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USB 2.0対応製品も多数市場に登場していますが、現時点ではOSで標準サポートされておらず、サードパーティ提供のドライバもβ版の状態です。USB 2.0の現状を知るために、鈴木直美氏によるテストレポートをお届けします。(編集部)
高速な汎用インターフェイスといえば、かつてはSCSIの独壇場だった。高速な大容量HDD、CD-ROMやMOなどのリムーバブルドライブ、テープストリーマ、そしてスキャナをはじめとするイメージングデバイス等々、最新鋭機器の多くが、SCSIインターフェイスでデビューを飾ったものである。
ところが、高速化、大容量化、汎用化を備えたATA/ATAPI(IDE)と、さまざまな外付けデバイスが無造作に接続できるUSBの標準実装により、そんなSCSIの魅力もすっかり色褪せてしまった。筆者のところでは、一時全てのマシンにSCSIアダプタをインストールしていたことがある。今も何台かは、そのままアダプタが挿さったままだが、CD-R/RWがつながっているマシンを除いて、ほとんど死物と化しているのが現状である。高速な外付けデバイスのサポートという点では、明らかに勝っているSCSIなのだが、対応デバイスの動向を見てもわかる通り、コンシューマ市場ではもはや終焉を迎えた存在になってしまった。
そんなSCSIに代わり、外付けデバイスを一手に引き受けることになったUSBだが、元々がキーボードやマウス、シリアルポート、パラレルポートといった中低速I/Oを統合する目的で設計されていたため、バンド幅は12Mbps(1.5MB/sec)と控え目だ。もちろんこれでも、諸々のレガシーインターフェイスを全て統合して充分お釣りが来る算段だった。
ところが、高速部門を受け持つはずのIEEE 1394が、標準インターフェイスの座から転げ落ちてしまったため、CD-R/RWやハードディスク、DVD、高解像度スキャナ、TVチューナといった予想外の高負荷が、このか細いUSBにぶら下がるようになり、あっという間に帯域不足を招いてしまった。本来はSCSIやIEEE 1394を使うのが正論なのかも知れないが、つながるとあらば何でもつなげられてしまうのは、良くも悪くも標準インターフェイスの宿命だろう。
それならということで、従来のロースピードモード(LS:1.5Mbps)とフルスピードモード(FS:12Mbps)に、480Mbpsのハイスピードモード(HS)を加えて一気に高速化を図ったUSB 2.0が策定され、2000年4月に正式なリリースとなった。今春あたりから、対応製品が店頭に並ぶようになり、USB 2.0市場の立ち上がりを感じさせる今日この頃。流通し始めたばかりの2.0対応製品がいくつか編集部から送られて来たので、USB 2.0の現状を一通りチェックしてみた。使用した製品は以下の通り。詳細は、それぞれの製品情報を参照していただきたい。
なお、USB 2.0対応機器としては、CD-RW、MOなども出荷されているが、ここではインターフェイスのパフォーマンスを知るために最も高速なデバイスであるHDDのみを使用している。
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| メルコ 「IFC-USB2P」 |
アイ・オー・データ機器 「USB2-PCI」 |
アーベル 「DPM-422」 |
【ホストアダプタ】
| メーカー | 製品名 | 価格 |
|---|---|---|
| メルコ | IFC-USB2P | 8,500円 |
| アイ・オー・データ機器 | USB2-PCI | 8,500円 |
| アーベル | DPM-422 | 12,000円 |
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| メルコ 「DUB2-GT40G」 |
アイ・オー・データ機器 「HDA-i60G/US2」 |
【HDD】
| メーカー | 製品名 | 価格 |
|---|---|---|
| メルコ | DUB2-GT40G | 28,000円 |
| アイ・オー・データ機器 | HDA-i60G/US2 | 33,000円 |
【テスト環境】
マザーボード：AOpen AX3S Pro(815E+ICH2)
CPU ：Celeron 800MHz
HDD ：IBM DTLA-305040
メモリ ：256MB
OS ：Windows 98/Me
【製品情報】
□メルコ
http://www.melcoinc.co.jp/
・IFC-USB2P
http://buffalo.melcoinc.co.jp/products/catalog/item/i/ifc-usb2p/index.html
・DUB2-GT40G
http://buffalo.melcoinc.co.jp/products/catalog/item/d/dub2-gt/index.html
□アイ・オー・データ機器
http://www.iodata.co.jp/
・USB2-PCI
http://www.iodata.co.jp/products/ifoption/2001/usb2-pci.htm
・HDA-i60G/US2
http://www.iodata.co.jp/products/hdd-scsi/2001/hdai-us2.htm
□アーベル
http://www.arvel.co.jp/
