レビュー
ASUSのプロトタイプで10Gbps対応になったUSB 3.1を試す
（2015/3/6 06:00）
USB 3.0の技術開発と普及活動を行なう業界団体「USB 3.0 Promoter Group」は2014年、転送速度を10Gbpsに向上させたUSB 3.1規格を発表した。規格発表から約1年が経過し、ようやくASRockやASUSなどから搭載製品が発表された格好だ。
今回、ASUSからUSB 3.1製品のプロトタイプをお借りできたので、実際のベンチマークを交えながら紹介しよう。
USB 3.0も策定から6年が経過
USB 2.0は2001年に策定された規格だった。USB 3.0が登場するまでUSBの速度向上は図られなかった間、内蔵ストレージのインターフェイスはUltraATAからSATA 1.5Gbps、SATA 3Gbps、そしてSATA 6Gbpsへ。バスもPCIからPCI Express、同2.0、そして3.0へと大幅に進化。いつの間にかUSB 2.0だけが転送速度のボトルネックとなり、時代にそぐわないインターフェイスになってしまった。そこで2009年に登場したUSB 3.0は、USB 2.0から一気に10倍以上の速度向上を目指し、周辺機器のニーズを満たすようにした。
月日が経つのは速いもので、そのUSB 3.0からもう既に6年が経過している。この間、これまでの外付けストレージの主流であったHDDこそそれほど速度向上はしなかったが、半導体を使用したSSD技術は日進月歩し、今やNVM ExpressやSATA Express規格の登場で、転送速度は5Gbps転送対応のUSB 3.0はもとより、6Gbps対応のSATAすら越えようとしている。
もちろん、SSDは容量あたりの単価がHDDと比較して高いため、SSDが外付けの大容量ストレージとしてHDDのシェア超えるのはもう少し先になると思われるのだが、USB 2.0の二の舞いにならないよう、反省を活かして、時代の流れに沿ってインターフェイスを高速化したのが、USB 3.1だと言えるだろう。
一般ユースで10Gbps転送が必要となるのはもう少し先だと思われるが、これから普及が見込まれる4Kコンテンツや、高画素数のデジタルカメラの写真転送などを見越して、インターフェイスがボトルネックとならないよう設計しなければならない段階にあると言える。USB 3.0も策定から6年が経過しており、先を見越した規格だと言えるだろう。
物理層を改良し性能ロスを大幅に削減
USB 3.1とUSB 3.0の大幅な違いは物理層にある。USB 3.0の「Gen 1」物理層では、8bitのデータを10bitのシンボルに変換して転送する。信号のデータレートは5Gbpsであったのだが、転送される実データはその8割という計算なので、実質4Gbps=500MB/secという速度であった。
これに対しUSB 3.1の「Gen 2」物理層では、128bitのデータに4bitのコントロール情報を付加してブロックとして転送する。つまり128bitのデータに対し132bit分転送するので、実データは97%含まれるようになり、実効速度が大幅に向上した。信号データレートは10Gbpsに高められているため、実質約9.7Gbps=1.21GB/secという転送速度を実現する。
つまりUSB 3.1は単純にデータ転送速度を2倍に高めて、USB 3.0の倍の速度を実現しただけでなく、データの転送効率改善によって、2倍以上の速度向上を実現した規格である。
USB 3.1のコミュニケーション層の構造はUSB 3.0に似ており、USB 3.0のソフトウェアスタックやデバイスプロトコルと互換性があるが、物理層にLFPSベースのメッセージング機能を追加し、リンク層のエラー訂正機能を強化。また、プロトコル層に新しいトランザクションパケットとトラフィックタイプクラスを追加した。
つまり、USB 3.1は一見USB 3.0を単純に拡張したように見えるのだが、ハードウェアとしては完全に別物であり、互換性のないデバイスとなっていることが分かる。ただし、当然USBと名乗る以上は、ホスト側としてもゲスト側としても、従来のUSB 3.0やUSB 2.0以前の製品と互換性を維持しなければならない。これは各々がUSB 3.0以前と互換性を維持するための機能を内包することで対応する。
