Как работает технология Thunderbold, и в чем плюсы?

Новая технология Thunderbolt имеет важное значение для предыдущего интерфейса Light Peak, над которым работали в сотрудничестве между Intel и Apple. Было внесено ряд изменений от предложенной технологии к тому, что можно найти в продуктах. Например, Light Peak изначально задумывался как стандарт оптического интерфейса, но Thunderbolt отказался от него в пользу более традиционных электрических кабелей. Это накладывает ряд ограничений на работу кабельных линии, но значительно облегчает реализацию.

Видео и интерфейсный разъем Thunderbolt

Основная причина изменения интерфейса Thunderbolt была связана с выбором разъема интерфейса. Вместо того, чтобы полагаться на новый разъем, технология Thunderbolt изначально была основана на технологии DisplayPort и ее дизайне мини-разъема. Это было сделано для того, чтобы один комбинированный кабель мог передавать видеосигнал в дополнение к сигналу данных. DisplayPort был логичным выбором среди интерфейсов видео разъемов, потому что у него уже был вспомогательный канал данных, встроенный в его спецификацию. Два других разъема для цифровых дисплеев, HDMI и DVI, не имеют этой возможности.

Порт Thunderbolt на ноутбуке

Так что же делает эту функцию такой привлекательной? Хорошим примером является небольшой ультрапортативный ноутбук, такой как MacBook . Он имеет очень ограниченное пространство для внешних периферийных разъемов. Используя Thunderbolt на устройстве, Apple смогла объединить как данные, так и видеосигналы в один разъем. В сочетании с дисплеем Apple Thunderbolt Display монитор также выступает в качестве базовой станции для ноутбука. Часть сигнала данных кабеля Thunderbolt позволяет дисплею использовать USB-порты, порт FireWire и Gigabit Ethernet по одному кабелю. Это в значительной степени уменьшает общий беспорядок в кабелях, выходящих из ноутбука, и расширяет общие возможности, поскольку физические порты Ethernet и FireWire не используются на ультратонком ноутбуке.

Для обеспечения совместимости с традиционными мониторами DisplayPort порты Thunderbolt полностью совместимы со стандартами DisplayPort. Это означает, что любой дисплей DisplayPort может быть подключен к периферийному порту Thunderbolt. Важно отметить, что это фактически сделает канал передачи данных Thunderbolt на кабеле неработоспособным вдоль этого кабеля. По этой причине такие компании, как Matrox и Belkin, разрабатывают базовые станции Thunderbolt, которые будут подключаться к компьютеру, который позволяет через DisplayPort подключаться к традиционному монитору и при этом использовать возможности данных этого порта Thunderbolt для Ethernet и других периферийных портов. через базовую станцию.

Использование более одного устройства на интерфейсный порт

Еще одна особенность, попавшая в спецификацию Thunderbolt, — это возможность использовать несколько устройств из одного периферийного порта. Это избавляет от необходимости иметь несколько портов, которые были бы общими для многих компьютеров. Поскольку компьютеры становятся меньше, становится меньше места для разъемов. Многие ультратонкие ноутбуки, такие как MacBook Air и ультрабуки, могут иметь место только для двух или трех разъемов. Существует большое количество различных периферийных портов, больше, чем можно уместить на таком устройстве.

Чтобы обеспечить возможность использования нескольких периферийных устройств на одном порту, Thunderbolt использует функциональность последовательного подключения, которая была представлена ​​в FireWire . Чтобы это работало, периферийные устройства Thunderbolt имеют как входящий, так и исходящий порт соединителя. Первое устройство в цепочке подключено к компьютеру. Следующее устройство в цепочке соединит свой входящий порт с исходящим портом первого. Каждое последующее устройство будет подключено аналогично предыдущему элементу в цепочке.

Теперь существуют некоторые ограничения на количество устройств, которые можно подключить к одному порту Thunderbolt. В настоящее время стандарты позволяют включать в цепочку до шести устройств. Очевидно, что многое из этого связано с ограничениями поддерживаемой полосы пропускания данных. Если вы установите слишком много устройств, это может привести к перегрузке этой полосы пропускания и снижению общей производительности периферийных устройств. Это наиболее очевидно в текущем стандарте, когда к одной цепочке подключено несколько дисплеев.