・DPM-422
http://www.arvel.co.jp/dos_v/board/inter/dpm422.html
●USB 1.1の互換性は問題無し
USBは、ホストとなるPCを頂点にHubを介してツリー状にデバイスを接続していくシステムである。システムの全権は、頂点に置かれたホストが握っており、ホストが個々のデバイスをポーリングし、デバイスがそれに応える形で通信を行なう。
この点が、デバイスどうしが対等に通信できるように設計されたSCSIやIEEE 1394と大きく異なる点で、USBでは、カードリーダーから直接プリンタにデータを出力するような使い方はできず、必ずPCの仲介が必要となる。現在、PC抜きで直接接続できるようにするUSB OTG[On The Go]という規格も検討されているようだが、USB 2.0の基本仕様は、従来のUSB 1.1をそのまま踏襲したたものであり、ユーザーにとっては、単純に高速なHSが拡張されただけの規格と考えて差し支えない。このHSを利用しない場合は、ホストやHub、デバイス、ケーブルも、新旧規格のことなど考えることなく、混在利用することができるようになっている。
まずは、この1.1レベルの互換性を検証してみた。今回使用したホストアダプタは、全てNECの「μPD720100」というホストコントローラチップを使用している。このチップは、USB 2.0規格の正式なリリースと同時期にリリースされたもので、2.0のリファレンスチップといえる存在である。チップ内には、2基のOHCI(Open Host Controller Interface～LS/FSをサポートする従来の仕様)ホストコントローラと1基のEHCI(Enhanced Host Controller Interface～HSをサポートする2.0仕様)ホストコントローラが組み込まれており、1チップで、最大5ポートのUSBポートを提供できる。2基のOHCIコントローラは、ポートの1、3、5を1基目が、2、4を2基目が担当し、現行のPCに多い2チャンネル4ポート(または5ポート)のUSB 1.1環境を提供する。EHCIコントローラは、全ポートに対応しており、ポートに2.0対応のHubやデバイスが接続されると、EHCIコントローラにルーティングされるようになっている。
ご存知のように、EHCIのOS標準ドライバは存在しないため(現在βテストの真っ只中)、2.0ホストアダプタを取り付けると、2基のOHCIコントローラだけがシステムに追加され(当然ルートHubも追加される)、EHCIコントローラは不明なデバイスとなる。すなわち、標準ドライバだけでは、2チャンネルのUSB 1.1としての利用に限定されるわけだが、この状態で、2台の2.0対応HDDと1.1仕様のそのほかのデバイス(Hub、マウス、MIDI I/F、プリンタ)を接続してみたが、特に問題なく利用できた。これからシステムにUSBポートを追加しようという方は、若干割高になってしまうが、2.0対応のホストアダプタを検討してみるのも良いだろう。
【表：USB 1.1の相互接続】
| ホスト | デバイス | ||
|---|---|---|---|
| メルコHDD | アイ・オーHDD | その他 | |
| オンボードUSB | ○ | ○ | ○ |
| アーベル | ○ | ○ | ○ |
| メルコ | ○ | ○ | ○ |
| アイ・オー | ○ | ○ | ○ |
●USB 2.0は未だ互換性検証以前の状況
現時点で2.0の機能を利用するためには、メーカーが独自にEHCIドライバを用意している製品に限定される。しかし、このドライバもβ版で、接続機種は自社製限定、ストレージ限定、2.0 Hub未対応、アイソクロノス転送未対応……等々、何らかの制約が付いた暫定的なものだ。本格的なサポートは、やはりOSの標準対応を待つというのが、妥当な線かも知れない。
今回使用したメルコのホストアダプタは、Windows 98 SE用βドライバをWebで提供。アイ・オーの製品は、自社製品のみのサポートを前提としたドライバ(Windows 98/98 SE/Me)が添付されており、Windows 2000用のβ版の提供がWebで始まっている。アーベルは、Windows 2000用のβドライバが添付されているが、既に期限が切れておりWebにも最新ドライバは掲載されていない。OSの対応待ちというスタンスなので、テストからは外した。
とりあえずダメモトで相互接続を試みてみたが、結果は案の定、HSで動作するのは、自社製品どうしの組み合わせのみとなった。
なお、アイ・オーのHDDに使われている「i・CONNECT」は、In-System DesignのISD-300というUSB-ATAブリッジチップを使用しているので、In-System DesignのWebサイトにある最新のドライバも試してみた。その結果、アイ・オーのアダプタでは当然、問題なくHSで動作するのだが、メルコのアダプタでは、ドライバのロードに入ったままフリーズしてしまい、1.1デバイスとしても利用できなくなってしまった。あくまで評価用のEHCIドライバなので、この辺は仕方のないところかも知れない。
現状での2.0対応デバイスの購入は、ホストアダプタの対応と合わせて検討するか、当面は1.1デバイスとして使うという割り切りが必要である。
なお、ストレージ系以外のデバイスとHubに関しては、まだ2.0対応の製品が店頭に並んでいないためテストもできず、こちらも、互換性の検証云々以前の状況である。
