Исследование скоростных режимов USB 3.2 Gen1, Gen2 и Gen2×2 при помощи быстрого внешнего SSD на контроллере USB—NVMe ASMedia ASM2364

За четверть века своей истории интерфейс USB из гадкого утенка, предназначенного для подключения низкоскоростной периферии, превратился в основной способ «ближней» коммутации самых разных устройств. Во всяком случае, основной массовый и универсальный — есть и другие провода, но либо жестко специализированные, либо просто нишевые из-за высокой стоимости и низкой распространенности. А для внешних накопителей альтернатив почти и не осталось, хотя изначально использование USB в этой области вовсе не предполагалось. Просто сначала он оказался самым дешевым и удобным — вот и появилась масса USB-флэшек или внешних винчестеров. А затем и скоростные показатели бодро начали увеличиваться — так что для этих устройств современных версий USB уже слишком много. Но для внешних SSD — в самый раз. Тем более, что основной «элитный конкурент» последнее время несколько буксует — вопреки предварительным прогнозам, скорость Thunderbolt 4 такая же, как у Thunderbolt 3. Но последнему уже больше пяти лет — за это время правилом хорошего тона стала поддержка чипсетами USB3 Gen2, а с этого года — и USB3 Gen2×2. Последнее, конечно, есть далеко не везде — но части покупателей современных компьютеров достается уже бесплатно. А вот про Thunderbolt такого не скажешь — это практически всегда дискретные контроллеры, да еще и недешевые. И внешний SSD с таким интерфейсом стоит дороже, чем с USB. И до последнего времени использовать его можно было только с «родными» хостами — в то время, как USB-накопитель можно подключать куда угодно (скоро, возможно, порты USB и в каждой кофеварке появятся). Поэтому Thunderbolt-накопители так и остаются дорогостоящей экзотикой, а вот с USB — совсем другая история.

Или, скорее, истории. Для многих покупателей скоростные характеристики накопителей с этим интерфейсом особого значения не имеют. Например, жесткие диски приобретаются по одной простой причине — это самые дешевые терабайты на рынке. Не быстрые — так что и USB 3.0 позапрошлого десятилетия (после пары переименований ставший нынче USB 3.2 Gen1 — а в скором времени превратится в USB4 Gen1) здесь с большим запасом. В принципе, нередко их используют и вовсе совместно с портами USB 2.0 интернет-маршрутизаторов или бытовой техники. Да и флэшдрайвов это же касается — от них большинство ждет компактности и удобства, а скорости... могут быть и такими, как во времена господства того же USB 2.0. Какую-нибудь папку с документами все равно можно скопировать за несколько секунд — и нормально. А вот внешние SSD приобретаются теми, кому нужна высокая емкость и скорость. Причем не только копирования данных — на деле сейчас USB SSD можно использовать и как системное устройство, обходясь вообще без внутренних накопителей в компьютере. Очень удобно иногда получается — от рабочего компьютера диск отключил, в карман положил и унес. Никаких данных на нем не оставив какой-нибудь внезапной проверке ;) Хотя и в менее экстремальных случаях, конечно, это тоже полезная магия. Но для использования которой нужны соответствующие скорости работы — иначе это уже не работа, а мучение.

Небольшое сравнение пяти разных USB-контроллеров на трех системах при помощи высокоскоростного USB SSD мы проводили в начале года. На тот момент оно было актуальным — сейчас же нуждается в доработке. Во-первых, потому, что самый скоростной USB3 Gen2×2 начал появляться в чипсетах несколькими месяцами позже. А до этого на рынке был доступен лишь один дискретный контроллер, нередко подключаемый еще и «зауженным» интерфейсом — например, на нашей плате он использовал PCIe 3.0 x2, что позволяет получить лишь 1,7 ГБ/с. Во-вторых, нам пришлось работать с «готовым» внешним SSD — что тоже несколько ограничивало производительность в старшем скоростном режиме. В-третьих, с тех пор мы поменяли методику тестирования. Новая куда в большей степени подходит для тестирования высокоскоростных устройств — что способно сказаться и на старших скоростных режимах USB. Да и базу для последующего изучения готовых внешних SSD тоже надо заложить — пока у нас в запасе есть результаты лишь пары «середнячков», а стоит оценить — чего вообще можно ожидать от самых быстрых версий USB. Для чего производительность вообще желательно сравнить и с внутренними интерфейсами. Как минимум, с SATA600 — до сих пор массовым, привычным, да и хорошо изученным.

