Asus Z97-A/USB 3.1 : l'USB 3.1 Gen2 en pratique

Publié le 24/02/2015 par
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A l'occasion de l'arrivée des premiers contrôleurs USB 3.1 sur le marché, les constructeurs de cartes mères préparent petit à petit des mises à jour de leurs gammes mais aussi le lancement de cartes contrôleurs au format PCI Express.

Asus nous a fourni pour l'occasion deux de ses produits, tout d'abord une version USB 3.1 de sa carte mère Z97-A (rebaptisée Z97-A/USB 3.1) mais aussi une carte contrôleur PCI Express USB 3.1 équipée de deux ports (Type-A).
 

USB 3.1, quelques rappels


Ratifiée en aout 2013, la version 3.1 de l'USB peut passer pour une mise à jour quasi mineure du standard tant elle ne fait « que » doubler les débits qui passent de 5 Gbps dans chaque sens à 10 Gbps. Attention seule l'USB 3.1 "Gen2" est concerné par cette hausse de vitesse, l'USB 3.1 "Gen1" est pour sa part à 5 Gbps... Techniquement la manière dont les données sont encodées change et le standard a également fait évoluer son protocole pour autoriser de nouveaux modes d'utilisation.
 


A gauche, le nouveau connecteur Type-C, à droite le « classique » Type-A


Ce que l'on retient surtout de l'USB 3.1, c'est l'annonce du nouveau type de connecteur (Type-C) en septembre 2014 qui vient s'ajouter au standard 3.1 de manière optionnelle, avec pour but à terme de remplacer la myriade de variantes qui existe aujourd'hui. Techniquement ces connecteurs ont été taillés un peu plus large que nécessaire puisqu'ils proposent quatre canaux de données indépendants à 10 Gbps dont on peut choisir le sens. Dans le cas de l'USB 3.1, seuls deux des canaux sont utilisés. Outre le côté prévoyant, l'attrait principal de ces connecteurs vient du côté réversible des prises qui s'insèrent, magie, dans les deux sens.
 


La réversibilité est gérée par la symétrie des broches des deux côtés. Chaque face dispose d'un canal 10 Gbps pour chaque sens (TX/RX en vert et bleu sur le schéma).


L'USB-IF a profité de l'intérêt suscité par ce nouveau câble pour imposer en parallèle certaines nouvelles règles. Certaines simplifient le fonctionnement comme l'autorisation des câbles males/males Type-C par exemple, et d'autres sont plus importantes. Par exemple, tous les ports Type-C doivent supporter un autre standard jusqu'ici optionnel : l'USB Power Delivery (USB-PD). Ce standard permet pour rappel d'effectuer une négociation entre deux périphériques afin de proposer une alimentation en courant dont la puissance peut varier en fonction des périphériques connectés, des rôles ou des besoins. La négociation est gérée directement par les contrôleurs qui doivent donc tous supporter le standard.

L'intérêt de l'USB Type-C ira même plus loin puisqu'il a vocation, outre ses tâches de connexion et de chargement de transporter aussi la vidéo avec l'annonce par VESA de l'utilisation du connecteur USB Type-C pour faire transiter DisplayPort. Une sorte de pied de nez au Thunderbolt d'Intel qui avait, rappelons-le, utilisé le connecteur Mini-DP pour faire transiter les données, sans en aviser préalablement le comité VESA. Cette fois ci, VESA et l'USB-IF auront travaillé main dans la main pour établir ces spécifications.

Beaucoup de changements qui s'accumulent et qui font que l'intérêt de l'USB 3.1 est au final un peu plus fort que son simple changement de débit.
 

Asmedia ASM1142 et ASM1352R


Au cœur des solutions que nous avons testés aujourd'hui (et des autres annoncées récemment) on retrouve avant tout un nouveau contrôleur PCI Express/USB 3.1 développé par Asmedia, l'ASM1142 . Proposant jusqu'à deux ports USB 3.1, il dispose d'une interface PCI-Express pouvant fonctionner sur deux lignes Gen2, ou une ligne Gen3 (pour 1 Go/s dans chaque sens dans les deux cas). D'un point de vue théorique, l'ASM1142 pourra saturer assez facilement sa bande passante si l'on utilise deux ports en simultanée. Une situation qui n'est pas nouvelle puisque l'on avait déjà noté ce genre de situations sur les contrôleurs USB 3.0 supportant parfois jusque quatre ports sur un seul lien Gen 2 !

