того или иного интерфейса.

Накопители Seagate Backup Plus поставляются в комплекте только с адаптером USB 3.0, но отдельно можно купить адаптер с портом FireWire 800 или Thunderbolt.

 

Seagate Backup Plus

Адаптер USB 3.0 накопителя Seagate Backup Plus

В накопителе Seagate Backup Plus устанавливается 2,5-дюймовый HDD-диск семейства Momentus ST500LM012 с интерфейсом SATA 3 Гбит/с.

Методика тестирования

Для тестирования мы использовали стенд следующей конфигурации:

  • процессор — Intel Core i7-3770K;
  • системная плата — ASUS P8Z77-V Premium;
  • чипсет системной платы — Intel Z77 Express;
  • память — 16 Гбайт DDR3-1333 (двухканальный режим работы);
  • накопитель с операционной системой — Intel SSD 520 Series (240 Гбайт);
  • режим работы SATA — AHCI;
  • драйвер накопителей — Intel RST 10.6;
  • контроллер накопителей — интегрированный в чипсет контроллер SATA 6 Гбит/с.

Системная плата ASUS P8Z77-V Premium использовалась нами по той причине, что на ней имеется интегрированный контроллер Thunderbolt на базе контроллера Intel DSL3310.

На стенде для тестирования устанавливалась операционная система Windows 7 Ultimate (64 bit).

 

Seagate GoFlex Thunderbolt & Seagate Backup Plus

Адаптер Seagate GoFlex Thunderbolt
c накопителем Seagate Backup Plus)

Тестирование проводилось с применением тестовой утилиты IOmeter 2008.06.1, которая представляет собой очень мощный инструмент для анализа производительности накопителей (как HDD, так и SSD) и фактически является отраслевым стандартом для измерения производительности накопителей.

Тестирование накопителя с помощью утилиты IOmeter вполнялось без создания на нем логического раздела, чтобы не привязывать результаты тестирования к конкретной файловой системе.

При тестировании исследовалась зависимость скорости выполнения операций последовательных чтения и записи, а также случайных чтения и записи от размера блока данных.

Для определения скорости последовательного чтения, случайного чтения и последовательной записи использовались блоки данных следующих размеров: 512 байт, 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512 Кбайт, 1, 2, 4, 8, 16 и 32 Мбайт. В этих тестах в настройках IOmeter количество одновременных запросов ввода­вывода (# of Outstanding I/Os) задавалось равным 4, что типично для пользовательских приложений.

 

Seagate GoFlex Thunderbolt & Silicon Power Velox V70

Адаптер Seagate GoFlex Thunderbolt
c SSD-накопителем Silicon Power Velox V70

Для анализа зависимости производительности накопителя (IOPS) в операциях случайного чтения и записи блоками по 4 Кбайт количество одновременных запросов ввода­вывода задавалось равным 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и 256.

Тестирование проводилось по следующей схеме. Сначала мы тестировали накопитель Seagate Backup Plus с интерфейсом USB 3.0, для чего к нему подключался USB 3.0-адаптер, поставляемый в комплекте, который, в свою очередь, подключался к USB 3.0-порту на системной плате, реализованному через интегрированный в чипсет контроллер Intel Z77 Express. Затем тестирование проводилось с подключенным к накопителю Seagate Backup Plus адаптером Seagate GoFlex Thunderbolt. Далее мы тестировали накопитель Seagate Backup Plus, подключенный к системной плате через интерфейс SATA. Фактически при подключении накопителя напрямую к системной плате через интерфейс SATA достигается максимально возможная скорость. Добавление же дополнительных промежуточных преобразований между различными интерфейсами может лишь снизить ее.

Как видно по результатам тестирования накопителя Seagate Backup Plus (рис. 1-4), нет никакой разницы между использованием интерфейсов Thunderbolt и USB 3.0. Интерфейс SATA, когда накопитель подключается к плате напрямую, имеет преимущество в операциях последовательных чтения и записи при размере блока менее 16 Кбайт. То есть только при малых размерах блока начинают сказываться задержки, вносимые контроллерами, выполняющими преобразование SATA — Thunderbolt и SATA — USB 3.0. Однако при размере блока более 16 Кбайт узким местом становится сам HDD и скорость последовательных записи и чтения определяется уже производительностью HDD и никак не зависит от типа контроллера.

 

Рис. 1. Зависимость скорости последовательного чтения
накопителя Seagate Backup Plus от размера блока

Рис. 2. Зависимость скорости последовательной записи
накопителя Seagate Backup Plus от размера блока

Рис. 3. Зависимость скорости случайного чтения
накопителя Seagate Backup Plus от размера блока

Рис. 4. Зависимость скорости случайной записи
накопителя Seagate Backup Plus от размера блока

В операциях случайного чтения и записи при всех размерах блока скорость определяется исключительно производительностью самого HDD, а потому нет никакой разницы между интерфейсами SATA, USB 3.0 и Thunderbolt.