PCI-Express

Для достижения части передачи данных интерфейса Thunderbolt, Intel решила использовать стандартные спецификации PCI-Express. По сути, Thunderbolt объединяет интерфейс PCI-Express 3.0 x4 с процессором, объединяет его с видео DisplayPort и размещает его по одному кабелю. Использование интерфейса PCI-Express является логичным шагом, поскольку он уже используется в качестве стандартного интерфейса разъема на процессорах для подключения к внутренним компонентам.

При пропускной способности PCI-Express один порт Thunderbolt должен поддерживать скорость до 10 Гбит/с в обоих направлениях. Этого более чем достаточно для большинства современных периферийных устройств, к которым будет подключаться компьютер. Большинство запоминающих устройств работают значительно ниже текущих спецификаций SATA, и даже твердотельные накопители не могут достичь такой скорости. Кроме того, большинство локальных сетей основано на Gigabit Ethernet, который составляет лишь одну десятую этой общей полосы пропускания. Вот почему дисплеи Thunderbolt и базовые станции обычно способны обеспечивать сетевые подключения, периферийные USB-порты и по-прежнему пропускать данные для внешних устройств хранения.

Как это работает с USB 3 и eSATA?

USB 3.0 является наиболее распространенным из современных высокоскоростных периферийных интерфейсов. Его преимущество заключается в совместимости со всеми отсталыми периферийными устройствами USB 2.0, что делает его чрезвычайно полезным, но имеет ограничение в один порт на устройство, если не используется устройство-концентратор. Он предлагает полную двунаправленную передачу данных, но скорость примерно вдвое ниже скорости Thunderbolt при скорости 4,8 Гбит/с. Хотя он не передает видеосигнал определенным образом, как это делает Thunderbolt для DisplayPort, он может использоваться для видеосигналов либо через прямой USB-монитор, либо через устройство базовой станции, которое может передавать сигнал на стандартный монитор. Недостатком является то, что видеосигнал имеет большую задержку, чем Thunderbolt с мониторами DisplayPort.

Вместо Thunderbolt можно использовать простой переходник с eSATA

Thunderbolt, очевидно, более гибкий, чем периферийный интерфейс eSATA, поскольку он гораздо более гибкий. Внешний SATA функционален только для использования с внешними запоминающими устройствами. Кроме того, он действительно работает только для подключения к одному запоминающему устройству. Теперь это может быть массив дисков, который может быть очень быстрым и содержать много данных. Преимущество Thunderbolt заключается в возможности подключения к нескольким устройствам. Точно так же текущие стандарты eSATA имеют максимальную скорость 6 Гбит/с по сравнению с 10 Гбит/с Thunderbolt.

Thunderbolt 3 версии

Последняя версия Thunderbolt основывается на концепциях предыдущих версий, делая ее меньше, быстрее и с большим количеством функций. Вместо того, чтобы использовать технологию DisplayPort, он не основан на USB 3.1 и его новом разъеме типа C. Это открывает ряд новых возможностей, включая возможность предлагать питание по кабелю в дополнение к сигналам данных. Возможно, через кабель можно подключить ноутбук, использующий порт Thunderbolt 3, а также использовать его для отправки видео и данных на монитор или базовую станцию.

Скорости также являются одними из лучших на рынке, достигая скорости 40 Гбит/с, что в четыре раза превышает скорость Gen 3 USB 3.1. Порт по-прежнему довольно ограничен в использовании, но с появлением ультратонких ноутбуков он, скорее всего, будет быстро внедрен на высокопроизводительные компьютеры благодаря таким функциям, как используя настольные видеокарты.

Вывод: cтоит ли использовать интерфейс Thunderbolt?

В то время как Thunderbolt довольно медленно внедряется производителями за пределами Apple, он начинает наконец видеть, что ряд серьезных периферийных устройств выходит на рынок. В конце концов, USB 3.0 был выпущен почти за год до того, как он начал превращаться во многие ПК. Гибкость интерфейсного разъема для небольших вычислительных устройств крайне необходима многим производителям для начала внедрения в свои ультратонкие ноутбуки. Фактически, новые спецификации Ultrabook 2.0 от Intel требуют, чтобы в системах требовался интерфейс Thunderbolt или USB 3.0. Это требование, скорее всего, будет стимулировать принятие интерфейсного порта в ближайшие годы.

