A era dos controladores USB 3.0

A era dos controladores USB 3.0

Chegou o momento em que o USB 2.0 parecia desconfortável. O surgimento desse padrão há 10 anos surpreendeu a todos. No entanto, o mundo não ficou feliz por muito tempo, e a velocidade do dispositivo acabou sendo inferior a 35 MB / s (foram presumidos 480 Mb / s). Quando você precisa mover grandes bibliotecas de áudio, filmes de vídeo de alta definição ou, o pior de tudo, um grande número de pequenos arquivos que simplesmente "destroem" o desempenho de gravação declarado, então, no processo de copiá-los usando USB 2.0, você pode vá até a loja para comprar pão.

A revisão 3 do USB fornece taxas de transferência de até 5 Gbps, o que teoricamente dá um aumento de desempenho de 10x em relação ao padrão USB 2.0. O USB 3.0 foi originalmente anunciado há três anos. Passou-se um ano inteiro antes que a Buffalo Technology começasse a enviar seus primeiros drives USB 3.0 externos. Naquela época, não havia placas-mãe com controlador USB 3.0.

Depois de algum tempo, quase todos os fabricantes de placas-mãe implementaram lógica USB 3.0 de terceiros em seus produtos. A AMD foi pioneira no lançamento do chipset A75 com suporte para USB 3.0. A propósito, a Intel não implementou esse recurso até hoje.

A NEC Electronics é a primeira a lançar um controlador USB 3.0 discreto.

Hoje temos soluções semelhantes da Etron, ASMedia e um controlador integrado para o chipset A75 da AMD.

Gama de controladores

As primeiras placas de expansão e placas-mãe suportavam USB 3.0 graças ao controlador NEC PD720200. No entanto, agora existem vários outros participantes no jogo. As placas-mãe modernas usam soluções mais recentes: Etron EJ168 e ASMedia ASM1042. Existem também controladores Renesas no mercado, construídos nos primeiros designs da NEC, mas com 85% menos consumo de energia. A VIA também tem seu próprio controlador SuperSpeed.

Hoje estarei testando modelos da Etron e ASMedia. Ambos os controladores USB 3.0 adicionam 2 portas por pista PCI Express.

Se você está adquirindo uma plataforma baseada em Intel, então um controlador discreto é absolutamente necessário para você, porque os chipsets P67, Z68, X58 e X79 não suportam originalmente USB 3.0.

O atraso da Intel neste suporte é um pouco decepcionante, especialmente considerando que os concorrentes da AMD já incluíram um USB 3.0 integrado no chipset A75 (os chipsets 990FX baseados nos processadores Zambeze são menos afortunados).

No entanto, você precisa ter cuidado ao escolher uma plataforma. A AMD tem dois chipsets Fusion Controller Hub: A55 e A75. O A55, mais barato, só suporta SATA 3Gb / se não tem USB 3.0 integrado. Talvez isso não seja um problema para você, mas se o desempenho do sistema for realmente importante, mudar para o chipset A75 lhe dará a tecnologia FIS (modo de acesso a dois ou mais drives ao mesmo tempo), 6 portas SATA 6 Gb / s e 4 USB 3.0 portas.

Hub Thanko com 80 portas

Existem vários controladores USB no mercado hoje. É impossível determinar qual é o melhor simplesmente transferindo os arquivos para um drive externo, para isso é necessário carregar pesadamente o barramento.

A popularidade das conexões USB é evidenciada pelo fato de que quase todas as portas estão ocupadas nos sistemas do usuário. Isso afeta seu desempenho. Portanto, a velocidade máxima do controlador para USB 2.0 é 480 Gb / s, mas é distribuída entre cada dispositivo conectado. Um dispositivo USB não era capaz de usar toda a largura de banda antes, mas dois já conseguiram atingir esse limite. Hoje em dia, atingir o teto de desempenho do USB 2.0 é fácil, mesmo com um único drive.

RocketU 1144A

A única maneira segura de contornar o gargalo é usar vários controladores no sistema.Esta ideia é implementada na placa de expansão HighPoint RocketU 1144A. Para fornecer taxa de transferência de 2 GB / s por PCI Express x4, a placa conecta quatro portas USB a um controlador ASMedia ASM1042, que é usado para 8 pistas. Esse equilíbrio rende até 500 MB / s, fornecendo a mesma largura de banda por porta, que corresponde ao limite superior de USB 3.0 (para acomodar codificação 8b / 10b em um multiplicador de 0,8, o limite de 5 Gb / s é dividido por 8 bits) .