加えて、USB 3.1では新たに「Type-C」と呼ばれる、リバーシブル対応のコネクタが策定されたのも特徴だ。USBのType-Aコネクタは、フレームが上下対称形となっているため、中の端子を覗いて確認しないと、どちらが上か下か分かりにくく挿しにくいという問題を長年抱えていたのだが、これがようやく解消されることになる。
加えてType-Cでは最大100Wまで電源を供給可能とされており、スマートフォンやノートPCへの高速充電や、3.5インチHDDなどこれまで線1本で駆動できなかったデバイスの問題解消にも期待がかかる。
ASUSは既存製品にUSB 3.1カードをバンドルで対応
さて、今回ASUSからお借りしたUSB 3.1の評価キットだが、Intel X99チップセットを搭載した最上位マザーボード「Rampage V Extreme」に加え、USB 3.1拡張カード、そしてUSB 3.1対応の外付けSSDの3点。このマザーボードと拡張カードのセットは、日本でも販売予定がされている。
今回お借りした拡張カードは、USB 3.1のType-Aコネクタが2個付いたタイプだが、これとは別にType-Cコネクタが1個付いたタイプもラインナップしている。ちなみに、同社が2月24日(台湾時間)に発表されたUSB 3.1対応製品の中には、USB 3.1がオンボードとなっている製品もあるのだが、現時点では日本国内での投入予定はない。
なお、ASRockもUSB 3.1のType-Cコネクタをオンボードで搭載したマザーボード「X99 Extreme6/3.1」や、拡張カードをバンドルした「Z97 Extreme6/3.1」を発表している。
まずは拡張カードについて見ていこう。まず目につくのは、PCとの接続インターフェイスがPCI Express x2(2.0)となっている点。先述の通りUSB 3.1のデータ転送速度は10Gbpsとなっているのだが、USB 3.0の拡張カードの多くで採用されているPCI Express x1(2.0)だとそもそも500MB/sec止まりとなり、性能を発揮できず、x2への対応は必至である。ただし、これでも2ポート同時利用となると帯域が不足する。
続いて気になったのは、USB 3.0カードの多くに実装されていた外部電源コネクタが省かれていることだ。一般的にPCI Express x1スロットが供給できる電力は10W(High Powerモードでは25W提供可能)とされており、USB 3.0規格で策定されている900mAが2ポートという計算だと、カード本体の消費電力を入れるとギリギリである(カード単体の消費電力を1Wに抑える必要が出てくる)。
しかし、USB 3.1ではそもそもPCI Express x2接続となり、PCI Express x1に刺さらなくなった。x2スロットは一般的に用意されていないことから、必然的にx4/x8またはx16スロットに挿すことになる。すると規格上最低でも25W供給されるので、省くことができた、ということだろう。
カードに搭載されているコントローラは、ASMedia製の「ASM1142」であった。ASMediaはUSB 3.1規格発表からまもなく、世界で初めてUSB 3.1物理層のデモを行なっていた。既に1年以上も経っており、製品化がもっとも早かったと考えられる。コネクタはType-Aだが、USB 3.0の青から水色に変わっており、これで見分けられるものだと思われる。
一方でデバイスの方だが、こちらは完全にプロトタイプである。というのも、現時点ではUSB 3.1にネイティブ対応した外付けのストレージは存在しないからである。「USB 3.1 Enclosure」と書かれたLian Li製のケースに、ASUSが開発した独自基板を内蔵している。
その独自基板には、「ASM1352R」と呼ばれるコントローラとmSATAスロットが2個あり、Samsung製の250GBの「SSD 840 EVO mSATA」が2個装着された状態であった。ASM1352Rは2基の6Gbps対応mSATAをRAID 0で制御し、USB 3.1に変換するコントローラである。840 EVO mSATAの転送速度は、USB 3.0の500MB/secは超えるものの、USB 3.1の1.21GB/secには満たない。ASUSはUSB 3.1の技術デモとして、RAID 0で速度を向上させられるASM1352Rを用意してくれたわけだ。