USB-коробочка Orico M2PVC3-G20

Для начала нужно было определиться с «рабочим телом» — причем подобрав что-нибудь мощное и для дальнейших тестов. А лучший способ получить гарантированную скорость — собрать накопитель самостоятельно: из внутреннего SSD топового уровня (чтоб заведомо не был узким местом) и отдельной коробки. Тем более, что на данный момент особого разнообразия подходящих USB-мостов все еще не наблюдается — все продукты на рынке используют ASMedia ASM2364. Неважно — будет это «законченный» внешний SSD или только корпус — все построены на одной элементной базе. Только во втором случае выбор побольше. Тем более, что мы сразу же определились с SSD — решено было использовать для тестирования WD Black SN850 2 ТБ. Он один из самых быстрых — но также и один из самых «горячих» накопителей на рынке.

А тут на глаза попалась коробка с активным охлаждением SSD. Крупненькая (115×40×23 мм при массе 84 г), но в данном случае это не пугало — все-таки самые быстрые накопители больше ориентированы на длительное (возможно — даже постоянное) подключение к компьютеру, чем на перенос нескольких файлов. Да и готовые внешние SSD с этим интерфейсом тоже большие — из-за необходимости обеспечить нормальное охлаждение. Законы физики неумолимы — низкое тепловыделение только у медленных (или очень медленных) устройств. Либо быстрых — но работающих в замедленном режиме. Так что, если нужен внешний накопитель под USB3 Gen1 — можно использовать все, что угодно, и не беспокоиться. А с USB3 Gen2×2 такое уже чревато проблемами.

Поэтому и была выбрана подобная конструкция — снабженная массивным радиатором и небольшим вентилятором, устанавливаемым поверх SSD.

Для пущего эффекта можно воспользоваться и штатной термопрокладкой, однако практические испытания показали, что это излишне — температура Black SN850 во время тестов не превышала 48 градусов при подключении к порту USB3 Gen2, а при использовании USB3 Gen2×2 ограничивалась 55 градусами. Учитывая, что без охлаждения и внутри компьютера накопитель можно легко прогреть до 90 градусов и выше, на этом мы и остановились.

Так что единственный недостаток коробочки — простой и утилитарный внешний вид. Довольно грубый — да и габариты оставляют желать лучшего. Но для наших целей этим можно пренебречь — а вот охлаждением пренебрегать нежелательно. В прочих случаях можно выбрать и что-нибудь более эстетичное производства той же Orico — или других подобных компаний.

Цены будут примерно одинаковыми — поскольку определяются в первую очередь не материалом и внешним видом коробочки, а ее платой. Точнее, одним чипом на ее тыльной стороне — ASMedia ASM2364 пока еще не слишком дешевый контроллер, ввиду отсутствия конкуренции на этом рынке. Появятся другие решения с той же схемой работы — будет дешевле: с USB3 Gen2 это сработало, быстро обрушив цены в два-три раза. У Gen2×2 все еще впереди.

Если же не считать поддержки скоростного интерфейса и оригинальный подход к охлаждению, это абсолютно типичный продукт с AliExpress. Разве что (что привычно для Orico) качественно упакованный — и хорошо укомплектованный. В частности, компания не слишком экономит на кабелях, вкладывая в комплект оба нужных. Отвертка и прочие мелочи тоже на месте — причем держатели для радиатора и самого SSD на всякий случай в удвоенных количествах.

