今年 Computex 展覽期間,半生臉孔 Thunderbolt 是會場目光焦點之一,除了 Intel 搖旗吶喊之外,周邊裝置廠商也爭相展出產品。這項去年初就已經現身在蘋果電腦上的新介面,之所以能夠再次吸引鎂光燈,無非是今年結合 Ivy Bridge 平台與周邊裝置,正式宣告進入市場。

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閃電與雷霆之爭

最近可說是傳輸介面的異動年,新技術規範接連出籠。3年前SATA 6Gb/sUSB 3.0聯手登場,亦敵亦友的他們理論頻寬分別達6Gb/s與5Gb/s,一舉將電腦內、外接介面速度提升到新境界。稍後,雷聲作響一段時間的Thunderbolt,去年初率先在蘋果電腦上登場。

相較於SATAUSBIEEE 1394等介面,Thunderbolt換裝秀般的底層架構特性,應用彈性充滿無限想像。這讓AMD也忍不住的如法炮製,在今年初祭出Lightning Bolt,想和Intel雷霆閃電較勁一番。但是截至目前為止,官方釋出資訊仍然相當有限。

前身是Light Peak

無論如何,Thunderbolt之所以能夠重新吸引眾人目光,和Intel的藍圖脫離不了關係。這項技術原先稱為Light Peak,由Intel自行主導開發,後來又和蘋果攜手合作。架構小調整再加上蘋果提供的Display Port資源,便成了大家現在看到的Thunderbolt,蘋果也因此取得獨家採用的權利,得以獨領風騷將近2年。

雙方這段合作關係結束前,Intel也老早規畫好推廣藍圖,2012最新平台Ivy Bridge,就是進入市場的墊腳石。畢竟在個人電腦市場裡,Windows仍然占有相當高的比例,背後潛藏龐大商機,是新技術產品最好的試煉場。在這些利多催化下,就不難理解Thunderbolt何以再次成為焦點。

Thunderbolt vs Lightning Bolt

有別於Thunderbolt整合了PCI-EDisplay Port介面訊號,AMD喊出來的Lightning Bolt,選擇USB 3.0搭配Display Port組合。USB 3.0雖然有賣點,但是USB-IF正準備新增整合音效功能,難保哪天不會連影像訊號也通吃。Lightning Bolt會何去何從,就看AMD幾時要講清楚、說明白。

Thunderbolt 重要概念

先前曾在專題中介紹過Thunderbolt,它的架構遠比你想像來得簡單,似乎用一句話就能夠帶過。它到底是什麼?簡單來說就是將傳統內接的PCI-E匯流排,轉變成外接形式的應用。並且整合具備影音功能,原本就屬於外接形式的Display Port介面,將兩者合體以增加功能性。

內變外,應用不設限

零零總總的各式傳輸介面,可以簡單區分為內接與外接2種形式,以其重要性而言,又有系統與單一特定功能之別。PCI-E、PCI、ISA都屬於系統匯流排,是各類周邊裝置的溝通管道,像SATA、USB、音效等控制器,都得經由系統匯流排和系統核心連結。基於這樣的特性使然,以往只能以內接形式存在,也限制了應用彈性。

Thunderbolt帶來的創新,就是讓系統匯流排變成外接形式。利用PCI-E匯流排頻寬優勢,以往非得內接不可的裝置,例如顯示、磁碟陣列、影音截取壓等介面卡,也能轉移到主機外部使用。淺顯易見的好處,就是安裝或移除介面卡,不用大費周章地拆裝電腦。再者也能簡化訊號傳輸途徑,避免過多的訊號橋接和延遲,對傳輸效率造成影響。

頻寬大省時又省事

也因為Thunderbolt的特性,雖然被視為傳輸介面之一,但是它更像個新的應用觀念,或說是系統匯流排革命。好比影音剪輯用途,在USB 3.0問世之前的年代裡,大多會將影音原始檔案先傳輸進硬碟,利用硬碟的高速來縮短剪輯作業時間。完工後再將成品與原始檔,逐一傳輸到外接儲存裝置備份,如此反覆傳輸得耗費許多時間。

反觀使用Thunderbolt裝置,來源檔傳輸進電腦、線上剪輯作用,以及完檔備份儲存,甚至日後調出檔案再製,都不再需要繞道硬碟,可以直接在外接儲存裝置端一氣呵成。對,一切就是那樣省時又省事,而且標準PCI-E介面卡得以外接後,更多應用模式也是可以去想像與期待的點。