【表：USB 2.0の相互接続】
| ホスト | デバイス | ||
|---|---|---|---|
| メルコHDD | アイ・オーHDD | その他 | |
| メルコ | ◎ | ○ | ○ |
| アイ・オー | ○ | ◎ | ○ |
□In-System Design
http://www.in-system.com/
●USBのパフォーマンスを検証する
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| 各種I/Fの転送速度 |
HDDをはじめとする、まとまったデータを不定期に送るデバイスは、USBのバルク転送という転送モードを用いる。バルク転送は、帯域保証のない優先順位の低い転送モードだが、バスが空いてさえいれば帯域をフルに利用することができる。理想的な状態のパフォーマンスをもう少し正確に算出してみよう。
・12Mbpsの実力
FSは、フレームと呼ばれる1ミリ秒のタイミングの繰り返しの中で、ホストが各デバイスに転送のチャンスを与えていく。1フレームは僅か1,500Byte分しかなく、これを各デバイスに割り当てていかなければならないため、1回の転送量がかなり制限されている。バルク転送の場合は、最大64Byteなので、バスを全て占有できると仮定すると、1,500÷64≒23回転送できることになる。しかし、実際のデータにはパケット化のための余分なデータが13Byte付くため、1,500÷(64+13)≒19回というのが、FSのバルク転送における1フレームあたりの上限となる。
この理想値が永遠に続いたとしても、これまでのUSBでは、毎秒1,216,000Byte(9,728,000bps)が精一杯だったのだ。これは、8倍速のCD-Rの書き込みには追従できないスピードであり、8倍速を謳っているUSBドライブの場合には、BURN-ProofやJustLink等のバッファアンダーラン防止機能が必須となる。6倍速なら、計算上は可能だが現実には危ないところなので、バッファアンダーラン防止機能なしで安定した書き込みができるのは、4倍速までと考えるのが妥当だろう。これまでは、そういうレベルのインターフェイスにHDDまで接続していたわけだ。
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| USB 1.1の転送速度 |
一応、FSモードでのHDDのパフォーマンスを測定したので、グラフにしておく。テストには、Ziff Davis Mediaの「WinBench 99 ver 1.2」を使用。グラフは、オンボードのUSBポートに、メルコのHDDを接続した結果である。このテストは、ディスクの盤面全体の転送速度を見るためのものだが、FSだとあまりに遅いので(40GBで11時間くらいかかるだろう)、ディスクの先頭に小さなパーティションを作成して計測している。オーバーオールの転送レートは1,013KB/sec。これが、FSの実測値である。
□WinBench(Ziff Davis Media)
http://www.winbench.com/
・USB 1.1の10倍以上、これが480Mbpsの実力……か!?
HSでは、1フレームをさらに8分の1に区切った、125μ秒のマイクロフレームという単位でスケジュールが組まれる。転送速度が大幅にアップしているため、1マイクロフレームあたりのデータ量は7,500Byte。HSのバルク転送では、1回のトランザクションで最大512Byteまで送ることができる。パケットのオーバーヘッドが55Byteあるので、1マイクロフレームの上限は、7,500÷(512+55)≒13回。最大53,248,000Byte/sec(425,984,000bps)が期待できる計算になる。
実測結果はグラフのとおり。なお、メルコのホストドライバがWindows 98 SE用しかないため、メルコのみWindows 98 SEを使用している。オーバーオールの転送速度は、メルコの組み合わせが10,719KB/secで、アイ・オーの組み合わせが18,499KB/secとなったが、この差がホストに起因するのかドライブに起因するのかは、入れ換えた状態でHSが動作しないため追求できない。しかし、いずれにしても、FSの10倍以上のスピードが実現されていることがわかる。問題は、何故たったの10倍止まりなのか……という点だ。
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| HSの転送速度(メルコ) | HSの転送速度(アイ・オー) |
先に述べた通り、HSは、普及価格帯のHDDがそのパフォーマンスを如何なく発揮できる帯域を持っているはずだ。伝送系が充分高速であれば、このテストのスループットは、主にディスク面－ヘッド間の転送速度に支配される。メルコのドライブは、Seagateの「ST340823A」、アイ・オーのドライブは、Western Digitalの「WD600AB」で、ともに5,400rpmのエコノミーなドライブである。ST340823Aは、2プラッタ40GB、キャッシュ512KBで、ディスク－ヘッド間の転送速度は最大376Mbps(47MB/sec～フォーマット後の実データレベルではもっと落ちる)。WD600ABは、2プラッタ60GB、2MB、最大424Mbps(53MB/sec)という仕様なので、40倍のHSパワーをいかんなく発揮できるのではないか(特にWD600AB)と期待していた。
