Производительность SATA-накопителей при подключении через USB 3.1/3.2

За последние годы системы хранения данных сделали качественный рывок в производительности. Если еще совсем недавно производительность SSD с интерфейсом SATA казалась нам просто отличной, то сегодня NVMe диски достигли невиданных ранее скоростей и похоже не собираются останавливаться на достигнутом. Не отстает от них и интерфейс USB, последние стандарты которого предполагают скорости обмена данными до 20 Гбит/с. Поэтому мы решили вернуться к вопросу производительности SATA-накопителей при подключении их через USB в современных условиях.

Онлайн-курс по устройству компьютерных сетей
На углубленном курсе "Архитектура современных компьютерных сетей" вы с нуля научитесь работать с Wireshark и «под микроскопом» изучите работу сетевых протоколов. На протяжении курса надо будет выполнить более пятидесяти лабораторных работ в Wireshark.

Прежде всего попробуем разобраться во всем текущем многообразии стандартов USB. Раньше все было просто: USB 1.1 - USB 2.0 - USB 3.0, если нужны более высокие скорости - выбираем более современный стандарт. Пропускная способность интерфейсов, согласно спецификации, составляла:

Интерфейс	Скорость передачи данных
USB 1.x	12 Мбит/с	1,5 МБ/с
USB 2.0	480 Мбит/с	60 МБ/с
USB 3.0	5 Гбит/с	625 МБ/с

Теоретически USB 3.0 на порядок превосходил своего предшественника, обещая потрясающую для своего времени производительность. Напомним, стандарт 3.0 был представлен в 2008 году, а его широкое внедрение началось с 2011, после начала поддержки фирмой Intel в своих чипсетах.

Реальность оказалась гораздо скромнее, наши тесты 2012 года показали фактическую производительность интерфейса на уровне 1 Гбит/с, но даже этого значения полностью хватало чтобы полностью раскрыть потенциал актуальных на тот момент дисков 2,5", а об установке SSD во внешние боксы и речи тогда не шло.

С тех пор прошло много времени, скорости твердотельных накопителей существенно выросли, а цены на них значительно упали. Сегодня SSD во внешнем боксе не роскошь, а средство пристроить высвободившийся в результате апгрейда твердотельный накопитель.

Не стоял на месте и интерфейс USB, новый стандарт USB 3.1 предусматривал в качестве стандартного разъема для периферийных устройств USB Type-C и использовал вместо схемы кодирования 8/10 (80% эффективность) схему 128/132 (97% эффективность), что позволяло достичь скорости передачи до 10 Гбит/с.

Вроде бы все хорошо и понятно, но отвечающая за развитие стандарта некоммерческая организация USB Implementers Forum (USB-IF) решила навести "тень на плетень" и переименовать привычный USB 3.0 в USB 3.1 Gen 1, а новый стандарт с пропускной способностью до 10 Гбит/с в USB 3.1 Gen 2.

Но путаница на этом не закончилась, в 2017 году вышел стандарт USB 3.2, который предусматривал использование только разъема USB Type-C с обоих сторон кабеля и скорости до 20 Гбит/с. А следом пошла волна переименований. USB 3.0, он же USB 3.1 Gen 1 стал USB 3.2 Gen 1, а USB 3.1 Gen 2 превратился в USB 3.2 Gen 2, собственно же устройства стандарта 3.2 стали называться USB 3.2 Gen 2x2.

Видимо поняв, что такая терминология ничего кроме путаницы вызвать не может USB-IF дополнительно ввела торговые названия, в общем и целом шаг логичный, но маркетологам больше пришлись по душе новые-старые наименования стандартов. Ведь можно крупными буквами написать на коробке, что устройство поддерживает новейший стандарт USB 3.2 Gen 1, хотя это всем давно знакомый и привычный USB 3.0.

Стандарт	Прежнее наименование	Новое наименование	Торговое наименование
USB 3.0	USB 3.1 Gen1	USB 3.2 Gen1	SuperSpeed USB
USB 3.1	USB 3.1 Gen2	USB 3.2 Gen2	SuperSpeed+ USB 10Gbps
USB 3.2	-	USB 3.2 Gen2x2	SuperSpeed++ USB 20Gbps

Но и с USB 3.0, которые USB 3.x Gen 1 тоже не все так просто, контроллеры разных лет выпуска демонстрируют разную производительность. Все это мы и решили проверить в небольшом практическом тесте. В нем приняли участие накопители:

Hitachi Travelstar 7K1000 1ТБ, 2,5" жесткий диск со скоростью вращения 7200, одна из наиболее производительных моделей "ноутбучного" формата.
GOODRAM Iridium Pro 240 ГБ, классический MLC-диск на Phison S10 обеспечивающий скорости чтения и записи около 500 МБ/с по всей поверхности.

