SuperSpeed+ USB 3.1性能實測

jollygoh

文章转载自：这里

10Gbps傳輸速度!!
SuperSpeed+ USB 3.1性能實測
文: Spike Lam / 評測中心



雖然市場上尚未有支援 USB 3.1 的裝置，但各大主機板廠商已經開始在中高階產品中導入 USB 3.1 連接埠，相較上代 USB 3.0 除了在傳輸速度由 5Gbps 提升至 10Gbps 外，更改用全新 128b/132b 編碼令頻寬損失由上代 USB 3.0 約 20% 降低至 3% 。 HKEPC 編輯部取得由 ASUS 提供的 USB 3.1 測試套件，包括 ASUS USB 3.1 2-Port 擴充卡及全球首個 USB 3.1 SSD 原型樣本，針對 USB 2.0 、 USB 3.0 及 USB 3.1 進行傳輸性能比較。




由 PC 統一外接介面   走向全球最普及 I/O

在 PC 發展的初期，外接式裝置的傳輸介面各不相同，例如 Printer 需要用上 DB-25 Parallel Port 、 Modem 則會使用 RS232 Serial Port ， Keyboard 與 Mouse 則使用 PS/2 Port ，而且不具備熱插拔功能需要系統重啟才能使用，根本無法滿足外接式裝置發展。因此， 1994 年 INTEL 與 MICROSOFT 共同倡導成立 USB-IF 開發聯盟，發展統一及具備熱插拔與供電的 Universal Serial Bus (USB) 介面，並廣泛地被應用於 PC 裝置上，及後更擴展至其他電子產品領域，成為全球最普及的 I/O 與 DC 電源介面。

USB-IF 成立後於 1994 年 11 月發佈了首個 USB 0.7 技術規範，經過 0.8 、 0.9 、 0.99 與 1.0RC 規範後， 1996 年 1 月 USB-IF 正式發佈 USB 1.0 技術規範，傳輸速度分為 Low Speed 裝置 1.5Mbps 與 Full-Speed 裝置 12Mbps ，由於沒有加入預測及通過檢測功能，令高速裝置經常無法運作於 Full-Speed 模式，加上當時支援 USB 的硬體和軟體尚未普及，市面上只有極少數的 USB 1.0 裝置。

直至 1998 年 9 月 USB 1.1 技術規範正式發佈，修正了 USB 1.0 版本相容問題，加上 Windows 98 原生支援 USB 裝置，基於 USB 規格的裝置開始普及於 PC 市場，當年另一個外接式裝置 IEEE 1394 規格亦正式興起，初推出時速度已達 100Mbps ~ 400Mbps ，當時此技術的倡導者 APPLE ，由於 IEEE1394 的許可費太高，令 IEEE 1394 只能定位於高速傳輸裝置市場，而 USB 則定位於一般外接裝置市場。

USB 開發成本低加壓 IEEE 1394

2000 年 4 月 USB-IF 正式推出 USB 2.0 技術規範，新增了 Hi-Speed 裝置 480Mbps ，並且可向下相容舊有 USB 裝置，儘管 USB 2.0 受限於 BOT 傳輸協定和 NRZI 編碼方式，實際最高傳輸速度只有 30 MByte/s 左右，而 IEEE1394 繼承了 SCSI 指令，傳輸速度高達 800Mbps 而 CPU 佔用率較低，但面對 USB 2.0 開發成本低廉，無需付擔高昂的許可費， IEEE 1394 規格續漸被邊緣化。

USB 2.0 技術規範推出後， USB 普及度更進一步，不少 PC 裝置不再提供 DB-25 、 RS232 接口，最後連 Keyboard 與 Mouse 連接埠 PS/2 亦由 USB 介面所取代。與此同時， USB 開始進軍其他電子產品市場， 2006 年 12 月推出 USB On-The-Go (OTG) 規範，允許兩個 USb 裝置不經獨立 USB 主機端直接相互通訊，由於 USB 亦成為 Smartphone 及 Tablet 裝置的傳輸接口， 2007 年 3 月推出 USB Battery Charging Specification 供電規格， USB 供電最高可增至 1.5A 。