なお、USB 3.1のコネクタはリバーシブルなType-Cとなっている。先述の通りType-Cは100Wの電源供給が可能だが、カード側が一般的なType-Aで900mAまでしか提供できず、また、今回のデバイスはSSDを2基搭載していることから、バスパワー駆動は無理のようである。そのため、Micro USB接続のUSBアダプタが添付されている。
500MB/secはラクラク突破。概ねUSB 3.0より70%高速
それでは実際のベンチマーク結果を見て行きたい。評価には先述のASUS評価キットに加え、CPUにはCore i7-5930K(3.5GHz)、メモリ16GB(4GB×4)、GeForce GTX 630ビデオカード、OSにWindows 8.1 Update(64bit)を用意した。
ベンチマークはお馴染みのCrystalDiskMark 3.0.3を採用。テストデータは1,000MBで統一し、3回計測している。パターンは、CPUのPCI Express x16スロット、PCHのPCI Express x4スロットの2つ。比較用として、同じUSB 3.1デバイスをUSB 3.0に接続して計測したデータも載せておく。
結果を見ると、当然CPUのPCI Express直結の速度がもっとも高速で、シーケンシャルリード663.1MB/sec、同ライト679.1MB/secを記録。USB 3.0の結果と比較すると雲泥の差だ。PCHのPCI Expressだとシーケンシャルリードこそあまり変わらないが、同ライトが623MB/secに低下した。
それ以上に注目すべきなのは4Kランダムライトの結果で、CPU直結だと82.25MB/sec出るのに対し、PCH経由だと26.56MB/secへと約68%も性能低下している。もっとも、いずれもまだ製品版では上、この外付けストレージもこのまま製品化されるわけではないので、ユーザーの手元に届いた時に同じ結果になるとは限らないが、CPU直結のPCI Expressに接続した方が性能が出るのは間違いない。
ASUSでは独自のUSB 3.1 Boostユーティリティも用意しており、Bulk-Only Transferを最適化することで、UASP(USB Attached SCSI Protocol)ほどではないものの、速度向上させられる仕組みを用意している。これを適用したところ、CPUのPCI Express直結時でシーケンシャルリード723MB/sec、同ライト727.1MB/secを達成できた。
蛇足だが、USB 3.1の普及期には出るであろうWindows 10のTechnical Previewでもテストを実施したので、結果を添付しておく。これを見る限りWindows 8.1とさほど速度差がないことが分かる。
いずれにしても、USB 3.0効率を改善したという謳い文句ほどインパクトがある数字だと言えないのも確かである。840 EVOなどがボトルネックとなっている可能性もあり、この辺りは今後出てくるデバイスに期待したいところである。
本格普及はやはりチップセットに内蔵してからか
ストレージのみでの評価となったが、USB 3.1は概ねUSB 3.0を上回る性能を見せており、高性能を必要とするユーザーにとって有望なインターフェイスになるのは間違いないだろう。特に、同じ転送速度のThunderboltに対しホスト/ゲストともに安価に提供できそうなのは特徴だと言える。
ベンチマークでは、インパクトがある数字を叩き出せていないのだが、思えばUSB 3.0登場時も、Intelチップセット側のPCI Expressは1.0であり、外付けストレージも130MB/sec程度のもので、性能を活かしきれなかった。これらはUSB 3.1に関しても同様、今後製品化に向けた改良、そしてチップセットへの内蔵化、デバイスのネイティブ対応化で、次第に解消されていくものと思われる。
加えて、USB 3.1のType-Cコネクタには、「USB AV」と呼ばれる4Kビデオを転送する規格や、DisplayPortを使えるようにする拡張仕様などの付加価値も与えられており、今後大幅に利便性が高まることが期待される。USB 3.0と比較すると、まさに次世代インターフェイスに相応しい進化を遂げたと言えるだろう。