Le contrôleur est annoncé comme compatible avec le standard UASP et également avec la norme xHCI 1.1 (voir notre article précédent sur le sujet ainsi que celui-ci). L'UASP permet pour rappel d'utiliser une partie du protocole SCSI au travers de l'USB pour piloter efficacement les disques, tandis que le xHCI est une spécification qui définit un standard de communication unique entre les contrôleurs et le système d'exploitation, évitant le besoin de drivers uniques pour chaque modèle et marque de contrôleur.


En pratique, la version USB 3.1 de la carte mère Z97-A que nous avons utilisée pour notre test rajoute un contrôleur ASM1142 connecté à deux lignes du PCH Intel (en Gen 2). L'utilisation de ce contrôleur désactive le troisième port PCI Express de la carte mère (un port physique x16 connecté en deux lignes Gen 2 au PCH).


Deux ports USB 3.1 sont présents à l'arrière de la carte mère, d'une couleur turquoise qui rappelle celle des premiers schémas des connecteurs Type-C. Rappelons qu'officiellement, l'USB-IF n'avait pas déclaré de couleur recommandée pour l'USB 3.1 lors de nos dernières demandes sur le sujet, ce qui nous vaut des couleurs variables chez les constructeurs.


Nous avons également testé une version en carte PCI Express, il s'agit d'une carte physique PCI Express x4 annoncée comme fonctionnant au choix en mode Gen 3 x1, ou Gen 2 x2. Notez cependant que dans nos tests, et bien que l'ASM1142 supporte ces deux modes, la carte aura systématiquement fonctionné en mode Gen2 x2. Là encore les ports sont de couleur turquoise. La carte que nous avons testé propose deux ports USB classique Type-A, elle ne permet pas d'alimenter les périphériques au-delà de 900mA sur 5V (4.5W). Asus propose également un second modèle de carte PCI Express proposant un seul connecteur Type-C. Ce modèle est capable de fournir 15 watts d'alimentation sur son port selon le constructeur. Dans les deux cas, aucun connecteur d'alimentation n'est présent sur les cartes, contrairement à ce que va proposer ASRock... tant mieux !
 


En bas à gauche du boitier, on retrouve le connecteur USB Type-C, le connecteur de droite servant à l'alimentation


Afin de pouvoir tester correctement les débits, Asus nous a fourni un boitier original basé lui aussi sur un contrôleur Asmedia, l'ASM1352R . Il s'agit d'un contrôleur USB 3.1 vers Serial ATA 6 Gbps (deux ports). Ce contrôleur supporte l'UASP, mais également un mode de fonctionnement RAID automatique baptisé Hydratek. Dans ce mode, le contrôleur peut à la volée fonctionner de manière transparente comme un contrôleur RAID (0 ou 1), ne présentant au système qu'un seul disque « virtuel » accessible par l'interface USB.
 


Nos SSD 840 Evo mSATA de 250 Go sont vus comme un seul disque qui reprend les caractéristiques du premier, avec une taille annoncée de 500 Go. Certains outils comme Samsung Magician sont perdus devant ce mélange pourtant logique !


Une fonctionnalité originale qui était forcée en RAID 0 sur le boitier de test fourni par Asus qui incluait également deux SSD Samsung 840 Evo format mSATA.

A première vue, nous avons pu constater un petit inconvénient à ce mode RAID Hydratek : il ne semble pas supporter l'UASP ce qui nous a cantonné pour nos tests au mode BOT (nous y reviendrons). Il est également possible que l'UASP ait simplement été désactivé sur ce prototype. Dans l'absolu, deux SSD en RAID permettent de vérifier que l'on atteint bien des débits élevés en USB 3.1 mais nous avons profité de ce test pour tenter d'en tirer quelques autres enseignements.
 

xHCI et Windows 8.1 : USB 3.1 déjà supporté


Première bonne nouvelle durant nos tests, les pilotes USB 3.0 inclus dans Windows 8.1 sont déjà compatibles avec l'USB 3.1. Après l'installation de Windows 8.1, on peut directement utiliser les ports Asmedia ASM1142, qu'il s'agisse de ceux directement intégrés sur la carte mère ou ceux de la carte fille PCI Express. Pour rappel, l'intérêt du xHCI est de permettre aux systèmes d'exploitation de proposer un pilote unique pour tous les contrôleurs USB se conformant au protocole. Le xHCI en version 1.1 est censé pouvoir s'adapter aux futurs débits et le pilote de Microsoft gère correctement le mode USB 3.1. Joie !