USB 3.1 時代即將來臨

2008 年 11 月 USB-IF 正式推出 USB 3.0 技術規範，新增了 SuperSpeed 裝置，傳輸速度由 480Mbps 大幅提升至 5Gbps ，以滿足外置儲存裝置對速度的需求，同時可向下相容舊有 USB 裝置， USB 3.0 介面通常採用藍色與 USB 2.0 採用黑色作出區間，讓使用者易於分辨。

2013 年 7 月 USB-IF 再推出 USB 3.1 技術規範，通訊協定架構上大致和 USB 3.0 相似，但 PHY Layers 升級至 Gen 2 並加入了 Low Frequency Periodic Signaling (LFPS) 傳輸協定、在協議層加入全新的封包傳輸協定及通訊協定，其速度進一步提升至 10Gbps 稱為 Superspeed+ 裝置，以滿足更大容量更高速的儲存裝置、透過 USB 介面連接顯示器提供更高解析度，以及行動電腦的 External Docking 介面等用途。

首個可運作 Phototype 於 2014 年中國 IDF 開發者大會正式展出，各大晶片廠商 2014 年第四季量產支援 USB 3.1 的傳輸晶片，在 INTEL 全力推動下，一線主機板廠商包括 ASUS 及 ASROCK ，開始推出具備 USB 3.1 介面的主機板產品。

現時已得悉具備 USB 3.1 的 ASUS 主機板型號，包括 X99-Pro/USB 3.1 、 Z97-Deluxe/USB 3.1 、 Z97-Pro/USB 3.1 、 Z97-A/USB 3.1 、 Z97-K/USB3.1 與 B85-Plus/USB 3.1 合共五款型號。 ASROCK 方面則有 X99 Extreme 6/3.1 與 X99 Extreme 6/3.1 兩款型號。

jollygoh

USB 3.1 速度提升至 10Gbps

USB 3.1 與 USB 3.0 的 Pin Assignments 完全一樣，但 USB 3.1 進一步改良 Physical Layer 設計，稱為「 Gen 2 Physical Layer 」，與 USB 3.0 的「 Gen 1 Physical Layers 」比較，除了 Signaling Data Rate 大幅提升，由 USB 3.0 最高傳輸速度為 5 Gbps ，倍增至 USB 3.1 的 10 Gbps 。

此外， USB 3.1 在編碼技術亦作出重大改良， USB 3.0 採用舊式的 8b/10b 編碼技術，而 USB 3.1 則改用 128b/132b 編碼技術，令編碼所佔用的頻寬損失由 USB 3.0 約 20% ，下降至 USB 3.1 只有約 3% 。

8b/10b 編碼技術是由 IBM 於 1983 年所提出的傳輸技術，把 8bit 的資料經過對應機制轉化為 10bit 的字碼，透過不均等性氣 (Disparity) 差分訊號來降低 EMI 干擾，提高精確的訊號以保持傳輸速率，解決當高速串列傳送時，出現了連續的 0 或 1 的位元沒有產生變化訊號出現電壓位階錯誤的可能性，雖然 USB 3.0 的 Raw Throughput 規格為 500 Mbps ，但由於 10bit 中有 2bit 是用作差分訊號，因此 USB 3.0 頻寬實際最高傳輸率 450 MBps 。

改用 128b/132b 編碼技術

USB 3.1 的 Gen 2 實體層 PHY 改用了 128b/132b 編碼技術，它是由 IEEE 802.3 的 64b/66b 傳輸技術演變出來，把 128Bit 的資料經過對應組合變成 16 字符 (Symbols) 的 Data Block ，在 Data Block 前面加上 4bit 校驗符號成為資料流 (Bit Stream) ，此技術與 PCIe 3.0 的 128b/130b 編碼相類似。

128b/132b 編碼技術透過展頻技術 (Spread Spectrum) 刻意在時脈訊號 (Clock signal) 中加入抖動 (Jitter) ，將特定造成電磁干擾的能量由特定頻率打散以降低 EMI 干擾，由於 132bit 資料流只有 4bit 用作校驗， USB 3.1 的 Raw Throughput 規格為 1.2 GBps ，但受惠於 128b/132b 編碼技術令 USB 3.1 的頻寬實際最高傳輸率可高達 1.1 GBps 。

USB 3.1 同時改用了採用 LFPS 訊號交涉方式，讓傳送及接收端可以透過 Speed Traning 協議傳送的速度，以保持最高效率及穩定的時脈下進行資料傳輸。

