USB 3.1 : comment en profiter, quelles performances ?

L'USB 3.1 commence à montrer le bout de son nez. Désormais présent sur certaines cartes mères, disques durs et autres clés, l'USB 3.1 s'immisce doucement dans un écosystème qu'il promet de redynamiser, grâce à des débits largement améliorés, dépassant le gigaoctet par seconde.

L'USB 3.1 double la bande passante autorisée par l'USB 3.0 : de 600 Mo/s en théorie, on passe à 1,2 Go/s. Imaginez seulement : avec ces performances, un fichier de 4,7 Go serait avalé en moins de 4 secondes. Du moins en théorie. Et tout l'objectif de ce test est de vérifier ce que cela donne en pratique.

Ce dossier sera aussi l'occasion d'évoquer comment l'USB 3.1 est implémenté dans les cartes-mères, et pourquoi les limitations demeurent encore nombreuses pour profiter à plein des débits permis par cette nouvelle version du bus.

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Type-A, Type-C, Gen 1 : des confusions à éviter

C'est le 31 juillet 2013 que l'USB Implementers Forum (USB-IF) a finalisé et publié les spécifications du SuperSpeed + USB 10 Gbps. Le petit « + » a son importance, puisqu'il désigne l'USB 3.1 « Gen 2 », qui s'oppose à l'USB 3.1 « Gen 1 ». Ce dernier utilise le même protocole de transfert que l'USB 3.0, et se trouve donc limité à un débit maximal de 5 Gbps. C'est cet USB 3.1 « Gen 1 » qui officie sur les MacBook Retina et Chromebook Pixel. Première confusion possible.

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La seconde concerne l'amalgame qui est souvent fait entre USB 3.1 et USB Type-C. Parallèlement à l'USB 3.1, le consortium USB a décidé de proposer un nouveau type de connecteur USB, dit Type-C. Son principal avantage : la réversibilité. L'objectif : remplacer tous les connecteurs USB, y compris sur les appareils mobiles.

Cependant, USB 3.1 et USB Type-C ne vont pas forcément de pair. L'USB 3.1 peut tout à fait fonctionner sur des câbles Type-A (celui des précédentes normes USB). A l'inverse, un connecteur Type-C ne garantit pas l'utilisation de l'USB 3.1 : le disque dur externe LaCie Porsche Design Mobile Drive, bien qu'utilisant un connecteur Type-C, a recours à un bus USB 3.0.

De la même façon, le Power Delivery (USB-PD) n'est qu'optionnel sur l'USB 3.1, peut fonctionner sur un connecteur standard, mais est obligatoire dès lors qu'un connecteur Type-C est utilisé. Pour rappel, le Power Delivery est une technologie qui permet à un câble USB de faire transiter un courant dont la puissance peut atteindre 100 W. Le chargement via l'USB ne concerne ainsi plus seulement les smartphones et tablettes, mais aussi les PC portables. Enfin, cette alimentation est bidirectionnelle : deux appareils connectés ensemble peuvent se charger l'un l'autre.

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Pour bénéficier de cette technologie, il faudra évidemment que les appareils soient compatibles. Pour charger un portable via les ports USB d'une carte mère, cette dernière devra être câblée en conséquence. Sachez enfin que tous les câbles doivent être capables de faire transiter au minimum 60 watts, et qu'un type de câble spécifique pourra supporter les 100 watts permis par l'USB-PD.

Au contraire du Power Delivery, l'alternate mode est réservé à l'USB Type-C. Une technologie qui permet d'utiliser ce connecteur pour établir toutes sortes de liaisons. La VESA a notamment officialisé le DisplayPort Alternate Mode, qui permet donc de diffuser un signal audio-vidéo sur un câble à connecteurs USB C. Le connecteur USB devient ainsi universel. Avec un seul câble USB Type-C, on peut relier un écran Ultra HD à un ordinateur portable, recharger cet ordinateur au travers de cet écran, et brancher des périphériques USB 3.1 à 10 Gb/s aux ports USB de cet écran.

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Des limitations à tous les étages

En théorie, l'USB 3.1 permet d'atteindre des débits de 1,2 Go/s. En théorie. En pratique, ces débits ne sont jamais atteints. D'autant que les limitations sont pour l'instant très nombreuses du point de vue des performances.