Изучаем и сравниваем Thunderbolt 3 в качестве интерфейса для внешнего SSD на примере Wavlink ThunderDrive II

Оглавление

Когда пять лет назад на рынок выходил USB 3.1, для демонстрации всех возможностей нового интерфейса производителям пришлось разрабатывать специальные накопители, в которых два SATA SSD объединялись в массив RAID0. Иначе преимущества не вытанцовывались — сам по себе SATA600 (на тот момент практически безальтернативный — и появившийся еще в конце нулевых) лишь немногим быстрее, чем USB 3.0 (родом из того же конца нулевых). При этом на тот момент даже переделка одиночного SSD во внешнее исполнение была экзотикой (ибо дорого), а бал правили низкоскоростные флэшки или и вовсе ноутбучные винчестеры (которым и древнего SATA300 хватало с большим запасом), так что новый интерфейс воспринимался лишь как задел на будущее — которое когда-нибудь точно наступит, но вряд ли завтра.

Действительность оказалась куда более суровой: как раз в то же время началась экспансия твердотельных накопителей с интерфейсом PCIe, да еще и стоимость флэш-памяти начала снижаться. В итоге мгновенно оказалось, что USB 3.1 (в полном исполнении, разумеется, т. е. Gen2 — а не переименованный в Gen1 старичок USB 3.0) — решение уже не перспективное, а. недостаточное. Пропускная способность в 10 Гбит/с немногим выше, чем можно получить от одной линии PCIe 3.0 — но намного ниже, чем PCIe 3.0 x2, становящийся атрибутом бюджетных SSD. Выжать больше из одного линка USB не получалось, и лучшее, что смогли придумать разработчики в следующей версии спецификаций — агрегирование двух линий в разъеме с удвоением пропускной способности (USB 3.2 Gen2×2), но это требовало новых контроллеров, новых разъемов, новых (более толстых хотя бы) кабелей и не решало проблему принципиально. Действительно: обогнать PCIe 3.0 x2 получится, а вот догнать х4 — нет. Учитывая, что и второе-то начинает встречаться даже в недорогих накопителях, да еще и внедрение PCIe 4.0 на горизонте забрезжило раньше, чем были приняты окончательные спецификации USB 3.2, очевидно, что это тупик.

Нельзя сказать, что разработчики о нем не знали — более того, знали и готовились. Недаром же большинство работающих над USB компаний параллельно отметились и в качестве создателей Thunderbolt, пропускная способность которого обычно соответствует как раз четырем линиям PCIe и растет вслед за этим стандартом. Таким образом, для реализации скоростных возможностей PCIe 3.0 x4 достаточно Thunderbolt 3 образца 2015 года. На деле же для подключения накопителей применялись и предыдущие версии стандарта, но особых следов на рынке эти решения не оставили, поскольку не было «правильных» (таких, которым это может пригодиться) накопителей. Теперь — появились. Но речь о полном отказе от USB в пользу Thunderbolt все-таки не идет — и идти не может. Несмотря на то, что ТВ3 стал составляющей USB 4.0, а унификация разъемов и кабелей началась еще с 2015 года, это совершенно отдельные режимы работы, по умолчанию без какой-либо совместимости. USB-накопитель можно подключать даже к компьютеру 20-летней давности, ТВ — только к снабженному контроллером ТВ (или USB 4.0). Реализовать совместимость в принципе можно, но пока это сделано лишь в контроллерах линейки Intel Titan Ridge, да и то периферия на базе JHL7440 при подключении к USB-порту будет обеспечивать лишь ограниченную функциональность. А хуже всего то, что контроллеры-то анонсированы два года назад — а продуктов на них еще не видать.

В общем, накопители с интерфейсом Thunderbolt 3 — решения нишевые и (до последнего времени) очень дорогие. В частности, год назад мы тестировали внешний SSD Samsung X5. Отличный, быстрый накопитель, но с ценой от 30 тысяч рублей за модификацию на 1 ТБ (а год назад были все 50 тысяч). И даже неважно, что внешний винчестер той же емкости стоит в десять раз дешевле, потому что в ассортименте той же компании есть и менее пафосный внешний SSD T5 примерно за 13 тысяч рублей (в среднем по Москве на момент написания статьи). Да, существенно более медленный, зато универсальный и недорогой. А если есть сильное желание сэкономить, то можно и самому собрать готовое устройство — причем если не слишком экономить, то даже более быстрое, чем Т5. Для этого давно уже есть коробочки на контроллерах ASMedia ASM2362 и JMicron JMS583, позволяющих подключать NVMe-накопители к порту USB 3.1 Gen2.