左面為 USB 3.0 的 8b/10b Encoding 、右面為 USB 3.1 的 128b/132b Encoding

jollygoh

ASUS USB 3.1 2-Port Card

HKEPC 編輯部收到由 ASUS 提供的 USB 3.1 測試套件， ASUS 全新 USB 3.1 主機板系列，部份主機板 PCB 將重新設計並加入 USB 3.1 晶片，部份較高階主機板型號則額外加入 ASUS USB 3.1 2-Port 擴充卡，採用 PCI Express x4 介面但實際採用 x2 Lanes ，擴充卡尺寸為 7.93cm x 7.36cm ，為了讓消費者較易分辨 USB 3.1 接口， ASUS 產品所有 USB 3.1 接口均會採用湖水藍色以作識別。

ASMedia ASM1142 USB 3.1 主控制晶片

ASUS USB 3.1 2-Port 擴充卡採用 ASMedia ASM1142 USB 3.1 主控制晶片，是市場上首款量產的 PCI-Express to USB 3.1 PHY 產品，可提供兩組 USB 3.1 連接埠。晶片規格可支援 PCIe x2 Gen 2 模式及 PCIe x1 Gen 3 模式，在 PCIe x2 Gen 2 模組下其最高頻寬為 10Gbps 並採用 8b/10b 編碼技術，最高有效傳輸速度將為 8Gbps ，在 PCIe x1 Gen 3 模式下其最高頻寬為 8Gbps 並採用 128b/130b 編碼技術，最高有效傳輸速度將為 7.87Gbps 。

由於現時大部份主機板平台的 PCI Express x1 接口均為 Gen 2 ，加上 PCIe x2 Gen 2 相較 PCIe x 1 Gen 3 模式有更高頻寬速度，因此 ASUS USB 3.1 2-Port Type A 擴充卡沒有採用 PCIe x1 Gen 3 模式，以提供最高性能與相容性。

ASUS USB 3.1 連接埠將採用湖水藍色以作幟別

ASUS USB 3.1 2-Port 擴充卡提供了兩組 USB 3.1 Type A 接口，可相容舊有 USB 1.1/2.0/3.0 裝置，支援 Windows 7/8/8.1 32/64Bit 作業系統，連接埠的最大供電電流為 900mA ，因此無法為較高功耗的裝置進行充電，同時亦不支援 ASUS AI Charger+ 功能。

由於擴充卡是專為 ASUS 特定主機板產品而設計，在其他品牌主機板或不支援型號上使用可能會出現相容問題，購買時務必瀏覽 ASUS 官方網站查詢閣下正使用之 ASUS 主機板有否在相容主機板名單上，相容型號亦需更新 BIOS 才能完全支援。

加入 USB 3.1 Boost 技術

為進一步提升 USB 3.1 傳輸速度， ASUS 特別加入了 USB 3.1 Boost 功能，用家可以在主機板的 AI Suite 3 程式中，啟動 USB 3.1 Boost 選項以進行性能最佳化。 USB 3.1 Boost 技術是透過 ASMedia ASM1142 控制器內的 Cache 緩存，把資料整合成較大的 Data Packet ，以節省傳輸時裝置與主控制器進行 Handshake 次數，同時有效減少命令列隊時所需要的時間，除了連接讀取寫性能明顯提升外， 4K 寫入速度將會有明顯的性能改善。

此外， ASMedia ASM1142 控制器支援 USB Attached SCSI Protocol 模式，所有支援 USAP 的指令均可以採用 SCSI 指令以優化傳輸效果，而 ASUS USB 3.1 Boost 技術則會進一步開放 USAP 模式給支援 SCSI 指令的儲存裝置，啟動了 USB 3.1 Boost 功能後，系統會自動偵測是否插入了支援 SCSI 指令的 USB 儲存裝置，讓沒加入支援 USAP 但支援 SCSI 指令的 USB 儲存裝置，也能採用 SCSI Protocol 進行傳輸，有助減少資料傳送來回指令的次數，令讀寫性能進一步提升。

jollygoh

內建 2x USB 3.1 連接埠 ASUS Z97-A/USB 3.1 主機板

ASUS Z97-A/USB 3.1 是首片在香港上市、內建支援 USB 3.1 的主機板產品，基本設計是基於現有 ASUS Z97-A 主機板加入 USB 3.1 支援，採用 ATXForm Factor 設計，尺寸為 30.5cm x 24.4cm ，採用 Intel Z97 晶片組支援 Intel Socket 1150 處理器，提供 4 組 DDR3 DIMM 擴充充槽，可超頻支援 DDR3-3200 速度及最大支援 32GB 記憶體容量。

