Поддержка USB 3.0 и SATA 6 Гбит/с: не все материнские платы одинаковы – THG.RU

Почему PCI Express 2.0 имеет значение?

В 2010 году пропускная способность накопителей и периферии должна увеличиться. Скорость 6 Гбит/с у интерфейса SATA обещает более быстрое подключение для новейших твёрдотельных накопителей и жёстких дисков, а вне пределов корпуса ПК мы должны получить всё больше периферии USB 3.0, которая позволит передавать данные на накопители с их максимальной скоростью. Существующие “узкие места” останутся в прошлом – но только теории, поскольку могут проявить себя недостатки некоторых дизайнов.

Нажмите на картинку для увеличения.

Устройства USB 3.0 и SATA 6 Гбит/с

Конечные устройства и контроллеры USB 3.0 и SATA 6 Гбит/с доступны уже несколько месяцев, причём сегодня они уже выходят на массовый рынок. NEC первой выпустила полноценный контроллер USB 3.0 (µPD720200). Совместимость с USB 2.0 воспринимается пользователями как само самой разумеющаяся, и мы не встречали “железа” USB 3.0, которое не было бы обратно совместимо с USB 2.0. У GDA есть свои дизайны, VIA уже предлагает контроллеры-концентраторы USB 3.0, да и в ближайшее время появится всё больше дизайнов. В случае SATA 6 Гбит/с ситуация схожая. Контроллер Marvell 88SE9123 сегодня уже стал доминирующим, и вся индустрия накопителей занята переходом с 3 на 6 Гбит/с в 2010 году. Впрочем, не все системы способны поддержать достаточную пропускную способность.

Проблемы пропускной способности PCI Express

И проблема сегодня состоит не в доступности продуктов, а в подключении и пропускной способности. Пока контроллеры USB 3.0 и SATA 6 Гбит/с не интегрированы в чипсеты для массового рынка, они остаются дополнительными устройствами, требующими для своего подключения соответствующий интерфейс. Как правило, этим интерфейсом является PCI Express, который существует в двух разных версиях скорости: PCI Express 2.0 обеспечивает пропускную способность 500 Мбайт/с на линию, а PCI Express 1.x ограничен 250 Мбайт/с. Вполне очевидно, что одна линия PCIe 1.x не может выдержать пиковую пропускную способность 600 Мбайт/с у SATA 6 Гбит/с или 5 Гбит/с у USB 3.0. Пропускная способность 500 Мбайт/с у линии PCIe 2.0 может считаться достаточной.

Подключение PCI Express 2.0 существующих чипсетов использовалось, главным образом, для интерфейсов из 16 линий PCI Express, которые дают видеокартам достаточную пропускную способность. Почти все чипсеты для массового рынка предоставляют 16 линий PCI Express 2.0 для видеокарт; чипсеты для энтузиастов обычно дают в два раза больше линий. К сожалению, все другие линии PCI Express работают с половинной скоростью – но мы обнаружили интересное отличие между чипсетами AMD и Intel, о котором стоит поговорить.

AMD против Intel?

По каким-то причинам все чипсеты Intel, доступные сегодня, поддерживают PCI Express 2.0 только на основном интерфейсе, который используется для графики. Это касается чипсетов линеек 4 и 5, с южными мостами ICH10 и выше. Все вторичные интерфейсы PCI Express, доступные для дополнительных компонентов, ограничены скоростями PCI Express 1.1. Это касается всех чипсетов Intel PCI Express, начиная с линейки 900. AMD, с другой стороны, решила обновить до последней версии PCI Express все линии чипсетов 700 и 800. То есть текущие предложения AMD для массового рынка и энтузиастов не имеют “узкого места” по пропускной способности для высокоскоростных дополнительных устройств.

Мы взяли три материнские платы на P55 от Gigabyte и MSI, все из которых оснащены разными решениями для поддержки USB 3.0 и SATA 6 Гбит/с. Мы проанализировали производительность SATA 6 Гбит/с на новом SSD Crucial RealSSD C300 и жёстком диске Seagate Barracuda XT с интерфейсом SATA 6 Гбит/с и обнаружили, что не все решения предоставляют достаточную пропускную способность.

“Узкие места” для USB 3.0 и SATA 6 Гбит/с

Как мы уже упомянули, все чипсеты AMD 700 и 800 полностью поддерживают PCI Express 2.0, а поддержка Intel PCIe 2.0 ограничена основными линиями, которые подводятся к графическому решению. Поэтому вряд ли мы столкнёмся с “узкими местами” по пропускной способности на платформах AMD. Что же касается Intel, то следует обратить внимание на несколько опций. Хотелось бы подчеркнуть тот факт, что контроллеры, доступные на рынке, обычно используют только одну линию PCI Express для максимального упрощения. “Узкое место” по производительности, конечно, можно было бы устранить, если бы контроллеры подключались к системе по двум или четырём линиям, но на большинстве материнских плат для массового рынка вы вряд ли обнаружите другие слоты PCIe, помимо x1 или x16.