Хотя без отвертки можно было бы и обойтись. Особенно, если использовать стандартные крестовые винтики — а не экзотическую звездочку, к которой по неизвестной науке причине тяготеют в Orico. Но использовать устройство по назначению это не мешает. А все необходимое для сборки — есть. Кроме самого SSD — который тоже можно купить у Orico, но лучше... не нужно: в ассортименте компании есть лишь достаточно унылые модели на базе Silicon Motion SM2263XT, для сборки нормального внешнего SSD непригодные. По той же причине и сами внешники Orico абсолютно не интересны, а вот коробочки у компании получаются неплохо.

Тестирование

Методика тестирования

Методика подробно описана в отдельной статье, в которой можно более подробно познакомиться с используемым программным и аппаратным обеспечением. Здесь же вкратце отметим, что мы используем тестовый стенд на базе процессора Intel Core i9-11900K и системной платы Asus ROG Maximus XIII Hero на чипсете Intel Z590, что обеспечивает полную поддержку всех скоростных режимов USB 3.2 вплоть до Gen2×2 включительно. Кроме того, на плате есть и контроллер Thunderbolt 4 Intel JHL8540 — реализующий и режим Gen2. Его предшественник JHL7540 в прошлом тестировании участие принимал — и радикально отстал от чипсетного контроллера в таком режиме. При этом формальные скорости в новом поколении не изменились — а вот реальные как раз надо проверить. Что дает нам четыре режима тестирования: Gen1, две реализации Gen2 и Gen2×2. Можно было бы, конечно, добавить сюда и USB 2.0 — но практического смысла в том давно нет.

Образцы для сравнения

Тестирование по полной методике будет полезно и для сравнения внешних накопителей с внутренними. В качестве таковых мы взяли WD Red SA500 500 ГБ с интерфейсом SATA600 и более скоростной TeamGroup T-Force Cardea IOPS 1 ТБ. Можно было бы, конечно, сравнить WD Black SN850 во «внутреннем» и «внешних» исполнениях — но мы сочли это не слишком интересным. Поскольку и без того понятно, что для полной реализации возможностей таких SSD требуется PCIe 4.0 x4 — на который они и рассчитаны. Даже предыдущая версия стандарта уже заметно снижает производительность во многих сценариях — USB-подключения через дополнительный мост это тем более будет касаться. Но вот что получится при сравнении с более медленными накопителями — уже вопрос непраздный. Особенно, подчеркнем, для оценки нужен SATA SSD. При том, что последние уже дооптимизировались до мышей — так что Red SA500 на этом фоне начинает выглядеть топчиком. Но будет ли он им сравнительно с USB?

Предельные скоростные характеристики

Низкоуровневые бенчмарки в целом и CrystalDiskMark 8.0.1 в частности давно уже пали жертвой в неравной борьбе с SLC-кэшированием — так что ничего, кроме самого кэша, протестировать и не могут. Однако сегодня нам это никак не помешает. Точнее, даже поможет — ведь мы сравниваем в первую очередь не разные носители данных, а интерфейсы доступа к ним. И тут как раз в первую очередь нужно определить — что последние в принципе могут, а на что лучше сразу не рассчитывать.

Пропускная способность USB-режимов оказалась несколько ниже теоретических максимумов, однако это можно исправить настройками программы — при переходе к блоку по 256К практика начинает соответствовать теории. Однако низкоуровневые тесты мы обычно для внешних накопителей и не используем, а сегодня к ним прибегли для сравнения с внутренними — поэтому и режим тестирования не трогали. А так в целом ничего неожиданного — давно известно, что Gen1 немного медленнее SATA600, Gen2 — ощутимо быстрее, но и самый быстрый (из ныне используемых на практике) режимов USB никак не конкурент PCIe 3.0 x4.