Со стороны внешних боксов мы использовали:

Контроллер от Seagate Backup Plus Slim Portable Drive с поддержкой USB 3.0 (вместо родного диска были подключены вышеуказанные накопители)
Внешний корпус AGESTAR 3UB2A8-6G на контроллере JMicron JMS578, на коробке заявлено соответствие спецификации USB 3.2 Gen1

Все это тестировали на ПК с материнской платой MSI X470 GAMING PLUS MAX и процессором AMD Ryzen 7 2700X.

Начнем, на всех скриншотах ниже слева HDD, справа SSD, прежде всего мы подключили устройства в порт USB 2.0, так как данный стандарт все еще широко распространен, особенно на старых ПК:

Как видим, все ожидаемо уперлось в ограничения интерфейса. По сегодняшним меркам пропускная способность USB 2.0 не удовлетворяет даже минимальным требованиям для комфортной работы, учитывая, что средний фильм стандартной продолжительности в Full HD качестве занимает около 10 ГБ. А если потребуется перебросить сотню-другую гигабайт, что в наши дни совсем не редкость, то ждать придется достаточно долго.

Теперь USB 3.0 с контроллером от Seagate:

Что касается жесткого диска, то производительности контроллера вполне достаточно чтобы полностью реализовать его возможности, чего не скажешь о SDD. Данный контроллер имеет пропускную способность около 2,5 Гбит/с, что для современных SATA SSD явно недостаточно, фактически мы получаем только 50% от реальной производительности накопителя.

И наконец AGESTAR 3UB2A8-6G на новом JMicron JMS578:

Если для жесткого диска практически ничего не изменилось (все отличия лежат в пределах погрешности измерений), то SSD с данным внешним боксом просто раскрылся во всей красе и показал производительность сравнимую с прямым подключением по шине SATA. При этом протокол передачи не изменился, мы использовали все тот же USB 3.0, он же USB 3.2 Gen1, просто технологии не стояли на месте, а продолжали развиваться и совершенствоваться.

В данном случае такой прирост производительности достигнут поддержкой со стороны контроллера JMicron JMS578 нового протокола UAS (USB Attached SCSI ), который реализует прямую передачу команд SCSI поверх USB. Это позволяет, в отличие от старого протокола BOT (Bulk-only transport), работать с внешним диском как с блочным устройством, снижает нагрузку на систему и позволяет серьезно повысить производительность. Результаты тестирования говорят тут сами за себя.

Выводы

Данное тестирование показало реальный прогресс, который прошли внешние боксы для USB 3.0, если в 2012 году они обеспечивали около 1 ГБит/с, то более поздние модели приблизились к планке 2,5 Гбит/с и этой производительности с запасом хватало для самых производительных жестких дисков. С распространением SSD произошел новый виток развития и современные USB 3.0 контроллеры вплотную подошли к заявленной отметке в 5 Гбит/с.

Для накопителей SATA это фактически верхний предел, так как при использовании более новых и быстрых интерфейсов USB 3.2 Gen2 и USB 3.2 Gen2x2 узким горлышком окажется именно интерфейс SATA. Очевидно, что задел новых стандартов рассчитан на новые интерфейсы, один из которых NVMe, который уже сейчас обеспечивает скорости обмена свыше 20 ГБит/с.

Какие практические выводы мы можем сделать? Если вы используете в качестве внешнего диска HDD, то можете использовать текущий контроллер, никаких существенных преимуществ от покупки нового вы не получите. Но все меняется, если вы хотите использовать во внешнем накопителе SSD, в этом случае покупка бокса на современном контроллере, с поддержкой UAS оправдана и при этом даже не потребуется существенно переплачивать. Например, использовавшийся в этом тестирование бокс AGESTAR 3UB2A8-6G стоил на февраль 2020 года всего около 900 руб.