Как сравнивать скорость и пропускную способность

Число 80 может встретиться на одном рабочем столе дважды. Его печатают на упаковке кабеля Thunderbolt 5, и оно же стоит в характеристиках монитора с DisplayPort UHBR20. Цифра одна, смысл разный. У кабеля это 80 Гбит/с в каждую сторону, причём одно направление при необходимости может получить 120. У монитора это четыре линии, которые несут видео только от компьютера к экрану, и до самой картинки из восьмидесяти доходит 77,37.

Рядом лежит внешний SSD с обещанием «свыше 6000 МБ/с». В битах это 48 Гбит/с, на первый взгляд меньше восьмидесяти. А в сноске к тому же накопителю производитель пишет, что при длительной записи скорость составит 1350 МБ/с.

Три числа, и ни одно из них нельзя поставить рядом с другим, пока не ясно, что оно измеряет. Вопросов, которые стоит задать любому числу скорости, всего пять: в каких оно единицах, о каком объекте, в какую сторону, на каком уровне и в каких условиях получено. Ответив на них по очереди, мы вернёмся к трём числам со стола и увидим, какое из них на самом деле решает, сколько будет копироваться файл.

Единицы: восемь бит и лишние семь процентов

Интерфейсы считают в битах в секунду, файлы измеряют в байтах. В байте восемь бит, поэтому 80 Гбит/с превращаются в 10 ГБ/с, а 6000 МБ/с накопителя в 48 Гбит/с. Это честная арифметика, но она меняет только единицу. Обещание интерфейса от деления на восемь не становится скоростью копирования.

Вторая ловушка прячется в приставке «гига». В характеристиках интерфейсов и накопителей она означает миллиард: гигабайт равен 1 000 000 000 байт. Программы нередко считают в двоичных единицах, где GiB содержит 1 073 741 824 байта, примерно на 7,4% больше. Поток 10 ГБ/с в двоичных единицах выглядит как 9,31 GiB/s, а архив на 100 ГБ показывается как 93,1 GiB. Некоторые программы при этом подписывают двоичные величины привычным «GB», и два замера из разных программ могут разойтись на эти семь процентов без всякой разницы в железе. Дальше в статье гигабайт десятичный.

Объект: линия, порт или целое устройство

Даже правильно переведённое число может описывать предметы разного масштаба. Самый мелкий из них называется линией. У DisplayPort это пара проводников, передающая сигнал в одну сторону. Одна линия PCIe включает отдельные пары передачи и приёма. У DisplayPort режим UHBR20 означает 20 Гбит/с на линию, а соединение из четырёх таких линий даёт уже знакомые 80 Гбит/с. PCI Express (PCIe) пишет число линий прямо в обозначении: x4, x8, x16.

Следующий уровень называется портом. За одинаковыми гнёздами USB-C одного компьютера могут стоять разные контроллеры: у Mac mini 2024 года с M4 Pro передние и задние порты различаются по документированному пределу до двенадцати раз; максимальные 120 Гбит/с заднего Thunderbolt 5 доступны в асимметричном режиме для видео. Подробнее об этом в статье про USB4 и Thunderbolt 5.

Самый крупный уровень образует устройство целиком. Производитель коммутатора или ускорителя может сложить полосу всех портов и всех связей. Возьмём учебный пример: 48 портов по 800 Гбит/с. Их сумма составит 38,4 Тбит/с в одну сторону, а если сложить передачу и приём, 76,8 Тбит/с. Оба числа показывают размер машины, но ничего не говорят о том, с какой скоростью получит данные один её клиент. У графических ускорителей та же история: полоса памяти HBM описывает обмен чипа со своей памятью, а полоса межсоединения описывает связи с соседями. Ставить их в одну строку таблицы бессмысленно.

Направление: туда, обратно или сумма

Большинство современных соединений работают в обе стороны одновременно. Одни производители указывают скорость каждого направления, другие складывают их, и сумма выглядит вдвое внушительнее.

USB4 Version 2.0 показывает, почему одной суммы мало. В обычном режиме соединение даёт до 80 Гбит/с в каждую сторону. В необязательном асимметричном режиме одно направление получает до 120 Гбит/с, а обратное сужается до 40. Оба варианта описаны в объявлении USB-IF, и в сумме оба дают 160. Если вы отправляете видео на монитор, разница между 80 и 120 решающая. Если в это же время читаете файл с диска, он идёт в обратную сторону, и потолком становится 40.

Открыть схему в полном размере

PCI-SIG, наоборот, сразу называет сумму: PCIe 7.0 x16 даёт до 512 ГБ/с в обоих направлениях вместе. Это соединение симметричное, поэтому на одно направление приходится 256 ГБ/с. С USB4 в асимметричном режиме такое деление пополам дало бы ошибку: из суммы 160 не восстановить ни 120, ни 40.

Уровень: брутто, нетто и то, что дойдёт до программы

С полосой соединения та же история, что с весом посылки. Есть вес брутто вместе с коробкой, вес нетто и то, что вам на самом деле нужно из этой коробки. Полоса тоже бывает нескольких уровней.