訊號封包重組與還原

也許你早已經熟透Thunderbolt架構面資訊,以下筆者就簡單的帶過,因為現階段更值得關注的是實務應用兩三事。參考架構圖來溫習一下,Thunderbolt控制器扮演著何種角色。當PCI-E或Display Port介面訊號輸入至控制器內,會先經由通用傳輸層(Common transport layer)處理資料封包,將其重組為Thunderbolt格式封包。

完成後再送進電纜/光纖傳輸層(Electrical/Optiical Layer),待最底層的連接器與線材(Connector and cable)準備好,也就是主機與裝置端順利連線時,就能進行實體資料傳輸作業。至於接收端的處理程序則是相反,將Thunderbolt封包還原成PCI-E與Display Port訊號,就能輸送至裝置的功能控制器。

▲Thunderbolt結合PCI-E與Display Port介面訊號,透過控制器重組與還原訊號封包,最終訊號還是原生PCI-E和Display Port規格。

▲Thunderbolt運作核心分成3個層面,進行介面訊號封包重組,送進傳輸層進行必要編碼轉化,最終經由實體線材傳輸訊號。

▲目前所有設計方案中,Thunderbolt控制器需要取用4條PCI-E通道,並且混入來自內顯得Display Port訊號,才能重組成為Thunderbolt訊號。

(後面還有:更多Thunderbolt重要觀念)

雙向傳輸速度不打折

Intel標榜的10Gb/s傳輸頻寬,基於全雙工傳輸模式,無論上行(up stream)或下行(down stream),都能享有各自獨立的10Gb/s通道頻寬。相較於被視為競爭對手的USB 3.0,雖然也採用全雙工傳輸,但是上、下行傳輸得共用5Gb/s頻寬。再加上可用頻寬差了一截,Thunderbolt無論用在配備固態硬碟的高階儲存裝置,或是多部儲存裝置高負載作業環境,實用性與效率都會比USB 3.0理想。

進一步比較兩者,Thunderbolt現行銅纜線方案具有10W供電能力,同樣是高於USB 3.0可提供的4.5W。

以往USB 2.0供電能力只有2.5W,可驅動單顆2.5吋5400RPM,換用USB 3.0理論上可以負荷2顆,至於Thunderbolt則是相當於可以驅動將近4顆硬碟。充裕供電量,能夠降低裝置端對於外接電源的依賴性,進而縮小實體產品體積與重量。

線材昂貴成為絆腳石

另外是菊花鍊拓譜架構(daisy chain topology),連接方式和IEEE 1394相同,裝置端能配備2個不分上、下行的連接埠,而主機端就只需要1個。在這串接模式下,最多可以連接多達7個裝置,唯獨標準型Display Port螢幕不像Thunderbolt有2個連接埠,因此必須排在裝置鍊最後面。反觀USB 3.0每個裝置都是獨立連接,主機端得配備較多連接埠,線材整理也不是那麼便利。

不過線材價格是Thunderbolt目前的第二個罩門,以目前少數能買到之一的蘋果產品而言,2.2公尺實售價高達1,550元,同長度USB 3.0線材卻不用400元。今年Computex展覽上,Intel表示將推動平價解決方案,但究竟能夠壓到多低,似乎要等到明年才有答案。顯然線材接頭內密密麻麻的晶片,以及相關零組件該如何壓低價格,並且提高線材製作良率,是眼前當務之急。

控制器價格左右未來

至於控制器簡單來說,可用於主控或裝置端,目前已經推出兩個世代產品。Intel表示前後代產品的效能表現一致,改變的是半導體進化,封裝尺寸得以再縮小。

此外,第二代新增單連接埠晶片產品(裝置端專用),尺寸比雙埠版本再小一些。控制器是價格居高不下的主要關鍵,據知要價高達30美元(折合新台幣約900元),幾乎和主機板晶片組一樣貴。

▲由左至右,第一代控制器代號Light Ridge很像主機板晶片組,中間的第二代Cactus Ridge控制器,雖然也是主控與裝置端兩用,尺寸大幅縮小了不少。至於最右邊代號Port Ridge控制器,則是裝置端專用、單連接埠設計。