Так бы оно, возможно, и тянулось — но принятие спецификаций USB 4.0 рынок встряхнуло. Производители зашевелились, причем в сторону «второго» поколения контроллеров, т. е. Titan Ridge. Запасы же «оригинального» Alpine Ridge начали распродаваться на открытом рынке, что позволило начать выпускать соответствующие продукты мелким производителям. В принципе, на AliExpress и год назад можно было купить соответствующую коробочку для SSD, но цены начинались от $200, к чему нужно было добавить еще и сам SSD. Сейчас же они немножко обвалились, так что масса продавцов предлагает таковые примерно за $85. Тоже не так уж дешево, конечно, но все-таки не $200. А нам давно хотелось «погонять» один и тот же твердотельный накопитель на разных интерфейсах (для более полного раскрытия темы), так что снижение цен заставило действовать.

Wavlink ThunderDrive II

В принципе, все такие устройства работают одинаково, благо поголовно используют контроллер Intel JHL6540. Да и цены примерно одинаковые. Так что выбрана была самая красивая коробочка с самой богатой комплектацией, за что (с учетом купонов и скидок) пришлось заплатить примерно $75, подождать неделю (пока посылка добиралась из Китая до ближайшей «Пятерочки»), и.

К такому меня жизнь не готовила. Продавца, по-видимому, тоже — почему на коробке и появилась постфактум наклейка с информацией, которой не было в описании товара. Зато заодно был получен практический опыт общения с низкопрофильными слотами M.2 — как оказалось, «впихнуть» в них можно любые SSD, и работать они будут. Но элементы на оборотной стороне «упрутся» в основную плату, сам накопитель будет стоять под углом к ней, зафиксировать его болтиком не удастся — в общем, для практического использования не подойдет. Для тестирования же — без проблем.

Что касается комплекта, то тут на него не скупились.

Кабель тоже интересный: его можно прикрутить к корпусу устройства.

Также есть транспортировочный мешочек и универсальная мини-отвертка.

И радиатор для самого SSD. В принципе, большой необходимости в нем не обнаружилось, но «сильно горячие» накопители мы и не использовали. Охлаждение в любом случае пассивное, так что основная задача радиатора — перераспределять тепло по площади устройства. В частности, «подогревая» микросхемы флэш-памяти, что (теоретически) им даже полезно при записи данных.

Сама платка простая, благо основную работу выполняет один компактный контроллер Intel JHL6540, прячущийся на ее оборотной стороне. Трудно поверить, но этот квадратик со стороной 10,7 мм способен каждую секунду прокачивать через себя гигабайты данных. Во всяком случае, в теории — соответствие которой практике и надо бы проверить.

Тестирование

Методика тестирования

Методика подробно описана в отдельной статье. Там можно познакомиться с используемым программным обеспечением, а вот в качестве тестового стенда мы в очередной раз использовали NUC 7i7BNH, на который плавно «переместились» в процессе изучения внешних SSD.

Впрочем, то, что в наши руки попала именно коробочка, прямо-таки располагало взять внутренний накопитель — и протестировать его и внутри NUC, и в главной героине, и в более простой и дешевой USB-модели на ASMedia ASM2362. В качестве такового мы решили использовать Gigabyte Aorus NVMe Gen4 SSD 2 ТБ: это модель с интерфейсом PCIe 4.0 x4, так что для того, чтобы хоть как-то воспользоваться «подросшими» возможностями новой версии стандарта, производителю пришлось попотеть — в итоге пропускную способность PCIe 3.0 x4 она выбирает полностью и при записи, и при чтении. Правда, постоянная эксплуатация этого SSD в ThunderDrive II невозможна из-за двухстороннего дизайна, но прогнать тесты это не помешало. В том числе, и при закрытой крышке, но без установки комплектного радиатора (его применение тоже невозможно — по той же причине) — перегреть накопитель нам не удалось даже синтетикой. В общем, современные твердотельные накопители греются намного меньше, чем устройства первой волны. Что тоже располагает к экспериментам именно с ними.