На самом нижнем уровне по линии передаются символы, то есть различимые состояния сигнала. Сколько бит несёт один символ, зависит от модуляции: при четырёх уровнях сигнала PAM4 символ несёт два бита, а USB4 v2 использует три уровня PAM3. Отсюда единица GT/s, гигатрансферы в секунду. PCI-SIG описывает PCIe 7.0 как 128 GT/s raw data rate на линию, и это число уже выражено в системе PCIe. Умножать его ещё раз на два из-за PAM4 нельзя. Каждое поколение интерфейса определяет свою единицу в своём документе, и формулы между ними не переносятся.

Выше начинаются служебные расходы. Кодирование добавляет избыточные биты. Прямая коррекция ошибок, FEC, передаёт дополнительный код, по которому приёмник исправляет искажения без повторной пересылки. Дальше идут заголовки пакетов и подтверждения. У DisplayPort разница между уровнями видна прямо в документах: линейная полоса UHBR20 равна 80 Гбит/с, а полезная нагрузка 77,37 Гбит/с. Это ещё не скорость файла, а та часть, что достанется видеопотоку.

Единого процента «потерь на служебное» не существует. Одни опубликованные числа описывают сигнализацию, другие уже учитывают кодирование. Поэтому сначала выясняют, к какому уровню относится исходная величина, и только потом вычитают расходы уровней выше.

На самом верху работают драйвер, файловая система и программа. Один большой файл они проводят почти без остановок, а тысячи мелких файлов требуют отдельной операции с метаданными на каждый. При копировании папки с фотографиями полоса соединения может вообще не оказаться ограничением.

Условия: секундомер и сноска

Пятый вопрос самый приземлённый: при каких условиях получено число. Хороший пример даёт тот самый SSD со стола, OWC Envoy Ultra. Заголовок страницы обещает свыше 6000 МБ/с. Сноска уточняет, что это максимум, измеренный на модели 2 ТБ в Windows 11 с процессором Intel Core i9-14900HX программой AJA System Test на одном файле объёмом 64 ГБ. Другая сноска называет длительную запись: 1350 МБ/с для 2 ТБ и 1700 МБ/с для 4 ТБ. Это измерения производителя, не наши.

Теперь можно прикинуть, сколько займёт запись архива на 100 ГБ. По арифметике кабеля, 10 ГБ/с, получается 10 секунд. По заголовку SSD, около 6 ГБ/с, выходит 16,7 секунды. По длительной записи, 1,35 ГБ/с, уже 74,1 секунды. Реальная запись пройдёт через обе фазы накопителя, и где окажется переход, без замера не скажешь. Но разница между первой и последней оценкой в семь раз ясно показывает, какое из чисел здесь главное.

Замер, по которому можно что-то решать, сопровождается условиями. Их немного:

Устройства: компьютер, порт, накопитель и его ёмкость
Версии: ОС, драйверы, прошивки
Кабель: модель, длина, маркировка
Режим: что система показала после подключения
Направление: чтение или запись
Нагрузка: один файл или много, размер, общий объём
Длительность и состояние кэша
Инструмент и число повторов

Для сети добавляют число параллельных потоков, потому что скорость одного соединения и сумма нескольких отвечают на разные вопросы.

Число, которое пока не с чем сравнить

Пять вопросов работают и в обратную сторону: они показывают, когда сравнение пока невозможно. HiSilicon заявляет для разъёма GPMI Type-B общую полосу 192 Гбит/с. Единица ясна, объект тоже. Но как эта полоса делится между направлениями и какая её часть остаётся полезной нагрузке, на странице не сказано. Пока ответа нет, 192 нельзя поставить ни рядом со 120 у USB4, где это одно направление, ни рядом с 96 у HDMI 2.2, где речь о видеотранспорте. Подробнее в статье о GPMI.

Снова три числа со стола

Вернёмся к кабелю, монитору и накопителю и ответим за каждое число на пять вопросов.

Вопрос	Кабель Thunderbolt 5	Монитор с UHBR20	SSD Envoy Ultra
Значение и единица	80 Гбит/с	80 Гбит/с	свыше 6000 МБ/с; длительно 1350 МБ/с
Объект	Соединение	Четыре линии DisplayPort	Накопитель 2 ТБ
Направление	Каждое; при асимметрии 120 и 40	Только к монитору	Запись
Уровень	Общий транспорт	Линейная полоса; полезная 77,37	Работа программы с файлом
Условия	Спецификация	Спецификация	Замер OWC, условия в сносках

Два одинаковых «80» описывают разные вещи, а меньшее на вид число SSD относится к самому верхнему уровню, где работает программа. Для записи большого архива пределом окажется именно оно, причём в длительном варианте. Кабель и монитор в этом расчёте не участвуют, пока монитор не забирает себе полосу асимметричного режима.

С любым новым числом, будь то реклама порта или график в обзоре, можно проделать то же самое. Если на какой-то из пяти вопросов ответа нет, сравнение пока не готово.