ASMedia ASM1142 USB 3.1 主控制晶片

ASUS Z97-A/USB 3.1 主機板於供電模組及背板 I/O 之間，加入了 ASMedia ASM1142 主控制晶片，令其中兩個 USB 接口升級為 USB 3.1 規格，為了與其他 USB 3.0 接口作出區間， ASUS 主機板的 USB 3.1 接口將採用湖水藍色以作幟別，提供最高 10Gbps 的資料傳輸速度，支援 ASUS 自家的 USB 3.1 Boost 功能，令傳輸速度進一步提高。

由於 ASMedia ASM1142 USB 3.1 主控制晶片需佔用 x2 PCIe Lanes ，因此需與主機板最左方的 PCI Express x16 接口共用頻寬，該 PCI-Express 接口在 BIOS 預設下會默認為關閉，如果用家需使用這組 PCI-Express 接口，需要在 BIOS 中進行設定，而 USB 3.1 連接埠將無法同時使用。

與 ASUS USB 3.1 2-Port 一樣，主機板的 USB 3.1 連接埠的最高供電電流為 900mA ，因此無法為較高功耗的裝置進行充電，同時亦不支援 ASUS AI Charger+ 功能，用家亦不能使用 USB 3.1 連接埠升級主機板 BIOS 。

售價方面， ASUS Z97-A/USB 3.1 主機板零售價為 HK$1,380 ，較舊型號 ASUS Z97-A 主機板零售價為 HK$1,280 高出 HK$100 ，對於升級週期較長的用家，不妨考慮選購 Z97-A/USB 3.1 型號讓系統可支援未來的 USB 3.1 規格，對於較常升級新系統的用家，可以考慮購買 Z97-A ，因為支援 USB 3.1 規格的裝置並不會那麼快普及於市場，而且初登場時價格亦會比較昂貴。

ASUS Z97-A/USB 3.1 主機板的 USB 3.1 連接埠

jollygoh

ASUS USB 3.1 Enclosure SSD

由於現時市場上尚未有支援 USB 3.1 的儲存裝置，為了能測試 USB 3.1 傳輸速度， ASUS 特別制作了全球首款支援 USB 3.1 的 Prototype 產品「 ASUS USB 3.1 Enclosure SSD 」，讓全球主要媒體可以率先體驗 USB 3.1 的真正實力。

ASUS USB 3.1 Enclosure 採用了 LIAN LI EX-M2 鋁金屬外殼，尺寸與一般 2.5 吋 SSD 無異、厚度為 9mm ，內建 ASMedia ASM1352R USB 3.1 to SATA 6Gbps RAID 控制晶片，可以支援兩組 SATA 6GBps 裝置達成 Hardware RAID 0 陣列成為 USB 3.1 高速儲存裝置。

ASMedia ASM1352R USB 3.1 to SATA 6Gbps RAID 控制晶片

採用了兩隻 SAMSUNG 840 EVO 250GB mSATA SSD 組成，這款 mSATA SSD 採用自家 SAMSUNG MEX SSD 控制器，內建 512MB LPDDR2 緩存記憶體，採用 SAMSUNG K90KGY8S7M-CCK0 19nm Toggle Mode 2.0 TLC NAND ，單隻最高讀寫取速度為 520MB/s Read 、 540MB/s Write ，最高 IOPS 約為 66,000IOPS Read 、 97,000IOPS Write 。

採用全新 USB Type C 介面

ASUS USB 3.1 Enclosure SSD 採用了全新的 USB Type C 介面，由於新興的運算裝置追求輕薄，傳統的 USB 介面接口太大而無法滿足需要，因此 USB 3.1 規格除了傳統的 Type A (Standard) 、 Type B (Micro) 接口外，新增了針對 Smartphone 、 Tablet 的 Type C 接口，進一步擴展 USB 成為外置設備連接的業界標準。