 


Le xHCI de Microsoft en action sur l'ASM1142


Notez cependant qu'Asmedia fournit un xHCI alternatif à celui de Microsoft. Ce dernier n'était pas, il faut le rappeler, le plus rapide dans notre comparatif USB 3.0 lors du tests sur des blocs de 4 Ko.
 


Le xHCI de Microsoft en action sur l'ASM1142, avec un pilote MCCI (mode Turbo Asus) intercalé


Notez enfin qu'Asus fournit avec ses cartes mères dans sa suite de logiciels un USB 3.1 Boost. Il s'agit d'un pilote alternatif développé par la société MCCI (voir ici). Cet utilitaire et ces pilotes alternatifs ont été mis à jour en version USB 3.1 mais leur fonctionnement semble identique à la version 3.0 dans le principe (on notera tout juste que notre périphérique en mode Turbo apparaissait comme un disque SCSI, bien que ne gérant pas l'UASP en pratique puisque connecté encore en mode BOT).
 

Les performances


Nous commençons par comparer les performances des différents ports présents sur la carte mère Z97-A/USB 3.1. Nous testons les combinaisons de ports/pilotes suivantes :

- USB 3.0 chipset Intel, xHCI Microsoft
- USB 3.1 ASM1142, xHCI Microsoft
- USB 3.1 ASM1142, xHCI Asmedia

Chacun de ces cas est testé en mode BOT (mode de fonctionnement classique) ainsi que via l'utilitaire Turbo d'Asus. Nous mesurons le débit avec IOmeter en lecture uniquement sur des tailles de blocs de 2 Mo et 4 Ko. Nous ne réalisons pas de tests en écriture, les 840 Evo de Samsung disposant d'un mode TurboWrite qui ne permet pas de réaliser de mesures stables en écriture (voir cette news sur le sujet).

Nous testons le contrôleur Asmedia à la fois avec le pilote Microsoft ainsi qu'avec le pilote du constructeur, ce qui nous permet de les comparer. Notez qu'Intel ne fournit pas de xHCI pour Windows 8.


[ Blocs 2 Mo ] [ Blocs 4 Ko ]

Première remarque, on dépasse bien les 5 Gbit/s théoriques de l'USB 3.0 avec le contrôleur ASM1142, que ce soit avec le xHCI de Microsoft ou celui d'Asmedia. Deuxième point, les deux xHCI se comportent bien en mode 2 Mo et si l'on note un avantage de 8% pour celui d'Asmedia, cet écart se divise par deux lorsque l'on active le mode Turbo d'Asus. Ce mode nous permet de frôler les 800 Mo/secondes de bande passante en lecture.

Si l'on regarde les taux de transferts sur les blocs 4 Ko, l'avantage du pilote d'Asmedia est net avec des performances multipliées par 2.8x ! On notera ici que le mode Turbo ne sert pas a grand-chose et tend même à faire très légèrement baisser les débits.

Nous avons ensuite comparé la carte PCI Express d'Asus à la solution intégrée, en utilisant uniquement les pilotes xHCI Asmedia, plus efficaces. Afin d'être complets nous avons testé la carte PCI Express à la fois connecté aux lignes PCIe du processeur, mais aussi du chipset (PCH). Cela nous donne les combinaisons suivantes :

- Z97-A/USB 3.1 ASM1142
- Carte PCIE USB 3.1 connectée au PCH (Gen 2 x2)
- Carte PCIE USB 3.1 connectée au CPU (Gen 2 x2)

Voici les résultats obtenus :


[ Blocs 2 Mo ] [ Blocs 4 Ko ]

Sur des blocs de 2 Mo, nos solutions se tiennent dans un mouchoir. On note que les ports natifs sont très légèrement plus rapides que via la carte PCI Express lorsque connecté au PCH. Un ecart qui disparait lorsque l'on active le mode Turbo. Avec le mode Turbo, on note un avantage à la connexion directe aux lignes PCI Express du processeur.