Первое решение заключается в простом использовании существующих линий PCIe 1.1 для подключения контроллеров USB 3.0 или SATA 6 Гбит/с. Это даст максимальную пропускную способность 250 Мбайт/с. Конечно, такой подход следует избегать, поскольку контроллер SATA 6 Гбит/с получит пропускную способность меньше интерфейса SATA 3 Гбит/с, да и USB 3.0 тоже будет ограничиваться по пропускной способности. Для отдельных жёстких дисков, подключённых через USB 3.0, это не имеет особого значения, но если вы планируете одновременно подключить два накопителя параллельно, или когда SSD превзойдут пропускную способность 300 Мбайт/с, то подобное “узкое место” будет раздражать. Примером хорошей реализации можно считать установку Asus чипа PLX 8613 на материнской плате P7P55D Premium, который объединяет пропускную способность нескольких линий PCIe 1.1 для предоставления интерфейса PCIe 2.0. С точки зрения задержек такой вариант не идеален, но он всё равно лучше, чем подключение через одну линию PCIe 1.x. К сожалению, у нас не было на руках этой материнской платы.

Второй подход для преодоления ограничений пропускной способности для высокоскоростных компонентов, таких как контроллеры USB 3.0 или SATA 6 Гбит/с, заключается в их подключении к основным линиям PCI Express, которые соответствуют стандарту PCIe 2.0, поэтому и предоставляют достаточную пропускную способность. В результате существующие 16 линий должны быть разделены между видеокартой и высокоскоростными контроллерами. Такое решение реализовано на материнской плате Gigabyte P55A-UD6. Но когда вы установите две видеокарты и запустите их в конфигурации Crossfire, то контроллеры USB 3.0 и SATA 6 Гбит/с будут подключаться уже через чип PLX с обычными линиями PCIe 1.1 к южному мосту. Таким образом, пользователи могут сами выбирать, стоит ли обеспечивать полноценное подключение PCIe 2.0 для графики (будь то одна видеокарта или конфигурация Crossfire) или выделять линии PCIe 2.0 для подключения контроллеров USB 3.0 и SATA 6 Гбит/с.

Наконец, существует ещё один способ предоставления пропускной способности более гибким образом. Такое решение сделано на материнской плате Gigabyte P55A-UD7. Хотя UD6 уже бьёт все рекорды по функциям, UD7 идёт на шаг дальше и добавляет чип nForce 200, который предоставляет больше возможностей подключения PCI Express и добавляет более эффективную поддержку SLI к платформе Intel P55. Чтобы всё работало правильно, требуется коммутатор; на этот раз им стал чип PLX 8608.

Нажмите на картинку для увеличения.

MSI и Gigabyte используют коммутатор PLX 8608 PCI Express, чтобы динамически распределять пропускную способность доступных линий 16 PCI Express 2.0 между слотами x16 и высокопроизводительными контроллерами, такими как USB 3.0 и SATA 6 Гбит/с.

Gigabyte P55A-UD6 (видеокарты или контроллеры)

Нажмите на картинку для увеличения.

P55A-UD6 – одна из наиболее хорошо оснащённых материнских плат LGA 1156 из всех, что мы знаем. Более подробную информацию о ней вы можете получить в обзоре материнских плат на Intel P55 для энтузиастов, который мы опубликовали в декабре 2009 года. Набор функций начинается с массивного 24-фазного стабилизатора напряжения, который обеспечивает существенную мощность и гибкость, и продолжается богатыми возможностями подключения: поддержка Crossfire и три слота x16 PCI Express, отдельные контроллеры JMicron JMB362, ITE 8213 и Marvell 88SE9128 обеспечивают поддержку eSATA, UltraATA/133 и SATA 6 Гбит/с. Преимущества всех трёх чипов заключается в том, что каждый можно подключить через линию PCI Express 1.1, что позволяет распределить пропускную способность в отличие от более интегрированных контроллеров. Наконец, есть и контроллер NEC для USB 3.0. Этот контроллер, а также и чип SATA на 6 Гбит/с подключены через чип PLX, который позволяет использовать линии PCIe 2.0 процессора или линии PCIe 1.1 чипсета Intel P55.

Нажмите на картинку для увеличения.

Вы можете выбрать режим автоматического управления линиями PCIe, либо вручную определить, хотите ли вы предоставить максимальную пропускную способность контроллерам USB 3.0 или SATA 6 Гбит/с. Если вы так сделаете, то уже не сможете использовать две видеокарты. Если вы всё же решите запустить конфигурацию Crossfire, то получите серьёзное падение производительности чипа SATA 6 Гбит/с, что видно по нашим диаграммам производительности. И это не ошибка Gigabyte, а просто следствие недостаточной общей пропускной способности для новых высокоскоростных интерфейсов и двух видеокарт.