ASUS USB 3.1 Enclosure SSD 採用全新 USB Type C 介面

USB Type-C 接口是全新設計，其尺寸比 USB 2.0 Micro-B 介面更細小，而厚度進一步減至 2.5mm 以下，線材兩端可為相同的 Type-C 介面，接口端沒有正反插入方向，在使用上相較傳統的 USB Type A 及 Type B 更為方面，針對 PC 應用可採用 Type-A to Type-C 線材，能完全相容於現有的 USB Type A 接連埠。

USB Type-C 線材需要具備抗電磁及射頻干擾能力，標準線材至少能提供 3A 的電流傳輸能力，支援可擴展充電電壓規格，耐用性在 10,000 次以上，預期 2015 年底將會陸續看到基於 USB Type-C 接口的 Smartphone 、 Tablet 產品上市，預期 USB Type C 將會繼漸取代 USB Type B 成為行動裝置的業界主流標準。

ASUS 的測試套件附連 USB Type A to Type C 線材

jollygoh

測試平台 :

HKEPC 編輯部採用 ASUS Rampage V Extreme 配搭 ASUS USB 3.1 2-Port 擴充卡的性能表現作為成績基準，同時亦會採用主機板內建的 USB 2.0 及 USB 3.0 連接作性能對比測試。

ATTO Disk Benchmark 測試

ATTO Disk Benchmark 是業界用作測試理論值的傳輸速度的磁碟效能測試軟體，當用家測試 USB 隨身碟、記憶卡與外接式硬碟的讀取及寫入速率，它採用了不同大小的 Fill 0 資料測試包，封包按照 0.5K 、 1K 、 2K 至最大 8MB 分別進行讀取、寫入測試，測試完成後透過條狀圖的形式表達出來，可顯示檔案大小比例不同對於磁碟速度的影響。在這個測試中 USB 3.1 連接埠最高讀寫速度為 863.7MB/s Read 、 874.0MB/s Write ， USB 2.0 連接埠最高讀寫速度為 49.0MB/s Read 、 49.0MB/s Write ， USB 3.0 則錄得 387.2MB/s Read 、 357.9MB Write 。

CrystalDiskMark 測試

CrystalDiskMark 是現時市面上最常用的儲存裝置測試軟體，能夠針對裝置的連續讀寫、隨機讀寫、 4K 讀寫及並發 32 個 4K 讀寫的速度進行測試，藉此來比較硬碟效能的優劣。圖中上方為採用 USB 3.1 連接埠的性能表現，連續讀寫高達 852.5MB/s Read 、 863.6MB/s Write ， USB 2.0 只有 48.82MB/s Read 、 44.82MB/s Write 及 USB 3.0 的 385MB/s Read 、 356.3MB/s Write 。

AS SSD Benchmark 測試 :

AS SSD Benchmark 是專門針對 SSD 裝置的測試軟體，可測試裝置的 16MB 、 4K 、 64 並發 4K 寫入、 512Byte 的讀寫速度及 IOPS ，並會提供基準分數讓一般使用者較易理解。 USB 3.1 在頻寬方面有明顯的進步，在 IOPS 方面與 USB 3.0 相約，受惠於 ASUS USB 3.1 Boost 技術，有效減少命令列隊時所需要的時間，令 USB 3.1 測試的 IOPS 成績有所進步，尤其在寫入方面更為明顯。

Anvil's Storage Benchmark 測試 :

Anvil's Storage Benchmark 測試是新進的 SSD 測試基準，具備 4MB 、 128K 、 32K 、 4K 、 4 並發 4K 、 16 並發 4K 等不同檔案大小的讀寫測試，並提供了 MB/s 、 IOPS 及反應時間結果以供參考。

編輯評語 :

USB 介面是現時最普及的 I/O 與充電規格，加上其向下相容的特性，在數據量不斷增長的今天，人們已經不再滿足於舊有的 USB 傳輸速度，尤其在影音技術已提升至 4K2K ，甚至是 8K4K 以上的解析度， USB 有必要把頻寬進一步提升以滿足市場需求，加上 NAND Flash 技術不斷進行， USB 3.1 規格將為市場帶來全新發展契機。

市場上雖然未有 USB 3.1 裝置正式面世，不過各大主機板廠商已為 USB 3.1 規格作好準備，目前國內外多家廠商正大舉投入研發製造 USB 3.1 相關的技術與產品， USB 3.1 預期在 2015 年將成為高階 PC 系統的基本規格，而真正普及化相信要等待 Intel 正式把 USB 3.1 規格內建於晶片組內。