Также для сравнения мы взяли два внешних SSD Samsung — T5 и Х5 по 1 ТБ каждый. Второй нам интересен поскольку это тоже устройство с интерфейсом Thunderbolt 3, первый — как пример массового сегмента внешних SSD на базе SATA-накопителя внутри.

В сегодняшнем тестировании для всех испытуемых использовалась файловая система NTFS. Кэширование записи для USB-накопителей включено (у TB3 этой проблемы нет — там оно по умолчанию включено сразу). Отметим, что с командой TRIM проблем нет ни у одного из устройств — при использовании NTFS, разумеется (для томов exFAT в Windows эта функциональность не реализована).

Производительность в приложениях

Долгое время для внешних накопителей этот вопрос был не слишком важен — нормально работали лишь специализированные portable-версии ПО, ну и установленные на компьютер программы можно было «натравить» на внешнее хранилище также, как на внутреннее — да и все. Однако больше 10 лет назад в Microsoft серьезным образом озаботились темой, так что на данный момент Windows и весь софт можно установить даже на USB-флэшку. В общем, главным вопросом является просто обеспечение загрузки — с которым в данном случае все оказалось очень просто: нам даже не пришлось каким-то специальным образом готовить систему. Просто установили в коробочку SSD с установленной Windows 10, включили загрузку с Thunderbolt и. Дальше никакой разницы между внутренним слотом M.2 и внешним портом не наблюдалось. Что, понятно, дает еще один потенциальный плюс в копилку достоинств Thunderbolt: не обязательно устанавливать накопитель в компьютер, да и последний вовсе можно использовать просто как док-станцию для обеспечения многопользовательского рабочего места (каждый приходит со своим внешним SSD и, поработав, уносит все с собой) без каких-либо ограничений производительности. Или почти без них — для точного ответа на вопрос нам, как обычно, потребуются тестовые утилиты.

Впрочем, как уже не раз было сказано, «системная» производительность разных SSD примерно одинаковая и от интерфейса подключения не зависит. По очень простой причине: скорость дисковых операций в исполнении «механики» узким местом оказаться может, а флэш-памяти уже достаточно, чтобы общую производительность компьютера всегда ограничивали другие компоненты и/или сам пользователь. Но небольшой разброс есть, он всегда в пользу NVMe, а потери на преобразования среды передачи данных не превышают 0,3 процентов. С другой стороны, и радикальное преобразование в USB не так уж страшно — чуть более 1,5% потерь.

На деле могло бы быть и больше, если бы программам реально требовалось больше. Если убрать задержки с их стороны, то потенциально получаем не проценты, а разы. USB-коробочка для NVMe-накопителя режет его скорость почти вдвое — но это все равно радикально быстрее, чем более дешевая (и привычная) схема USB—SATA. Да и не USB — тоже: от некоторых SATA-накопителей внутри компьютера мы подобные результаты получали, но очень-очень редко). А потери на работу Thunderbolt немногим превышают 10% — чем уже можно и пренебречь: реальных конкурентов-то нет.

Последовательные операции

Но наиболее показательны, естественно, такие нагрузки — в первую очередь зависящие от интерфейса. Для взятого нами SSD это верно и при записи данных — он рассчитан, все-таки, на PCIe 4.0, так что предыдущую версию стандарта утилизирует полностью. А с чтением проблем нет и у многих недорогих моделей. И тут стоит отметить, что преобразование интерфейсов производительность режет — недаром, например, при чтении результаты оказались практически идентичны Samsung X5, но это заметно меньше, чем «может» сам накопитель внутри компьютера. Но и в три раза больше, чем способности USB 3.1 Gen2. Соответственно, даже если кто-то сделает коробочку под USB 3.2 Gen2×2, то и это в полтора раза отстанет от Thunderbolt 3. Даже силами уже не новых контроллеров — в следующем поколении пропускная способность интерфейса, возможно, что и немного увеличена. Хотя это не так уж и важно — не уступающей альтернативы все равно нет.