Compare esta solução com o que está presente nas placas-mãe. O Asus F1A75-V Pro e o Gigabyte A75-UD4H usam quatro portas USB 3.0 através do A75 FCH (Fusion Controller Hub). Portas adicionais são conectadas usando controladores ASM1042 (Asus) e EJ168 (Gigabyte).

Mais especificamente, para suportar 4 portas USB 3.0, o chipset A75-UD4H conta com 2 controladores EJ168, enquanto a placa Asus usa apenas um controlador ASM1042, que fornece suporte para 2 portas adicionais. No entanto, essas soluções técnicas de terceiros não são inteiramente ideais, porque 2 portas através da linha PCIe x1 compartilham a largura de banda entre si. Em uma situação onde você tem 2 dispositivos de alta velocidade conectados a um único controlador, esta linha teoricamente se revelará um "gargalo".

Apesar disso, tentarei responder à pergunta: qual controlador é melhor e existe um gargalo ao conectar duas mídias de alto desempenho a eles?

Para fazer isso, testaremos o desempenho de vários controladores USB nas seguintes combinações: ASMedia ASM1042 e Etron EJ168 (de um a dois dispositivos), AMD A75 FCH e HighPoint RocketU 1144A (de um a quatro dispositivos).

Considerando o fato de que o Kingston HyperX Max 3.0 recebeu uma avaliação bastante alta, usei 4 desses modelos ao mesmo tempo. O objetivo era carregar todos os controladores o máximo possível (é claro, era possível conectar apenas 2 drives ao controlador e 4 SSDs foram conectados a uma combinação de controladores diferentes). Isso deve ser um cenário de pior caso, pois os SSDs externos baseados em USB 3.0 fornecem mais largura de banda potencial do que as unidades externas convencionais.

USB 3.0 e 2.0 não possuem suporte para NCQ (fila de comando original), portanto os testes foram realizados com profundidade de fila igual a um.

Leitura e escrita aleatórias

Dispositivos de armazenamento externo raramente encontram operações de E / S arbitrárias. Devido ao fato de o protocolo USB não possuir suporte de hardware para seqüência de comando (NCQ), eles tentam escrever os dados seqüencialmente. No entanto, tal escrita não implica leituras sequenciais. Para dar um exemplo simples, inicializar o Windows 7 usando uma unidade USB envolve a leitura de grandes quantidades de pequenas informações que estão espalhadas por vários endereços de bloco lógico. Obviamente, não está na ordem em que foi gravado anteriormente neste disco.

Por causa disso, o desempenho de operações de E / S aleatórias ainda é importante, mas não tão crítico. Vou concentrar sua atenção em blocos de dados de 4 KB, pois esse é o tamanho de transferência mais popular para operações de E / S aleatórias.

Ao testar a gravação e leitura de blocos de 4 KB, nos deparamos com limitações de desempenho das próprias unidades. Kingston HyperX Max 3.0 atinge velocidades de 10-20 MB / s em tais condições. E mesmo com um aumento no número de dispositivos para 2 nos controladores ASM1042 e EJ168, ainda não funcionou para carregar a linha PCIe x1 ao máximo.

Em seguida, passo para o bloco de 128 KB porque ele realmente reflete a taxa de transferência de filmes, imagens e grandes arquivos de música para dispositivos de armazenamento externos. Usando o software IPEAK da Intel, conduzi uma análise de benchmarking baseada em rastreamento. Os resultados obtidos não são tão inequívocos.

A velocidade de gravação e leitura usando o drive Kingston HyperX Max 3.0 era de 170 MB / s.Portanto, à medida que o número de dispositivos conectados aumenta, não é observada degradação do desempenho.

A largura de banda é o único fator limitante nas portas USB 2.0 mais antigas, já que era capaz de atingir quase 90% da largura de banda disponível com o drive HyperX Max 3.0. Ao adicionar o segundo dispositivo, o barramento da geração anterior foi carregado a 43 MB / s. Isso é muito bom considerando que um hub USB 2.0 pode fornecer 480 Mbps, dividido por oito para converter em bytes e multiplicado por 0,8 para contabilizar a codificação 8b / 10b. Portanto, o limite do USB 2.0 está próximo.