Производительность на мелкоблочке слабо зависит от пропускной способности шины, однако на длинных очередях что-то можно соптимизировать и в этом случае. Однако несложно заметить, что задержки даже у старенькой пары SATA/AHCI ниже, чем обеспечивает USB/UASP — так что и ее рановато хоронить. Но при необходимости — второй вариант для использования пригоден. На коротких очередях (которые куда ближе к реальности) и вовсе разница невелика. Особенно сравнительно с разными технологиями — т. е. USB SSD всяко лучше жесткого диска, куда последний ни подключи.

При записи — напротив: на коротких очередях отставание есть, а на длинных USB может выйти и вперед. С другой стороны, на фоне NVMe-накопителей все эти взлеты и падения вовсе незаметны. А если говорить о простой задаче получить десяток тысяч операций в секунду (т. е. на порядок больше, чем могут жесткие диски) — с этим все варианты справляются шутя и с лихвой.

На практике же, как не раз уже было отмечено, длинные очереди встречаются примерно никогда — зато большие блоки очень часто. И вот в этой практической дисциплине SATA уже, можно сказать, что и не нужен. С другой стороны, и переходить на USB особо не за чем — лучше внедрять NVMe на базе PCIe. Главное же, что стоит запомнить — при необходимости USB3 Gen1 подходит для использования не хуже, чем SATA600, а более быстрые версии USB — еще лучше.

При записи же это верно лишь для более-менее крупных блоков — до 16К и новейшая версия USB не слишком блещет.

Еще в целом по тестам видно, что новая линейка Thunderbolt-контроллеров Intel справляется с реализацией USB-режима куда лучше, чем предыдущая. Что, впрочем, неудивительно — во времена появления Thunderbolt 3 сама по себе поддержка USB3 Gen2 была редкостью. В чипсетах практически не встречалась — так что и возможность обойтись одним универсальным контроллером вместо двух сама по себе дорогого стоила. А вот позднее уже пришлось обратить внимание и на качество реализации этих режимов.

Работа с большими файлами

Для внешних накопителей по-прежнему один из основных сценариев — просто уже не единственный. И тут интересно то, что скорости в режиме Gen2×2 вплотную подбираются к возможностям многих PCIe-накопителей. Не всех — но и не только лишь бюджетных.

Хотя связано это с тем, что слишком уж сложно достичь высоких скоростей в чисто последовательном режиме. При переходе к параллельному все сразу встает на свои места — тут и PCIe 4.0 x4 освоить можно, а не только более медленные интерфейсы.

Однопоточная же запись «внутри» тоже прекрасно распараллеливается — зато и скорость ее выполнения сильно зависит от конкретного SSD. Так что идея использования быстрой модели даже в ограниченном пространстве как видим смысл имеет — можно (неожиданно!) получить превосходство USB3 Gen1 над SATA600, хотя первый интерфейс и медленнее. А скорость записи для NVMe-накопителей вообще варьируется в очень широком диапазоне — так что тут и вовсе всякое может получиться. В нашем случае «не получилось» лишь потому, что специально брали для сравнения не самый (мягко говоря) медленный накопитель. А огромное количество устройств на недорогих четырехканальных контроллерах до последнего времени не выбиралось за 2 ГБ/с в любом режиме (и даже в пределах SLC-буфера).

Соответственно, при многопоточной записи у «медленного» SSD на PCIe 3.0 x4 есть все шансы отстать от «быстрого» USB-накопителя. Но тут ничего нового нет — производительность всегда определяет самое слабое звено. Современные версии USB таковым уже далеко не всегда оказываются. Да и самый массовый (до сих пор) Gen1 (также известный как USB 3.0) — тоже.

Сказываться это будет во всех случаях, где задействована запись данных — что для SSD (точнее — флэш-памяти) является более «тяжелым испытанием», нежели чтение. Можно было бы попробовать сгладить картину, специально поискав для сравнения более быстрый SATA-накопитель. Только вот проблема в том, что в современных условиях более быстрых намного меньше, чем более медленных (иногда — намного более медленных). В случае же USB-накопителей «забить» полностью пропускную способность режима не только Gen1, но и Gen2 несложно — и уже давно не слишком дорого. С Gen2×2, разумеется, все сложнее — но он и нужен исключительно самым требовательным пользователям.