Итак, на основании тестирования накопителя Seagate Backup Plus можно сделать следующий важный вывод. Если в системе имеются интерфейсы USB 3.0 и Thunderbolt, то для накопителя Seagate Backup Plus, в котором адаптер USB 3.0 поставляется в комплекте, нет смысла покупать дополнительный адаптер Seagate GoFlex Thunderbolt. Это нужно делать лишь в том редком случае, если в системе есть интерфейс Thunderbolt и нет USB 3.0. Причем это касается не только накопителя Seagate Backup Plus, но и любого внешнего накопителя на основе HDD-диска. Интерфейс Thunderbolt не позволит получить никакого выигрыша в производительности относительно интерфейса USB 3.0, поскольку оба интерфейса имеют более чем достаточную для любого HDD-диска полосу пропускания.

Тестирование накопителя Seagate Backup Plus с интерфейсами USB 3.0 и Thunderbolt прежде всего позволило нам сравнить их по производительности. В то же время понятно, что, когда речь идет о высокоскоростных интерфейсах, узким местом в системе может быть не интерфейс, а именно накопитель. Ведь от 2,5-дюймового HDD-диска Seagate Backup Plus ожидать каких­то выдающихся результатов не приходится.

Именно поэтому на следующем этапе мы повторили весь процесс тестирования, но уже с быстродействующим SSD-накопителем Silicon Power Velox V70 емкостью 240 Гбайт (подробно с результатами его тестирования можно ознакомиться в статье «SSD-накопитель Silicon Power Velox V70 240 Гбайт», опубликованной в этом номере журнала). Отметим, что мы проводили тестирование с предварительно состаренным накопителем Silicon Power Velox V70, для чего в течение 10 часов осуществлялась операция случайной записи блоками по 4 Кбайт (при количестве одновременных запросов равном 16).

Результаты тестирования SSD-накопителя Silicon Power Velox V70 с интерфейсами SATA 6 Гбит/с, USB 3.0 и Thunderbolt представлены на рис. 5-8.

 

Рис. 5. Зависимость скорости последовательного чтения
SSD-накопителя Silicon Power Velox V70 от размера блока

Рис. 6. Зависимость скорости последовательной записи
SSD-накопителя Silicon Power Velox V70 от размера блока

Рис. 7. Зависимость скорости случайного чтения
SSD-накопителя Silicon Power Velox V70 от размера блока

Рис. 8. Зависимость скорости случайной записи
SSD-накопителя Silicon Power Velox V70 от размера блока

Начнем с того, что при подключении SSD-накопителя по интерфейсу SATA 6 Гбит/с максимальная скорость последовательного чтения составляет 525 Мбайт/с, а последовательной записи — 505 Мбайт/с.

Максимальная скорость случайного чтения равна 522 Мбайт/с, а случайной записи — 275 Мбайт/с. Фактически, это максимальные значения скоростей, которые может продемонстрировать SSD-накопитель Silicon Power Velox V70.

При подключении SSD-накопителя Silicon Power Velox V70 по интерфейсу Thunderbolt, несмотря на заявленную пропускную способность интерфейса в 10 Гбит/с (1,25 Гбайт/с), всё оказалось не так хорошо, как хотелось бы. Максимальная скорость последовательного чтения составила 347 Мбайт/с, а последовательной записи — 340 Мбайт/с.

Максимальная скорость случайного чтения была равна 347 Мбайт/с, а случайной записи — 275 Мбайт/с. Как видите, только в операциях случайной записи, где производительность SSD-накопителя не очень высокая, нет разницы между подключением SSD-накопителя по интерфейсам SATA 6 Гбит/с и Thunderbolt. А вот в операциях случайного чтения, последовательной записи и последовательного чтения интерфейс Thunderbolt явно проигрывает и не позволяет реализовать весь скоростной потенциал SSD-накопителя. Понятно, что пропускная способность интерфейса Thunderbolt в данном случае ни при чем (она утилизируется лишь на треть), — по всей видимости, проблема в задержках, вызываемых преобразованием интерфейсов SATA — Thunderbolt. Кстати, в адаптере Seagate GoFlex Thunderbolt за это преобразование отвечает контроллер ASMedia ASM1061.

При использовании интерфейса USB 3.0 показатели SSD-накопителя Silicon Power Velox V70 были еще хуже. Поставляемый в комплекте с ними адаптер USB 3.0 не позволяет развить скорость последовательного чтения более 178 Мбайт/с и скорость последовательной записи более 200 Мбайт/с. Максимальная скорость случайного чтения составила 170 Мбайт/с, а случайной записи — 140 Мбайт/с. Видимо, чип, реализующий преобразование USB 3.0 — SATA 6 Гбит/с в USB 3.0-адаптере, прилагаемом к накопителю Seagate Backup Plus, не обладает достаточной производительностью для реализации возможностей скоростных SSD-накопителей.

Выводы

На основании проведенного тестирования можно сделать следующий важный вывод. Адаптеры Seagate GoFlex Thunderbolt и USB 3.0 имеет смысл использовать только с HDD-дисками Seagate Backup Plus. Применять с ними высокоскоростные SSD-накопители нецелесообразно, поскольку в таком случае узким местом станут адаптеры, которые существенно ограничат скорость чтения и записи.

 

В начало В начало

КомпьютерПресс 01'2013