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电脑设备的接口速度多快才够用?

2018-11-20  动手动脑...
  一般来说,同时代的产品,性能和价格是正相关的,因为性能差而价格高的东西自然就会淘汰。竞争淘汰的结果,性能强的产品才有资格保持高价格,于是就有了“性价比”这一概念。但是,大多情况下,性能是很难用价格来精确衡量的,10元的东西应该比5元的强,但强多少就难以计算。计算机系统的各种接口速度,从表面上看似乎很容易比较强弱,例如USB3.0接口速度是5000Mbps,比USB2.0接口的480Mbps快十倍以上,比SATA2.0的3000Mbps快一半,但是,实际应用中的情形就可能完全不是这回事,不仅USB3.0不是USB2.0的十倍,而且USB3.0接口的移动硬盘,在理论速度比SATA2.0高一半的前提下,性能表现反而低一半!由此可见,只了解各种接口的理论指标是远远不够的,还需要充分研究每种设备在不同接口上的工作状态。

实例1:USB3.0-5Gbps败给了SATA2.0-3Gbps
  先看同一块SSD硬盘(普科特M6S-256G)在USB3.0接口的硬盘盒上与主板自带的SATA2.0接口上速度表现的对比。首先说明,该SSD硬盘是原生的SATA3.0(6Gbps)同时兼容SATA2.0,因为SATA3.0接口速度比USB3.0还高,硬盘在SATA3.0状态下性能超过USB3.0硬盘盒是毫无疑问的,所以并不需要专门验证。但是,当硬盘工作于SATA2.0模式(也就是老主板上的硬盘接口标准)时,虽然理论速度比USB3.0标准低一半,可下面的测试结果恰恰说明,理论速度更高的USB3.0实际表现却大大不如理论速度更低的SATA2.0,只因为这块SSD硬盘是原生的SATA接口而不是原生USB接口,不同类型接口的转换会大大降低实际性能!

 图1:SATA3.0接口的SSD硬盘通过USB3.0硬盘盒连接到主机USB3.0插口 
 上图的测试结果相当可怜,虽然已经选用了性能不错的USB3.0硬盘盒,但测试仅仅比USB3.0的新款U盘快一倍左右。

图2:SATA3.0接口的SSD硬盘通过eSATA硬盘盒连接到主机 eSATA插口
(对主机来说eSATA就是主板芯片组集成的一个SATA2.0接口,只不过是用于外置硬盘,此时硬盘状态完全等同于内置,但接口速度是SATA2.0而不是3.0)
 
  上图的测试成绩因为受到了SATA2.0接口速度的制约,与标准运行状态的SSD相比还是下降很多了,这是因为SATA2.0的理论速度最大值才是300MB,测试成绩260MB是合理的结果。这个并不高的测试成绩,比上面USB3.0硬盘盒的成绩已经好得多,尤其是4K-64线程这样的指令传输为主、文件数据为辅的情况,速度高出几倍!其实这并不能怪罪USB3.0性能不佳,而是因为SSD硬盘本身是原生的SATA接口(而不是原生的USB接口)。原生的SATA接口即使工作于3Gbps状态,实际性能表现也比转换成USB3.0-5Gbps强得多。
  这个对比测试说明,原生态最重要,若非迫不得已不要试图转换设备的接口类型。转换过程必有延迟,对性能影响不可忽视。
  上面的对比测试还可以看出,USB转换之后的硬盘,对主机系统来说,只是一个USB存储设备而不能识别硬盘的具体型号和实际接口类型,可以理解成只是外接一个U盘或读卡器,这时的硬盘只相当于一张SD存储卡而已。但是用SATA连接时就可以准确识别硬盘的型号甚至固件版本等信息。另外,USB3.0接口还可分为主板南桥集成的和第三方芯片扩展的,第三方芯片扩展的接口一律是通过南桥的PCIE总线(更老的主板是PCI总线)再连接到南桥的,而原生的接口不经过PCIE总线,是专用通道连接到南桥芯片的,所以原生的USB接口比扩展的性能更好。同理,主板芯片组自带的SATA3.0接口性能表现通常要比第三方芯片扩展的接口更好,只是第三方芯片扩展的SATA接口一般支持更多的功能,例如RAID10和RAID5之类,功能不同就没有可比性了。
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实例2:表面上SATA2.0理论速度已经够用了,但SATA3.0依然能大幅度提高SSD的性能
  常识告诉我们,如果数据传输需要经过几个环节,那么最终速度一定是取决于最慢那个环节,也就是“速度瓶颈”原理。典型情形就是硬盘的内部传输率(磁头读写速度)最高是200MB,这时不论接口速度多高,拷贝文件的速度也不会高于200MB。下面测试的情况就超出了想像,就是4K-64线程测试,这个结果比SATA2.0理论速度也低不少,是不是说SATA2.0就足够用了?并不是,因为这个测试并不是简单的文件数据的传输,而是大量指令的传输,接口速度和命令响应时间才是关键性因素!
图3:SSD在SATA3.0接口时测试成绩
 
 图4:同一块SSD在同一系统平台上只要插在SATA2.0接口上性能下降明显
  上面的测试结果说明,SATA3.0接口上的SSD比SATA2.0接口时性能强得多!所以接口速度并不是想象之中的那样已经足够用了,事实证明根本不是,尤其上图中那个4K-64线程写入速度,距离SATA2.0的理论指标还有差距,似乎再升级SATA3.0应该意义不大,但对比测试证明,升级到SATA3.0后该项测试成绩接近翻倍!这是一个接口速度起决定性作用的典型代表。因此,将来所有SSD都会升级为M2甚至更高级接口是必然趋势。
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实例3:U盘接口速度对性能的影响
图5:USB2.0/3.0和外接USB_HUB插同一个U盘对比测试 
  结论:读写性能超过接口速度的U盘,实际速度仅能达到接口速度理论值的60%多一点而不是接近接口最高速度。为了不影响U盘性能发挥,接口速度应该有2倍以上的余量,所以新U盘普遍改用USB3.0接口是有必要的。
  以上所有对比测试是针对存储设备的,然而常见的接口规格除了上述SATA2.0-3.0、USB2.0-3.0,还有PCIE(X1-X4-X8-X16)以及1.0-2.0-3.0多种规格,每一代都进行了提速。只不过PCIE速度对设备的影响不容易对比实验,PCIE设备对接口速度的需求有多高也难有精确计量。例如有些RAID卡是PCIE4x-1.0接口,有的是PCIE4x-2.0接口;显卡有的是PCIE16x-2.0接口,还有的是PCIE16x-3.0接口,具体影响有多大没有测试过,但是可以肯定,在某些特定使用条件下的影响会比较突出(当然在另外一些使用条件下影响很小),原则上接口速度当然是越高越好。

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