И в этом качестве основной проблемой USB3 Gen2×2 (которую наверняка унаследует и ожидаемый многими USB4 Gen3×2) является то, что в ряде случаев он быстрее Gen2 не вдвое, а всего раза в полтора. Хотя и тут ничего удивительного нет, если вспомнить особенности режимов USB. Gen2 — это действительно ускоренный вдвое Gen1, а будущий Gen3 будет так же соотноситься с Gen2. Увеличена эффективная тактовая частота — так что снизились и задержки. А вот «сдвоенные» режимы — это всего лишь дополнительные линии передачи данных, но при том же управлении. Проще говоря, это два порта в одном линке — где дополнительный только передает данные. Это удваивает потоковые скорости (что мы неоднократно видели выше), но задержки практически те же. Поэтому-то многие и ждут USB4 — который будет новым большим шагом во всех направлениях. А «удвоение» — лишь поток расширяет. Чего, впрочем, многим достаточно, и к тому же модернизировать таким образом интерфейс было банально дешевле, чем пытаться выжать вдвое больше из того же кабеля. Но в целом для массового потребителя, как нам кажется, более важно то, что и в таком сценарии потенциальная производительность даже USB3 Gen2 уже превышает теоретические возможности SATA600.

Комплексное быстродействие

На данный момент лучшим комплексным бенчмарком для накопителей является PCMark 10 Storage, с кратким описанием которого можно познакомиться в нашем обзоре. Там же мы отметили, что не все три теста, включенных в набор, одинаково полезны — лучше всего оперировать «полным» Full System Drive, как раз включающим в себя практически все массовые сценарии: от загрузки операционной системы до банального копирования данных (внутреннего и «внешнего»). Остальные два — лишь его подмножества, причем на наш взгляд не слишком «интересные». А вот этот — полезен в том числе и точным измерением не только реальной пропускной способности при решении практических задач, но и возникающих при этом задержек. Усреднение этих метрик по сценариям с последующим приведением к единому числу, конечно, немного синтетично, но именно, что немного: более приближенных к реальности оценок «в целом», а не только в частных случаях, все равно на данный момент нет. Поэтому есть смысл ознакомиться с этой. Пусть она и немного избыточна для оценки внешних накопителей — все-таки пока еще даже для многих их владельцев идея использовать такой не вместе с, а иногда и вместо внутреннего кажется революционной. Однако, по нашему мнению, это как раз сценарии, в которых все преимущества этого класса устройств видны наиболее отчетливо. А для простого переноса файлов от компьютера к телевизору (бывает и такое) можно и внешним винчестером обойтись — оно еще и дешевле выйдет. Да и, кстати, тесты на копирование файлов большого размера входят как раз только в Full System Drive, но не в два других набора PCMark 10 Storage, так что и с этой стороны альтернатив нет.

Обычно мы ограничиваемся общей оценкой — но поскольку сегодня тестирование специальное, стоит немного углубиться в подробности. А они интересны — например, реальная пропускная способность, измеренная тестом по всем нагрузкам, в среднем находится не выше возможностей SATA300. Могла бы и ниже оказаться — если б не тесты копирования больших файлов, в случае SSD благотворно на ней сказывающиеся. Но даже с таким допингом — лишь 306 МБ/с на хорошем и быстром NVMe-накопителе. Казалось бы, для этого с лихвой достаточно и USB 3.0. Но именно что казалось — это именно результаты теста в реальных условиях. И в них такой режим работы лишь примерно соответствует SATA. Более современные версии, как и следовало ожидать, быстрее — но никакого удвоения на любом из шагов нет.