光看數字可能無感,這麼說好了,假使拿來製作成介面卡,廠商預估售價至少要2,000元以上。對比USB 3.0剛出來的時候,也不過1,000元左右,現在更只要400元就能買到。看來Intel還得想辦法壓低生產成本、降低核心零組件組價格,才有利於加速普及。

軟體追不上推廣步伐

那麼在實務使用上,會有什麼疑難雜症呢?首先,Thunderbolt控制器本身並不需要驅動程式,因此能夠相容於所有作業系統。少了驅動程式這層變數,等於少了個瓶頸點,理論上對傳輸效能很有幫助。裝置的後端晶片,例如SATA磁碟控制器、音效晶片等,使用上和一般介面卡完全相同,得安裝相對應的驅動程式才能正常運作。

不過看似簡單的這點,卻也是目前實際應用中最大的罩門。追根究底起來,是由於Intel和蘋果那段合作關係,早先裝置產品都是以相容Mac OS來設計。現在移師到PC環境,廠商還得加緊趕製Windows版驅動程式與應用軟體,才能讓裝置發揮完整功能與速度。

▲對作業系統來說,Thunderbolt等於PCI-E匯流排的一環,所以在裝置管理員裡面看不到控制器。但是裝置上採用的功能控制器,如SATA介面磁碟陣列之類,必須像一般介面卡那樣安裝驅動程式,才能順利被系統識別。

▲外接儲存裝置產品在Windows環境下,如果無法進行內建的磁碟陣列功能設定,裝置內的硬碟會全數變成單一獨立。

▲Thunderbolt也具備熱插拔能力,可以利用Windows外接裝置管理員,將裝置退出離線。相對的,開機後才連結的裝置,系統也會自動偵測啟用。

少了軟體功能打對折

以台灣目前能買到的Promise Pegasus、My Book Thunderbolt Duo,這些標示相容Mac OS的外接儲存裝置為例。原始設計具備RAID功能,也提供Mac OS版本設定控制軟體,使用上自然沒有問題。但是拿到Windows環境,欠缺驅動程式的結果是前者無法驅動使用(測試版本階段),後者由於磁碟控制器算是通俗,所以Windows 7判定為標準AHCI磁碟控制器,自動予以驅動。

另一方面,由於無法設定磁碟陣列功能,成功驅動之後只能得到半套功能。在Windows 7環境下就像使用支援Port Multiplier的eSATA裝置,所有硬碟變成獨立狀態,失去原本硬體設計該有的磁碟陣列功能。當然這並不是絕對,如果廠商在硬體上提供實體切換開關,自然就不會有這些疑難雜症。

(後面還有:10Gb/s大寬頻實測)

10Gb/s大頻寬完全體驗

去年介紹Thunderbolt的時候,受限於只有Mac OS環境的軟硬體,因此沒能以大家熟悉的模式進行體驗。雖然如此,當時簡易測試得到結果,還是讓人相當驚喜。現在終於等到它登陸PC,接著就來看筆者怎麼惡搞把玩吧!

固態硬碟大軍伺候

這次測試採用Asus P8Z77-V PREMIUM主機板,另外搭配Promise Pegasus R4磁碟陣列,以及LaCie Little Big Disk這2款外接儲存裝置進行。前者為4bay設計機種,取得空機並且自行加裝固態硬碟,後者則是出廠預設2顆120GB容量的Intel SSD 320固態硬碟。

為挑戰Thunderbolt極限,另外借來6顆Memoright FTM Plus冠軍碟固態硬碟,以確保不會產生速度瓶頸,其中3顆安裝於測試平台,另外3顆裝設在Promise Pegasus R4。其中由於Z77晶片組只有2組SATA 6Gb/s連接埠,所以主機板的第3顆固態硬碟,是連接在Marvell磁碟控制器上。

處理器 Intel Core i5-2500
主機板
Asus P8Z77-V PREMIUM
記憶體
Kingston HyperX DDR3-1600 2GB x 2
硬碟

OCZ Agility 3 240GB(系統碟)
Memoright FTM Plus 120GB x 6

Thunderbolt裝置

Promise Pegasus R4
LaCie Little Big Disk

電源供應器
OCZ OCZ-ZS750W-EU/UK
作業系統
Windows 7 Ultimate x64

單槍匹馬比速度

一開始先檢視基本盤效能,也就是單顆固態硬碟的表現,以做為對照組數據。ATTO Disk Benchmark循序測試部分,不意外的是Z77晶片組原生控制器跑最快,Marvell 88SE9230則是緊追在後。當移駕到Promise Pegasus R4上面,讀取仍然可以達到500MB/s,但寫入大幅降低40%,只剩下300MB/s左右。至於無法拆換硬碟的LaCie Little Big Disk,出廠預載固態硬碟有讀240MB/s、寫130MB/s左右的速度。