O controlador USB 3.0 do chipset A75 nos oferece melhor desempenho já que sua largura de banda é 10 MB / s maior que a da concorrência.

Embora o benchmark sintético indique um aumento no rendimento, isso não corresponde às possibilidades reais. Além de drives flash, normalmente muitos usuários usam apenas um drive externo por vez. E aqueles que conectam mais drives a um controlador ao mesmo tempo não os usam em sua capacidade total. É provável que o usuário diminua o desempenho em um disco adicional, por exemplo, ao ler vários arquivos.

Não há suporte para NCQ, portanto, a profundidade da fila é um. No entanto, no nível do programa, o sistema operacional itera sobre os comandos usando um buffer. Isso fornece a capacidade de ler e gravar arquivos do dispositivo ao mesmo tempo.

Na prática, pode-se observar que a cada operação semelhante, a velocidade de gravação diminui. No entanto, a taxa geral de transferência de arquivos deve ser igual à que você tem em uma única transferência.

A escrita e a leitura são distribuídas de maneira ligeiramente diferente.

Ao dividir o barramento para transmissão e recepção, a escrita e a leitura simultâneas são tão rápidas quanto separadamente. É por isso que não há queda sustentada na velocidade de gravação e a reprodução do vídeo é suave. A única diferença entre USB 3.0 e 2.0 é a velocidade com que os arquivos são transferidos.

Obtendo boa velocidade com USB 3.0

Cada placa-mãe moderna vendida na loja online hoje inclui suporte para USB 3.0 (as portas são coloridas em azul). Com base nos resultados obtidos, apresso-me em informar que você não deve se preocupar com o tipo de controlador USB 3.0 escolhido pelo fornecedor para sua plataforma. O próximo dispositivo que se conecta ao controlador limitará seu próprio desempenho, não o próprio controlador. Ainda não foi encontrado nenhum dispositivo que seja capaz de atingir o limite possível para este padrão. Para maximizar a carga no controlador de terceiros e na conectividade PCIe x1, serão necessários mais de 500 MB / s.

Você não precisa ser um especialista para entender por que isso está acontecendo. Agora, todos os drives USB 3.0 mais rápidos usam SSDs SATA 3Gb / s, o que limita severamente seu desempenho (algo em torno de 50% do que o barramento pode permitir). Mudar para vários dispositivos USB 3.0 de 6 Gbps certamente causará congestionamento. Unidades mais rápidas e mais caras provavelmente não chamarão a atenção, pois serão mais rápidas do que o subsistema de armazenamento de muitos usuários. Talvez em um futuro próximo veremos drives USB 3.0 externos baseados no SF-2200 que quebrarão o padrão. No entanto, isso é quase impossível agora, já que você não sentirá absolutamente nenhuma diferença entre os controladores USB 3.0 de todos os fabricantes.

A principal diferença entre os controladores USB 3.0 ficará visível após o lançamento do sistema operacional Windows 8. A Microsoft planeja implementar o suporte para seu driver para USB-Attached SCSI, que fornecerá suporte para instruções NCQ através da porta USB. Como resultado, você pode se beneficiar da capacidade do SSD de inverter a ordem das operações. Isso é necessário para aproveitar a vantagem clara das arquiteturas multicanais, que aumentam o desempenho do sistema conforme a fila aumenta.

O procedimento de atualização do sistema não habilitará a função NCQ na porta USB.Além do driver especificado, ele exigirá um dispositivo cliente e um controlador USB 3.0 compatível. O dispositivo ASM1042 Asmedia já está equipado com lógica para ajudar a suportar UAS, mas a reação do Etron EJ168 ou AMD A75 não é conhecida. No nível do dispositivo, não está totalmente claro se algum dispositivo externo está pronto para UAS no momento.

No entanto, isso será em um futuro próximo. Agora você pode aproveitar a velocidade louca do USB 3.0 e lembre-se de que é muito difícil carregar a largura de banda de uma porta, e mesmo 2 portas no controlador apresentarão um desempenho impressionante. Se você tiver a sorte de comprar quatro drives Kingston HyperX Max 3.0 externos e desejar incluí-los no chipset HighPoint RocketU 1144A ou AMD A75, então uma boa velocidade será garantida.