速度的追求永無止盡Thunderbolt頻寬實測

 

我們簡單介紹了何謂Thunderbolt?這篇我們再詳細一點,從架構圖看起。接著我們實際測試數據,現有10Gb/s的頻寬,到底可以「ㄍㄧㄥ」多高?

 

 

 

■ Thunderbolt的架構

雖然發佈當時,曾經謠傳Thunderbolt會包含更多的傳輸協議(protocol),成就Intel終極大一統的野心,不過最後出線的傳輸協議是PCI Express以及DisplayPort。採用現有傳輸協議的優點,可以減少開發難度以及設備門檻,對使用者端來說,也不需要第三方驅動程式,沿用固有設備驅動程式便可;而且雙傳輸協議讓Thunderbolt只需要一條纜線,便可以同時傳輸數據以及影音資料。

從架構圖上可以看出,Thunderbolt控制晶片的來源,是從PCH晶片當中拉出了四條PCI Express匯流排,以及DisplayPort作為傳輸通道(如果有的話,當然還有獨立顯示晶片的DisplayPort)。即使是最新的7系列晶片組,Intel也還沒有把這顆控制晶片整合在PCH當中,因此Thunderbolt目前還不是人人中獎,只有在最高規格的主機板才能看到Thunderbolt的身影,加上現有產品並不普及,可謂技術展示意義大於實際意義。

圖 / Thunderbolt架構圖

 

 

 

Thunderbolt的技術架構可以分為四個層級,包含最底層的接口及線材(Connector and cable)、電纜或光纖傳輸層(Electrical/Optical layer)、通用傳輸層(Common transport layer),一直到最高層的傳輸協議層(PCI Express、DisplayPort),加上Thunderbolt控制晶片。

流程是這樣的,當控制器收到來自PCI Express以及DisplayPort雙方的傳輸協議訊號之後,會有一顆協議適配器(protocol adapter),將資料封裝並且映射(mapped)至通用交換層的數據封包當中;而合二為一的數據接著透過電纜或是光纖傳輸層進行傳送。因此主機端只要連結單一傳輸線材,接收到資料封包後,便開始交換數據。最後控制器再分別依PCI Express協議區分為數據資料,或是依DisplayPort協議區分成影音資料,完成整個傳輸流程。

另外,Thunderbolt是基於全雙工連結的交換式架構,無論資料上行(up stream)或是下行(down stream),Thunderbolt保證了雙向各自擁有獨立、不互相共享的10Gb/s頻寬。而且Thunderbolt擁有低度延遲與高度精確的時間同步(即使橫跨了七個裝置,延遲也只有7ns),因此在使用設備時,不會因為資料傳輸的進行,或是串接了大量資料,而增加使用者操作上的頓挫感;譬如當你在看電影的時候,你就不會希望發生影像、聲音、字幕各自不同步的慘劇。

 

圖 / Thunderbolt的四層傳輸協議

 

 

 

圖 / 透過控制器,只需要一條電纜便能夠傳送兩種傳輸協議。

 

 

 

■ 菊花鏈架構

Thunderbolt目的之一,是整過整合減少線材。但是除了整合資料以及影音以外,還有另外一項相當重要的優勢。Thunderbolt擁有USB 3.0所沒有(不過IEEE 1394曾出現過)的菊花鏈拓墣架構(daisy chain topology),也就是每一個Thunderbolt連接埠,可以一個接一個的向下串接延伸(同時加倍線長),最多串接起7個裝置(其中1或2是螢幕,端看CPU是否支援內顯,而且只能接在裝置鏈的最後端)。不需要額外HUB,每一個菊花鏈上的裝置都是一個HUB,便可以達到擴充的效果。這也是為什麼在現有Thunderbolt裝置上,會看到兩個Thunderbolt連接埠的原因,而且雙向傳輸的特性,使得Thunderbolt連接埠不需要區分In或Out,串接起來便可使用。

圖 / 之所以在裝置上會看到兩個Thunderbolt連接埠,而且沒有分In&Out,

便是因為利於菊花鏈裝置的建構。

 

 

 

由於採用PCI Express傳輸協議的關係,因此除了Thunderbolt裝置以外,其他原生PCI Express裝置,譬如eSATA、Firewire,只要透過轉接頭,同樣可以成為菊花鏈的一部分,達成現有裝置的完美相容性。

除此之外,Thunderbolt還支援其他拓墣架構,包括星狀(star)以及樹狀(tree)拓墣,使得未來相關應用的靈活性大幅增加,設計上能夠沿生更多不同的連接方式。

 

 

■ 連接埠以mini DisplayPort為主

Thunderbolt並沒有訂出連接埠的規範,不過為了利於推廣,目前以免授權金的mini DisplayPort作為公認的連接埠。而且mini DisplayPort相當小巧靈活的特性,應用在薄型化設備,譬如Intel Ultrabook、平板、手機之上更是相當適合。若未來有更合適的連接埠,為了達成更彈性的應用,Thunderbolt會出現其他形式的連接埠也別感到意外。

圖 / 相當小巧的Mini DisplayPort可以應用在輕薄的MacBoook Air或是Ultrabook當中,

這也是為什麼Thunderbolt選擇Mini DisplayPort的一大原因之一。

 

 

 