CrystalDiskMark部分只刊出預設隨機亂數模式的數據,因為這和後續資料傳輸實測結果比較能夠接軌。這階段Promise Pegasus R4寫入速度和Z77相近,反觀Marvell 88SE9230倒退嚕的不到140MB/s,稍微落後約莫40%。加以分析沒有登載出來的循序模式數據,結果顯示Promise Pegasus R4寫入速度確實是慢了點。

單碟基本效能測試:目前最能夠發揮SATA 6Gb/s介面實力的,還是晶片組原生內建控制器。

10GB/s挑戰成功達陣

再來利用Windows 7動態磁碟功能,為測試平台與2款外接儲存裝置,組建相當於RAID 0的等量磁碟模式。這時候Z77繳出1.2GB/s循序存取速度,未刊載的8192KB單位測試數據顯示,最高速度達讀1559.9MB/s、寫1303.0MB/s。至於隨機存取則是有讀1046MB/s、寫469.4MB/s表現,在後續的裝置測試階段裡,速度應該是足以和Thunderbolt理論頻寬匹配。

那麼Thunderbolt到底有多快?Promise Pegasus R4帶來930.2MB/s讀取速度表現,其實測試搞了老半天,為的就是求得這結果。途中做了點小惡搞測試,讓2個裝置同時間進行一樣的測試,取數值較高的傳輸速度來看,總和值達897.9~1032.4MB/s之譜。這也許不是很精準的數據,但如同先前對USB 3.0的測試一樣,就是要撐爆頻寬極限。

無論如何,Thunderbolt標榜的10Gb/s頻寬,換算下來是1000MB/s,基於種種變數當然很難實測到那數字。因此超過900MB/s已經代表有9成多的達成率,算是圓滿的結果了!

裝置串接測試:訊號延遲影響難以觀察

打完收工?別急,下方圖表還包含了串接測試結果,以觀察訊號延遲對速度的影響。由於這裝置驅動程式層面因素,目前只能先接LaCie Little Big Disk再串Promise Pegasus R4,數據顯示Promise Pegasus R4在串接模式下是有稍微慢一些,LaCie Little Big Disk則是不減反增。

仔細比較數據可以發現,差距最多就3%左右而已,用正常測試誤差來解釋應該不為過。從結果論來說,訊號延遲對速度的影響,很可能是微乎其微。這也相對代表,一般測試手法與軟體,不見得是驗證訊號延遲的合適方式。筆者認為大概要科學一點,使用儀器量測才能得到正確結果。

最大速度挑戰測試:現階段還不容易測試驗證,多個裝置串接的延遲時間會對速度造成什麼影響。

(後面還有:更多傳輸速度實測、結論)

速度最終由電腦端決定

最後來看檔案實際傳輸測試部分,雖然也參雜小惡搞成分在內,這數據看來還是相當有意思。首先是傳輸速度數據不顯眼的LaCie Little Big Disk,傳輸單一大檔案居然能夠反向超前Promise Pegasus R4,認為大概是固態硬碟性能差異,或是動態磁碟某層面因素導致。至於零散檔案傳輸就比較符合大家的認知,LaCie Little Big Disk終究只有2顆硬碟,很合理慢了一些。

數據圖表中所指的「同步」,是一次開啟2個FastCopy,同時間但是錯開檔案的進行傳輸測試。例如LaCie Little Big Disk讀取單一大檔案進電腦時,那麼Promise Pegasus R4就進行零散檔案讀取測試。測試用意是模擬多工作運的情形,也能提醒大家,無論Thunderbolt裝置能跑多快,電腦的硬碟裝置速度,也要跟得上才能感受到威力。

檔案實際傳輸會受到電腦端效能影響,因此裝置端的效能差異會縮小些。

同時對兩個裝置進行效能測試,最高數據總和逼近Thunderbolt頻寬上限。

來點不一樣的Thunderbolt玩法

Asus Thunderbolt FX

Intel去年就已經規劃好,Thunderbolt將結合Ivy Bridge平台,首度進入PC市場。因此Asus設計Z77晶片組產品當時,就在P8Z77-V系列主機板上預留伏筆,暗藏一個TB_Header針腳類型連接器。其配套措施是剛獲得Intel首肯,日前才正式解禁的Thunderbolt EX介面卡,預估價超過2,000元。