Нажмите на картинку для увеличения.

Нажмите на картинку для увеличения.

Нажмите на картинку для увеличения.

Нажмите на картинку для увеличения.

Gigabyte P55A-UD7 (максимальный набор подключений и коммутация PCIe)

Нажмите на картинку для увеличения.

Набор подключений P55-UD7 строится на функциях и достижениях UD6. Хотя плата UD6 уже являлась флагманским продуктом сама по себе, новая UD7 – это просто “монстр”. Конечно, на материнской плате есть все необходимые и интересные функции, такие как 24-фазный стабилизатор напряжения, поддержка расширенного разгона памяти (Gigabyte указывает скорости DDR3-2600+), автоматическое переключение фаз для чипсета, памяти, цепей CPU, технология Ultra Durable 3, которая подразумевает использование большего количества меди, а также привычные двойные функции, такие как DualBIOS, два контроллера 1 Гбит/с и расширенные функции разгона. Впрочем, ключевой особенностью можно считать коммутатор PLX для PCI Express и наличие чипа nForce 200 от Nvidia. Последний обеспечивает дополнительные линии PCI Express 2.0, которые коммутируются к 16 линиям CPU.

В результате оба контроллера USB 3.0 и SATA 6 Гбит/с (опять же, контроллеры NEC µPD720200 и Marvell SE9128) могут использовать пропускную способность PCI Express в динамическом режиме. Чип PLX находится ниже водоблока гибридной системы охлаждения, он обеспечивает коммутацию PCI Express при необходимости. Хотя общая проблема пропускной способности, а именно то, что платформы LGA 1156 обеспечивают только 16 линий PCIe 2.0, не решена, данный способ является наилучшим способом балансировки нагрузки, при этом он увеличивает гибкость распределения линий PCIe.

Нажмите на картинку для увеличения.

Нажмите на картинку для увеличения.

Нажмите на картинку для увеличения.

MSI P55-GD85 (коммутация PCIe)

Нажмите на картинку для увеличения.

Третья плата в нашем тестировании – MSI P55-GD85. За исключением линейки Big Bang, это топовая материнская плата LGA 1156, которую вы можете получить от MSI. Плата оснащена динамической системой переключения фаз стабилизаторов напряжения (APS – active phase switching), системой облегчения разгона OC Genie, двумя портами LAN 1 Гбит/с, системой охлаждения с тепловыми трубками и многими другими опциями, которые будут интересны энтузиастам. Конечно, оснащение нельзя назвать чрезмерным, но опций всё равно довольно много – и здесь используется тот же самый коммутатор PLX 8608 PCI Express, который присутствует и на материнской плате Gigabyte P55A-UD7. В случае P55-GD85 MSI создала полнофункциональную плату с двумя слотами x16 PCI Express 2.0, которые оба могут работать от восьми физических линий PCIe 2.0, но при этом обеспечивают контроллерам USB 3.0 и SATA 6 Гбит/с (вновь NEC и Marvell) достаточную пропускную способность через коммутацию. Кроме этих контроллеров, на плате также присутствует контроллер JMicron 363, поддерживающий eSATA и ещё один порт SATA 3 Гбит/с.

Основное отличие от последнего флагманского продукта Gigabyte заключается в отсутствии дополнительного моста PCI Express, такого как nForce 200, но плата MSI всё равно поддерживает режим SLI на двух видеокартах.

Тестовая конфигурация

Мы использовали твёрдотельный Crucial Real SSD C300 в качестве устройства с высокой пропускной способностью и жёсткий диск Seagate Barracuda XT 2 Тбайт, который использует SATA 6 Гбит/с.

Нажмите на картинку для увеличения.

Нажмите на картинку для увеличения.

Нажмите на картинку для увеличения.

Тесты и настройки

Результаты тестов пропускной способности

Мы не проводили тесты производительности на всех трёх платах, поскольку основной целью данного обзора была оценка возможных “узких мест” со стороны PCI Express при использовании высокоскоростных контроллеров, таких как SATA 6 Гбит/с. Поэтому мы собрали конфигурацию Crossfire на двух видеокартах Sapphire Radeon HD 5850, которых вполне достаточно для нагрузки всех линий PCI Express 2.0, после чего мы посмотрели, на какой плате интерфейс накопителей замедляется сильнее всего из-за недостатка доступной пропускной способности.

Как и предполагалось, производительность SATA на контроллере 6 Гбит/с от Marvell падает после того, как оба слота x16 PCI Express начинают использоваться для конфигурации видеокарт Crossfire на материнской плате Gigabyte P55A-UD6. Два других решения используют чип PLX, чтобы динамически распределять пропускную способность PCI Express 2.0.