ところが意に反し、予想をかなり下回るところで、FSと同様の横這い状態が続いている(妙なカーブについては不明)。現在のHDDは、ZBR(Zone Bit Recording)が採用されており、ディスクの外側にいくに従ってセクタ数が段階的に増えていく。ディスクの回転数は一定なので、先頭のセクタ側である外周で最高速を示し、内周にいくに従って転送速度が落ちていく。伝送系が充分高速であれば、この様子がグラフに描かれるはずなのだが、この結果では、伝送系にHDDのスピードにブレーキをかけている何らかのボトルネックがあるということになる。
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| 転送速度の比較 |
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| HS vs IEEE 1394(アイ・オー) |
アイ・オーのドライブは、ブリッジチップが入ったケーブルを変えると、IEEE 1394ドライブとして利用できるようになるので、ついでにこれも測定してみた。結果は同様に、予想されるドライブ本来の性能は発揮されず、転送速度は、下方に並行移動している。USB 2.0やIEEE 1394をネイティブにサポートするドライブは、今のところコスト的に難しく、ATAドライブの流用は避けられない。それだけに、もしブリッジチップがボトルネックになっているのであれば、早急に改善してもらいたいところだ。
●まとめに代えて
USB 2.0のパフォーマンスを検証するはずだったのだが、残念ながら今の段階では、充分な結果を得ることができなかった。もちろん現状でも、USB 1.1のFSとは一桁違うスピードであり、CD-R/RWの高速書き込み、コマ落ちのないDVD再生、高画質のTVキャプチャといった明るい未来が期待できる。コスト的に折り合いの付くバックアップメディアがなくなってしまい困っていた筆者の場合、ATAドライブがリムーバブルメディアのように使えるという点にもたいへん興味がある(Windows 2000からは、付属のNT Backupがテープドライブ以外にも対応した)。
ならば即買いかとなると、タイミング的に非常に微妙なところで、OSの対応までもう少し待っちゃおうかな……というのが正直なところ。現時点では、使用上の制約と、普及段階に入る前の製品であるという点がやはりネックである。前者は、HSが動く組み合わせで購入するか、当面はOHCIで使うつもりならマル(汎用インターフェイスとして考えると大きなマイナスではあるが、何カ月か後にはEHCIもまともな環境になっているだろう)。後者は、まだちょっと高くて製品バリエーションも選択肢も少ないというのが許容できればマル。両方マルで今すぐUSB系のデバイスが必要な方は、検討する価値は充分ある。
ついでに、USB関連の新しい規格にも触れておこう。USB 2.0のリリースとともに、提案されていた「Mini-Bコネクタ」が規格に盛り込まれた。これは、デバイス側に取り付ける小型のコネクタで、Aコネクタの縦横を約半分にシュリンクした、たいへんコンパクトな形状になっている。これまで、デジカメなどの携帯機器では、各社各様のコネクタが使われており専用のUSBケーブルが必要だったが、これを機に統一の方向に向かえば、ユーザーとしては使い勝手が一段と向上する。
もう1つ、筆者が常々気になっている給電の問題で、こちらは「PlusPower」という拡張規格が以前検討されていた。バスパワードデバイスがサポートできるUSBではあるが、小電力デバイスしか考えられていなかったため、5Vの給電ラインは、ローパワーデバイスで100mA、ハイパワーデバイスで500mAまでしか許容されていない。駆動系のない製品は良いが、ディスクドライブはほぼ全滅で、ACアダプタという邪魔な奴が常に付きまとうことになる。さすがに、USB専用で電源スイッチまでON/OFFさせる製品は少ないが(i・CONNECT仕様にするためには仕方のないことだがアイ・オーのドライブはこのタイプ)、これも鬱陶しいことこの上ない。「PlusPower」は、コネクタを拡張して、12Vまたは24Vの給電ラインを増設するもので、現行のAコネクタを挿せばこれまで通り。PlusPowerコネクタを使用した場合には、増設された給電ラインから最大3Aの給電を受けられるようになる。これなら、ドライブ類もバスからの給電でまかなえるようになり、ACアダプタから開放されると思ったのだが、こちらはその後とんと音沙汰がなく、どうなってしまったのか気にかかるところだ。
□関連記事
【5月21日】アイ・オー、USB 2.0対応インターフェイスなど
～USB 2.0 Hi-Speedロゴも認証取得
http://pc.watch.impress.co.jp/docs/article/20010521/iodata.htm
【5月17日】メルコ、世界初「Hi-SPEED USB」ロゴ取得のUSB 2.0対応機器
http://pc.watch.impress.co.jp/docs/article/20010517/melco.htm
【3月28日】アーベル、日本初のUSB 2.0インターフェイスカード
http://pc.watch.impress.co.jp/docs/article/20010328/arvel.htm
(2001年7月12日)
[Reported by 鈴木直美]