組建方式很像早年的HDMI音效輸出土砲方案,必需使用一些線材連接必要訊號。以支援該卡的P8Z77-V系列主機板來說,一般會建議插在第3支PCI-E x16插槽,由晶片組供應Thunderbolt控制器需要的4條PCI-E通道。如果改用其他插槽,那麼通道必然是來自處理器,將會瓜分掉獨立顯卡可用的通道!

至於介面卡與TB_Header之間,則是需要透過一條訊號線連結。Asus表示控制訊號無法透過PCI-E匯流排傳遞,因此得經由這模式,讓介面卡和系統溝通。最後還需要主機板內顯的Display Port訊號,在外部透過標準線材輸入進Thunderbolt EX,混合之後就能構成完整的Thunderbolt訊號。

這對已經採購如P8Z77-V、P8Z77-V PRO,以及P8Z77-V DELUXE主機板的使用者來說是項小小利多消息,至少想體驗Thunderbolt不用整組砍掉重練,你說好玩嗎?

WD My Book Thunderbolt Duo


這款產品是從先前的My Book系列延伸而來,最大差異就是傳輸介面更改為Thunderbolt。目前推出機型為6TB和4TB,由2顆3.5吋硬碟組合而成,光華等通路已經可以買到,分別為23,000元和18,000元左右。出廠預設配置硬碟還是Caviar Green系列,也就是5400RPM環保節能機種,很顯然無法帶給使用者超快速度體驗。

由於它是款針對Mac OS設計的產品,在Windows環境下功能難免打了折扣。其磁碟控制器來自ASMedia,Windows 7能夠自動辨識為標準AHCH控制器,基本驅動使用不成問題。但是目前還沒有Windows版WD Drive Utilities工具軟體,因此無法設定啟用JBOD、RAID 0/1磁碟陣列功能。

同樣對它進行效能檢測,單顆硬碟存取速度平均可達130MB/s之譜。透過Windows 7動態磁碟組建成RAID 0模式,在ATTO Disk Benchmark測得讀277.3MB/s、寫245.1MB/s最高速度,至於CrystalDiskMark則是有讀252.7MB/s、246MB/s速度表現。

坦白說USB 3.0也能滿足這頻寬需求,不過如前面提過的,Thunderbolt最大價值是充裕可用頻寬,裝置到底能跑多快反而其次。如果電腦端沒有固態硬碟化,這速度其實是夠用的,它甚至還更快一些。是否值得,端看應用環境需求而定。

多工才是核心價值

行文至此,各位客官對Thunderbolt效能還滿意嗎?個人相當肯定它的表現,除了速度超越USB 3.0外,最重要的是理論傳輸頻寬達成超過9成。相較於USB 3.0,其理論速度應該可達500MB/s,但是如前面提過橋接器等許多因素影響,想見識到9成或更高達成率,未必是件容易的事情

雖然我們這樣做比較,它和USB 3.0卻沒有絕對的競爭關係,像是隨身碟就算存取速度再快也有個限度,做成Thunderbolt介面反而沒有什麼效益可言。但外接固態硬碟就不再由USB 3.0獨占,OCZ、Promise等廠商在今年Computex展覽上,都端出Thunderbolt介面外接固態硬碟原型產品。

除了各有擅長領域外,Thunderbolt的意義不只有單一裝置能吃掉多少頻寬,跑出多麼棒的數據。利用這充裕頻寬優勢,串接多個裝置並且同步傳輸資料作業,是它更大的應用價值。

非專業用途請迴避

最重要的裝置部分,基本上台灣現在能買到的產品,除了前面內文中出現的Promise、WD外,也就只有Seagate GoFlex Thunderbolt底座而已。Computex展覽上現身的產品,雖然幫產品數量問題打了支強心針,最快也要再等個把月才會上市,現在市場上選擇性非常貧乏。

認為終歸一句:「戒急用忍」,再等個1~2年,才是所謂「玩家」等級使用者合適進場的時間點。至於普羅大眾們,其實USB 3.0就已經足夠滿足需求,慢慢觀望市場演變就好,不需要太過於期待。

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