Вау-эффект от замены жесткого диска на любой SSD связан как раз с этой метрикой — задержки у флэш-памяти существенно ниже, чем у любой «механики». Если двигаться дальше, то вновь он не возникает — уже разница в лучшем случае в разы (а то и на проценты), а не разного порядка. Даже Optane SSD менее, чем в восемь раз быстрее «приличного» SATA-накопителя, типа того же WD Red SA500 со всеми вытекающими. И несложно заметить, что разные варианты USB хорошо укладываются в этот самый диапазон между «приличными» SATA и «приличными» NVMe. USB3 Gen1 практически эквивалентен первому, современные версии приближаются ко второму. Но не достигают данного уровня, причем темпы прогресса прямо намекают, что и у USB4 это может не получиться.

Итоговый балл является средним геометрическим пропускной способности и величины, обратной времени доступа, так что тут все те же тенденции. Режим Gen1 можно считать эквивалентным SATA, Gen2 и особенно Gen2×2 побыстрее — но на фоне PCIe 3.0 x4 это не слишком-то и смотрится. Хотя, разумеется, на результатах конкретных устройств будет сказываться и конкретный накопитель — это мы постарались сделать так, чтобы интерфейсам ничего не мешало, но на практике этому часто мешает бюджет. Либо просто вместе с готовым компьютером или ноутбуком не слишком быстрый SSD достанется. Впрочем, медленных моделей и среди внешних немало — так что их в любом случае мы продолжим тестировать. Именно конкретные реализации. А потенциальные возможности USB — оценили сегодня.

Итого

В современном мире интерфейсам и протоколам свойственно развиваться вслед за ростом требований техники — или отмирать, когда такое развитие невозможно. USB это касается в полной мере — во всяком случае, в отношении подключения к данной шине накопителей. А вот многие пользователи за техническими изменениями попросту не поспевают, оперируя понятиями многолетней давности. Впрочем, данная проблема касается не только компьютеров, а вообще всех отраслей деятельности — люди в основной массе вообще достаточно инертны и ленивы, так что переучиваются неохотно — и только если по-настоящему припрет. Это не всегда плохо — но иногда и мешает. Поскольку, например, многие оперируют до сих пор понятиями двадцатилетней давности. Тогда пропускная способность USB составляла в лучшем случае несколько десятков мегабайт в секунду, а основной стандартный программный протокол USB Mass Storage (UMS) разрабатывался и вовсе под простенькие и медлительные накопители конца прошлого века — и скорости в районе одного мегабайта в секунду (т. е. USB 1.1). С тех пор от мегабайтов мы уже перешли к гигабайтам, да и программное обеспечение соответствующим образом отмасштабировалось. Со времен Windows 8 стандартным протоколом стал USB Attached SCSI Protocol (UASP) — включающий в себя и очереди запросов, и команды для управления ими и многое, многое другое. В общем, в первом приближении можно считать UASP и AHCI (основной прокол SATA-устройств) эквивалентными друг другу. А в пределах типового ПК-окружения нет и особой разницы между ними — и NVMe. Да и пропускная способность старших режимов передачи данных USB уже куда больше напоминает PCIe, нежели SATA — развитие которого фактически закончилось более десяти лет назад.

Из чего не следует, что все SATA-устройства нужно бежать менять на USB. Да и вообще — если уж менять, то лучше на PCIe/NVMe. А вот то, что быстрый USB-накопитель во многих случаях может заменить SATA-устройство и даже (с некоторыми оговорками) NVMe SSD — очевидно. Правда без необходимости этим увлекаться смысла нет, поскольку как правило — это более дорогой путь. И вообще: основная ниша SATA SSD на данный момент — модернизация устаревших систем (в новых компьютерах такие накопители вот уже пару лет как редкие гости), но таковые нередко испытывают проблемы с загрузкой с USB-устройств. И, тем более, с поддержкой современных версий USB — а режим USB3 Gen1 каких-то заметных преимуществ над SATA600 не имеет (в чем мы в очередной раз сегодня убедились). Но если нужен именно внешний легко заменяемый накопитель для любых нагрузок, включая и «системные», USB с такой задачей давно уже хорошо справляется — чем можно пользоваться без опасений.