Il faut savoir qu'Intel n'inclut pas encore dans ses chipsets le support natif de l'USB 3.1. Et ça ne devrait toujours pas être le cas pour Skylake. Les constructeurs de cartes mères passent donc par un contrôleur tiers pour assurer la prise en charge de l'USB 3.1.

Dans le cas de la X99-A/USB3.1 d'Asus employée durant nos tests, une puce Asmedia ASM1142 officie. Ce contrôleur, qui gère deux ports USB 3.1, est connecté sur deux lignes PCI-E Gen.2 au PCH (platform controller hub) du chipset. Cette intégration, partagée par d'autres constructeurs sur d'autres cartes, recèle en elle-même plusieurs limitations.

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D'une part, l'utilisation de deux lignes PCI-E Gen.2 limite à 1 Go/s le débit maximal, soit moins que les 1,2 Go/s dont est capable l'USB 3.1. D'autre part, le fait de connecter le contrôleur au PCH du chipset implique le transit des données par le DMI 2.0 d'Intel (direct media interface).

Son débit théorique est limité à 2,5 Go/s. C'est deux fois plus que ce dont a besoin l'USB 3.1. Sauf que sur un chipset comme le X99, les dix ports SATA 6Gbps, les six connecteurs USB 3.0 et le ou les ports Gigabit Ethernet sont aussi branchés en PCI-E au PCH. Autant dire que le DMI pourrait rapidement se révéler un frein aux performances de l'USB 3.1.

Enfin, pour faire fonctionner le contrôleur USB 3.1, il faudra veiller à trouver la configuration qui va bien dans le BIOS de votre carte mère. Le X99 de notre carte mère de test ne gère par exemple que huit canaux PCI-E (voir Core i7 5960X : test de la nouvelle bombe à 8 coeurs et 1000 euros d'Intel). Ces canaux sont partagés entre les différents composants connectés au PCH. Il suffit de brancher deux éléments en 4x pour que le contrôleur USB 3.1 ne soit plus disponible. Évidemment, tout dépend de votre carte mère et de votre configuration, mais il faudra veiller à ce genre de « détails ».

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Un progrès sur les pilotes, mais encore du chemin à parcourir

L'USB 3.1 est-il reconnu facilement par Windows ? La réponse est oui. Avec l'USB 3.0 est arrivé le xHCI (pour eXtensible Host Controller Interface), qui a permis une implantation très encadrée de l'USB 3.0. Ce standard de communication unique entre les contrôleurs et le système d'exploitation, permet d'utiliser un seul pilote pour tous les périphériques et tous les contrôleurs. Dans sa version 1.1, le xHCI prend en charge des débits dont est capable la nouvelle norme.

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Le ASM1142 supporte le xHCI, et Windows 8.1 a immédiatement reconnu notre SSD externe sans installation préalable de pilotes. Cela n'empêche toutefois pas Asmedia de proposer un pilote alternatif à celui de Windows. Ce qui pourrait se montrer utile pour un Windows 7 qui, pour rappel, ne gère pas nativement le xHCI.

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Asus y va aussi de son propre pilote, développé par MCCI et utilisé par la fonction USB 3.1 Boost de sa suite logicielle AI Suite. D'un pilote gérant tous les périphériques USB 3.1, on passe ainsi à trois pilotes. Il reste encore des progrès à faire, notamment dans le camp de Microsoft, dont les pilotes ne sont pas les plus optimisés. Windows 10 pourrait toutefois modifier la donne, avec une version plus aboutie.

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L'initiative d'Asus a toutefois un intérêt certain. Le constructeur a choisi de baser son pilote sur BOT plutôt que sur le plus récent UASP. Le Bulk Only Transport est un standard créé en 1999 pour l'USB 1.1. Il affiche des limitations certaines, puisqu'il gére les commandes de manière séquentielle et se passe de tout système de queue. En revanche, il est compatible avec l'écrasante majorité des périphériques du marché.

Tout le contraire de l'USB Attached SCSI Protocol (UASP), qui permet de passer un jeu de commandes SCSI sur deux voies séparées, créant ainsi une queue d'instructions. Cette gestion plus avancée que celle, très basique, offerte par BOT, permet à l'UASP de garantir des performances supérieures. Windows 8 et OS X (depuis Mountain Lion) sont déjà compatibles avec ce protocole. Néanmoins, très peu de périphériques gèrent ce nouveau standard.

Avec son Boost, Asus a donc préféré perfectionner le BOT plutôt que de passer par l'UASP. Et il a plutôt bien travaillé comme nous allons le voir dans la page suivante.