Работа с большими файлами

Повторяется расклад низкоуровневых утилит — только вот скорость однопоточного режима CDM явно меряет не совсем корректно, но с данной программой это бывает. При использовании же PCIe «в чистом виде» программа, напротив, проявляла излишний оптимизм — так что от перехода на файловый уровень выиграли в какой-то степени обе коробочки. Но сами по себе они работают очень по-разному — USB 3.1 Gen2 заметно ограничивает скорость топовых SSD в любом случае, а Thunderbolt 3 иногда даже этого не делает. Если и делает, то на каких-то 15%, а не в разы. Сравнение же с массовыми внешними SSD (на базе SATA-устройств) становится и вовсе бессмысленным: до пяти раз — это уже принципиальное отличие.

При записи NASPT тоже более благосклонен к внешним интерфейсам, нежели CDM. Но важнейшим для нас сегодня является то, что ведут они себя по-разному — что было понятно и априори, но проверка никогда не лишняя. Причем и удвоения скорости USB 3.x при работе двух линков (что как раз и было предложено в рамках Gen2×2) недостаточно для паритета даже с версией Thunderbolt пятилетней давности. Но там-то ресурсы масштабирования еще есть — нужно просто перейти на PCIe 4.0 «внутри», что в перспективе и запланировано.

Запись одновременно с чтением положение дел не меняет. Thunderbolt — самый быстрый из пригодных для внешних накопителей интерфейс, существующий на практике. Некоторые модели SSD он, конечно, ограничивает, однако основной массе до такого уровня самой еще нужно дорасти. А востребовано такое или нет — каждому придется решать самостоятельно.

Итого

Что Thunderbolt — интерфейс быстрый, мы знали и раньше. Проблема в том, что до последнего времени его реализация обходилась слишком дорого, а накопителей, способных воспользоваться такими возможностями, практически не было. Теперь же таковые появились, а цены заметно снизились. Пусть устройства все равно бюджетными не стали — все-таки за цену одной такой коробочки можно даже целый внешний SSD купить как минимум на 500 ГБ (если же не гоняться за брендами, то и на 1 ТБ). Или зайдем с другой стороны — корпуса на каком-нибудь ASM2362 стоят в пять-шесть раз дешевле, а свой гигабайт в секунду выдавать способны. Если нужно больше, так еще и внутрь придется ставить небюджетный SSD. В общем, стоимость решения получается, конечно, куда более низкой, чем с год назад — но все равно высокой. Да еще и проблема совместимости в этом поколении устройств никуда не делась: USB-накопитель можно подключать куда угодно (хоть к телефону, хоть к телевизору, хоть к компьютеру десятилетней давности), а поддержка Thunderbolt требуется в явном виде (хотя бы первых двух версий — но в этом случае придется обзавестись еще и переходником, а скорость будет в два-четыре раза ниже). Понятно, что внедрение USB 4.0 (составной частью которого стал Thunderbolt) положение дел несколько изменит — но, в любом случае, коснется это лишь новейших компьютерных систем, не затрагивая широкие массы трудящихся с разнообразной техникой на руках. Обновление же ассортимента накопителей начнется как обычно в топовом сегменте — и за «двухстандартность» JHL7440 наверняка придется доплачивать. Сколько — пока не известно, поскольку сами они к нам в руки пока не попадались и где купить непонятно. Очень может быть, что и вовсе такие продукты будут поставляться уже под маркой USB 4.0 — с соответствующим ажиотажем в начале продаж.

Поэтому, как и ранее, накопители данного класса по-прежнему невозможно считать массовыми решениями для всех и каждого. Но на такую роль они и не претендуют. Зато с успехом справляются с тем, что от них и ожидалось: максимальная производительность, соответствующая лучшим внутренним SSD (а возможность загрузки и вовсе позволяет обходиться без внутренних, ни в чем себе не отказывая). Разумеется, за это приходится платить. Разумеется, для скоростных рекордов требуется обеспечить соответствующие условия. Но если они обеспечены, платить есть чем и интерес к производительности тоже есть, то. альтернатив на рынке на данный момент нет. В будущем — возможны: если в массы «пойдет» JHL7440 и его аналоги от других производителей, к списку достоинств добавится и универсальность — которой сейчас так не хватает. Но это вопрос будущего. А главное, ради чего этот интерфейс и стоит выбирать, доступно уже сейчас.