而連接線材目前以銅纜線作為主要材料,銅纜線提供的10W供電能力(USB 3.0只有900mAh),以及柔軟的線身,在家用範圍還是比主打長距離不衰減、不受電磁干擾,但是脆弱而且昂貴的光纖來得實用許多。當然,這不代表銅纜線可以任意彎折,收納上還是以避免大幅度的形變為上。

 

 

■ 傳輸效能實測

就目前而言,即使是使用銅纜線的Thunderbolt,依然擁有外接介面最大的頻寬──10Gb/s。這邊讓我們先換算成MB/s比較好理解,由於採用的PCI Express匯流排是PCI-E 2.0標準,因此依然是8b/10b的編碼方式。那麼10Gb/s的頻寬,便是10000MHz(發送頻率)×每次發送一個數據×80%(8b/10b的編碼)/ 8 bits per byte,最後得到1000MB/s的理論頻寬數據,比USB 3.0要快上兩倍之多。

我們以Promise推出的Thunderbolt外接盒進行測試。為了得到最大傳輸數據,採用三顆OCZ VERTEX 3 120GB,建構RAID 0作業環境;以單顆500MB/s的速度來看,三顆架RAID 0是足以逼出最高極限的了。測試用主機板為ASUS P8Z77-V Premium,屬於第一波面世,擁有Thunderbolt連接埠的主機板。

對照組還有WD所推出的Thunderbolt外接硬碟,內建WD綠標3TB硬碟,架設RAID 1。算是「相對」平價,入手難度不高的測試設備。除此之外,目前市面上對應Thunderbolt推出的裝置並不多,讓我們靜待「雷電」慢慢發展與茁壯吧。
 

 

電腦DIY測試平台

處理器

Intel Core i7-3570K @3.4GHz

主機板

ASUS P8Z77-V PREMIUM

記憶體

Samsung DDR3-1600 4GB

硬碟

OCZ VERTEX3 128GB

測試裝置

Promise Pegasus R4(VERTEX3 120GB×3,RAID 0),

WD My Book Thunderbolt Duo(WD 3TB綠標,RAID 1)

電源供應器

CORSAIR HX1050W 80PLUS銀牌

作業系統

Windows 7 Ultimate SP1 64-bit

 

 

 

 

圖 / 撐破極速組為ASUS P8Z77-V P8Z77-V Premium,搭配Promise Pegasus R4,

三顆OCZ VERTEX 3 120GB,建構RAID 0。

 

 

 

圖 / 平價組為WD My Book Thunderbolt Duo,內建WD綠標3TB,建構RAID 1。

 

 

 

 

 

 

■ Thunderbolt真的很快!

從測試成績看來,Thunderbolt的頻寬表現非常優異,即使經過了一顆Thunderbolt控制晶片,還能擁有941MB/s的最高讀取速度,幾乎是完全發揮了1000MB/s的理論頻寬。以一部4.2GB的DVD影片來看,不需要五秒便可以傳輸完畢。即使是高達50GB的藍光高畫質電影,也只需要一分鐘的時間。不過,會用SSD架設RAID作為外接儲存裝置的使用者還是少數,換以平價的WD My Book Thunderbolt Duo來看。雖然傳輸速度不若前者,不過資料可靠度遠遠大勝,而且可以利用菊花鏈層層串接起來,Thunderbolt作為外接儲存裝置的介面是相當理想的。

同時以方便性(更高的供電、不需要驅動程式)、架構(同時串連多項設備與螢幕)以及速度(兩倍於USB 3.0)三者來看,Thunderbolt的確相當具有挑戰USB 3.0的實力,一切就等待裝置的普及與控制晶片的降價了(目前除了Intel以外,還有德州儀器推出控制,今年有望大幅降價)。

 

圖 / 這顆是P8Z77-V Premium目前所用的控制晶片,Intel Z208T004A。

 

 

 

■ 速度只是一小部分

當然,本文能夠做的,也只是驗證Thunderbolt的頻寬而已。實際上,Thunderbolt能做的遠遠不只如此。譬如,菊花鏈架構,可以大幅擺脫線材的限制,一條(以整體來看,應該說是一串)Thunderbolt線材便可以串接最多七項裝置,對於減少桌下線材來說,是一未來趨勢。

而且筆者認為最大的應用,是既然Thunderbolt作為PCI-E介面的延伸,代表未來可以透過Thunderbolt的PCI-E外接盒,擴充更多的裝置,譬如音效卡、電視卡、網路卡,甚至是顯示卡(不過受限於頻寬,中高階卡無法得到發揮是肯定的)。擴充度與空間均不足的小型主機、筆電,馬上得到解放,而且再也不需要擔心散熱問題(或許要擔心不小心踢到它)。同樣是外接介面,Thunderbolt用途比Express Card要來得廣泛許多,使用上更是極富彈性,影音、資料龍馬ㄟ通!

總而言之,Thunderbolt提供了未來對於外接裝置完全不同的可能性,有別於USB 2.0進步到USB 3.0,純粹傳輸架構與速度的提升如此簡單而已。雖然目前才剛起步,現有裝置並不多,價錢也還相當不親民,不過這都是隨著時間會慢慢解決的。筆者自己相當看好Thunderbolt的潛力與發展,不知道讀者們怎麼看呢?

 

圖 / Magma有推出MAC使用的,價格將近一千美元的Thunderbolt PCI-E外接盒,理論上Windows也能用

,只可惜目前國內沒有管道,有機會再報導給大家。
 

 

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