Test de performance

Afin de pouvoir juger des performances de l'USB 3.1, il nous fallait une configuration qui ne souffre d'aucun goulet d'étranglement. Pour assumer les hypothétiques 1,2 Go/s, Asus nous a confié un SSD externe, composé de deux 840 Evo 256 Go de Samsung en mSATA. Ces deux SSD sont placés en RAID 0, pour un débit maximal en lecture de 1,08 Go/s en lecture, et 1,04 Go/s en écriture.

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Notre configuration de test est donc la suivante :
  • Carte mère Asus X99-A/USB3.1 (BIOS 1702),
  • 4 x 4 Go mémoire DDR4-2666 G-Skill @2133MHz,
  • Refroidissement Corsair H105,
  • SSD Crucial BX100 500 Go,
  • SSD externe Asus, RAID 0 2x 840 Evo 256 Go

Nous avons utilisé deux logiciels reconnus pour la mesure des différents débits, à savoir ATTO et CrystalDiskMark.

ATTO opère une série de lectures et d'écritures séquentielles en faisant varier la taille des fichiers. Ce logiciel nous a permis de distinguer les performances de l'USB 3.1 face à l'USB 3.0, mais également de voir ce qu'apportait le Boost d'Asus.

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Entre l'USB 3.0 et l'USB 3.1, la différence est notable quelle que soit la taille du fichier. L'écart est d'ailleurs plus significatif sur les très petits fichiers que sur ceux dont la taille est plus importante : à 0,5 Ko, l'USB 3.1 offre des performances plus de quatre fois supérieures, alors que le débit n'est même pas doublé pour les plus gros fichiers.

Il n'en reste pas moins que les pointes à 713 Mo/s en écriture, et 774 Mo/s en lecture constituent un vrai fossé par rapport aux débits atteints en USB 2.0.

Qu'en est-il du Boost d'Asus ? Ce dernier ne fait rien gagner sur les petits fichiers, et il faut attendre une lecture et une écriture de 1 Mo pour observer le gain apporté par le pilote du constructeur. Au final, on prend 2,4% en lecture comme en écriture.

CrystalDiskMark effectue quant à lui un premier test séquentiel (sur un fichier de 1 Go), puis des lectures et écritures aléatoires sur des fichiers de 512 et 4 Ko (avec une variation sur la profondeur de queue pour ces derniers).

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Performances en USB 3.0 à gauche, en USB 3.1 (Boost) à droite

Le test séquentiel réalisé par le logiciel appuie les résultats trouvés par ATTO : si les débits ne sont pas doublés, la différence demeure conséquente. C'est également le cas sur les opérations aléatoires sur les fichiers de 512 Ko.

Sur les petits fichiers (4 Ko), les scores sont plus surprenants. L'USB 3.1 offre des performances en écriture aléatoires qui sont proches de ce que l'on observe en test séquentiel, particulièrement lorsque la profondeur de queue croît. En lecture en revanche, les débits restent modérés, et finalement pas si éloignés que ça de ceux de l'USB 3.0.

Conclusion

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Alors que les constructeurs commencent à proposer des cartes mères et autres périphériques en USB 3.1, faut-il pour autant se jeter sur cette nouvelle norme ? Si l'on tient uniquement compte des performances, les gains sont substantiels, même si le mode aléatoire ne semble pas forcément réussir à notre duo contrôleur ASM1142 / SSD externe.

Que faire de ce gain notable en matière de débits ? Tout simplement envisager le périphérique externe comme unité de stockage à part entière, dont les performances ne sont plus un frein. Mais finalement, c'était déjà le cas avec l'USB 3.0.

Si l'on considère maintenant l'écosystème USB 3.1, force est de constater que les cartes mères et périphériques compatibles sont encore peu nombreux. Et surtout, l'implémentation qui est faite de l'USB 3.1 est encore sujette à des subtilités qui pourront donner quelques sueurs froides à ceux qui cherchent à tirer le meilleur parti de leur matériel.

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L'USB 3.1 est un vrai progrès, et associé au connecteur Type-C, c'est bien vers une révolution que se dirige l'USB. Mais en l'état actuel, la relative opacité qui règne autour de ces technologies ne peut qu'inviter à la prudence. L'USB 3.0, désormais intégré dans les chipsets Intel, a sans doute encore de beaux jours devant lui.
Modifié le 01/06/2018 à 15h36
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