Les blocs 4 Ko nous donnent un résultat plus intéressant : outre la similarité des résultats des ports intégrés et carte connectée aux lignes PCH, on peut voir un avantage entre 7 et 8% pour la solution connectée aux lignes processeur. Cet avantage n'est présent qu'avec le xCHI ASMedia, avec le Microsoft bien moins véloce en 4K on ne note pas de différence.
 

En résumé


L'arrivée de l'USB 3.1 sur nos machines est fort différente de ce que nous avions vu pour l'USB 3.0. Là où le chaos régnait avec des contrôleurs qui étaient disponibles bien avant la publication de certaines spécifications clefs comme le xHCI (qui avait été retardée par son auteur principal, Intel, lui aussi très en retard sur le support de l'USB 3.0 dans ses chipsets…), l'USB 3.1 arrive à profiter de l'écosystème posé par l'USB 3.0 pour exister. Le fonctionnement immédiat du contrôleur Asmedia en mode USB 3.1 dans Windows 8.1 est une bonne chose, même si des pilotes plus performants fournis par le constructeur existent.

Et là encore ce n'est pas un mal tant les pilotes de Microsoft ont montré une fois de plus leur faiblesses sur les transferts de blocs de petite taille, un point que nous avions déjà soulevé (tout comme les performances UASP). Il a tout de même le mérite d'exister et l'on ne peut qu'espérer que la prochaine itération des pilotes xHCI de Microsoft, par exemple dans le prochain Windows 10, sera un peu plus efficace. En attendant, si vous optez pour une carte équipée d'un contrôleur Asmedia, l'installation des xHCI du constructeur nous semble recommandable pour profiter des meilleures performances possibles.

Bien évidemment, pour profiter de l'USB 3.1, il faut disposer de périphériques USB 3.1, ce qui aujourd'hui ne court pas les rues ! Connecter un périphérique 3.0 sur un port 3.1 n'apportera aucun gain - aux différences du contrôleur et de ses pilotes près – et dans nombre de cas, les 400 Mo /s offerts par l'USB 3.0 suffiront, y compris pour piloter un SSD externe. L'USB 3.1, outre une meilleure prise en compte de futurs périphériques, visera surtout avec ses 800 Mo /s en pratique des usages qui jusqu'ici étaient surtout couverts par des standards propriétaires comme le Thunderbolt, on pense par exemple aux solutions externes de RAID à très haut débit.

L'intégration par Asus du contrôleur Asmedia ASM1142 se fait de manière simple. Pour ce qui s'agit de la Z97-A/USB 3.1, en pratique, avoir connecté le contrôleur aux lignes PCI Express Gen 2 du chipset Intel n'a qu'un impact minime sur les performances : il ne se ressent que sur les petits blocs de 4 Ko, et encore de manière mesurée. Nous avons obtenus les meilleurs résultats en connectant la carte sur des lignes PCI Express connectées directement au processeur. Sur cette dernière, pas grand-chose à dire si ce n'est que contrairement à ce qui nous a été indiqué, elle se connecte en PCI Express 2.0 x2 (et non en PCI Express 3.0 x1). Possiblement une question de firmware, dans l'absolu cela ne change pas grand-chose.

Profitons de cette occasion pour rappeler l'anachronisme des chipsets Intel, encore interconnectés au processeur, en 2015, par seulement quatre lignes PCI Express Gen 2. Une situation qui changera - enfin - avec le lancement des plateformes Skylake et des chipsets série 100 (Z170, H170, etc.) plus tard dans l'année qui supporteront également le PCIe Gen3. Ils seront par contre dépourvus d'USB 3.1, Intel trainant une fois de plus des pieds en la matière, ce qui devrait laisser la place un certain temps aux contrôleurs additionnels comme l'ASM1142 que nous avons testés.

Côté prix, les cartes PCI Express d'Asus sont annoncées à 39 dollars (en version Type-A deux connecteurs, ou Type-C avec un seul connecteur) tandis que la Z97-A/USB 3.1 est annoncéeà 159 dollars (soit 15 dollars de plus environ que la version classique). Plusieurs autres modèles, en Z97 et X99 ont également été annoncés, proposant selon les cas l'intégration du contrôleur directement sur la carte mère comme dans le cas de la Z97-A, ou bien via la fourniture d'une carte PCI-Express (avec connecteurs Type-A). La disponibilité de ces produits est prévue pour courant mars.

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