Результаты схожи при подключении жёсткого диска. Barracuda XT – накопитель с интерфейсом SATA 6 Гбит/с, но он обеспечивает пиковую пропускную способность только при чтении или записи в кэш-память. Как видим, только решения с коммутатором PLX PCI Express способны обеспечить высокую пропускную способность.

Заключение

Проблему пропускной способности нельзя назвать острой, поскольку ещё не появились накопители SATA, способные выдать пропускную способность больше 300 Мбайт/с. Однако важно знать, что вы можете упереться в ограничения пропускной способности, если не обратите внимание на то, как реализованы контроллеры USB 3.0 или SATA 6 Гбит/с. Давайте подведём итог.

Проблемы

Существующие чипсеты Intel не дают достаточной пропускной способности PCI Express для контроллеров USB 3.0 или SATA 6 Гбит/с, поскольку все вторичные линии PCI Express не соответствуют стандарту 2.0, поэтому и предоставляют только 250 Мбайт/с вместо 500 Мбайт/с по линиям PCI Express 2.0. Производители материнских плат могут обойти подобное ограничение, подключая дополнительные компоненты PCIe через коммутаторы PCIe или через физические линии PCI Express 2.0 (которые обычно подводятся к видеокартам). Чипсеты AMD, начиная с линейки 700, полностью поддерживают PCI Express 2.0, поэтому они не демонстрируют такого ограничения.

Такие решения, как на материнской плате P55A-UD6, когда интерфейсы USB 3.0 и SATA 6 Гбит/с могут подключаться через интерфейсы PCI Express 1.1 чипсета, приведут к появлению “узкого места” по пропускной способности. Это также касается и случая, когда вы решите установить дополнительную карту x1 PCI Express USB 3.0 или SATA 6 Гбит/с в любую систему Intel или в систему AMD с чипсетами старее версии 700: интерфейс PCIe 1.1 250 Мбайт/с – это максимум, что вы получите; результаты наших тестов показывают, что в итоге эффективная пропускная способность может быть гораздо ниже.

Решения

Давайте похвалим AMD: компания оказалась быстрее, чем Intel, по интеграции интерфейса SATA 6 Гбит/с в свой последний чипсет. Действительно, в последнем чипсете 890 вы получите шесть портов SATA 6 Гбит/с. Интерфейс USB 3.0 чипсетом пока не поддерживается, но вы можете установить внешний контроллер USB 3.0 в слот x1 PCI Express 2.0 500 Мбайт/с, что даст полностью рабочую систему. Что же касается систем Intel, то мы рекомендуем внимательно подбирать модель материнской платы.

Поскольку 16 линий PCI Express 2.0 более чем достаточно для одной видеокарты, коммутаторы PCIe, такие как чипы PLX, используемые на материнских платах Gigabyte P55A-UD7 или MSI P55-GD85, могут удовлетворять требованиям по пропускной способности дополнительных контроллеров USB 3.0 или SATA 6 Гбит/с, динамически распределяя пропускную способность доступных 16 линий PCIe 2.0 процессора платформы P55 на все устройства. Две упомянутые материнские платы демонстрируют, что подобное динамическое распределение пропускной способности является вполне приемлемым решением даже при установке двух видеокарт x8 PCI Express 2.0, которые нагружают пропускную способность PCIe в режиме Crossfire. Поэтому любая материнская плата для платформы Intel, использующая дополнительные контроллеры USB 3.0 и SATA 6 Гбит/с, должна использовать коммутатор PCI Express для эффективного распределения доступной пропускной способности.

Рекомендации

Проблема с пропускной способностью платформ Intel не может быть решена мгновенно, для этого потребуется обновление чипсета. Но вполне возможно использовать доступную пропускную способность существующих платформ более эффективно через коммутацию PCI Express, что и является нашей главной рекомендацией. Сегодня при покупке high-end материнской платы действительно стоит обращать внимание на то, как подключаются высокоскоростные контроллеры. При этом вам не потребуются отдельные карты расширения для контроллеров USB 3.0 или SATA 6 Гбит/с, и вы точно не получите “узкие места” на вашей платформе.

Если вы хотите провести модернизацию на интерфейс SATA 6 Гбит/с, то лучше подождать, поскольку преимущества по производительности всё ещё ограничены, так как на рынке ещё не появились накопители со скоростью больше 300 Мбайт/с. Но в случае USB 3.0 ситуация иная: если вы устанавливаете карту USB 2.0 x1 PCIe в слот PCIe 1.1, то всё равно получите пропускную способность до 250 Мбайт/с или минимум около 160 Мбайт/с, как можно видеть по нашим тестам. Впрочем, даже по сравнению с эффективной пропускной способностью 30-35 Мбайт/с у USB 2.0 такой прирост вполне себя оправдывает.