Кому эта задача, куда уходит задержка и что даёт USB

Сравните процессор с видеочипом на одной задаче, разберите путь нажатия до пикселя по миллисекундам и посмотрите, что меняют поколения USB.

// гонка

Аналогия из статьи: покрасить стену. Процессор - один высококвалифицированный маляр, работает быстро и точно, но он один. Видеочип - тысяча студентов с кисточками, каждый красит свой квадрат одновременно. Выберите задачу и запустите гонку.

Процессор: 4-32 мощных ядра

Каждое ядро очень быстрое и умеет всё: сложный расчёт, решение по условию, переключение между задачами. Берёт мало кусочков за раз, но каждый его шаг короткий.

Видеочип: 2 000-18 000 простых ядер

Каждое ядро проще и медленнее ядра процессора, зато их тысячи, и они делают одно и то же одновременно. Берёт много кусочков за раз, но каждый его шаг длиннее.

Однотипная работа: для Full HD нужно обработать более двух миллионов пикселей, и для каждого вычислить цвет с учётом освещения, теней, отражений и текстур. Ни одному пикселю не нужно знать, что получилось у соседа.

Каждый следующий шаг зависит от результата предыдущего, и внутри каждого шага есть решения по условию. Разложить такую работу на тысячи одновременных кусочков не выйдет: сложные разветвлённые задачи ядра видеочипа решать не умеют.

Модель условная. В статье нет чисел, из которых можно посчитать время: там сказано, что у процессора 4-32 мощных ядра, у видеочипа от 2 000 до 18 000 простых, каждое проще и медленнее, и что сложные разветвлённые задачи они решать не умеют. Размер шага и цена такта здесь подобраны так, чтобы это соотношение было видно, а не чтобы измерить настоящую производительность.

// от нажатия до пикселя

Между нажатием клавиши и светящимся пикселем происходит шесть вещей, и каждая стоит времени. Переключайте частоту опроса, частоту монитора и вертикальную синхронизацию: полосы показывают, сколько миллисекунд стоит этап сейчас, а жёлтым отмечен тот, который съедает больше всех.

Частота опроса устройства

Частота монитора

Вертикальная синхронизация

Синхронизация включена: видеокарта ждёт начала развёртки и отдаёт кадр целиком. Разрывов картинки нет, но ожидание добавляет к задержке ещё один кадр.

от нажатия до пикселя

Замыкание в матрице клавиш

Контроллер клавиатуры обходит матрицу и ждёт, пока контакт перестанет дребезжать. У мембраны это дольше, у оптики почти мгновенно.
Опрос по USB

Устройство не кричит само - хост спрашивает его с заданной частотой. При 125 Гц ответа ждать до восьми миллисекунд, при 1000 Гц - одну.
Обработка в системе

Прерывание от USB-контроллера, перевод скан-кода в символ с учётом раскладки, доставка в окно программы.
Программа рисует кадр

Приложение обновляет свой буфер и просит перерисовку. На кадр уходит ровно столько, сколько длится один кадр при текущей частоте.
Ожидание развёртки

При включённой синхронизации готовый кадр лежит и ждёт начала следующей развёртки. При выключенной - уходит сразу, но возможен разрыв картинки.
Отклик пикселя матрицы

Жидкий кристалл поворачивается не мгновенно. У быстрых игровых матриц это около миллисекунды, у обычных офисных - несколько.

Быстрее, чем человек замечает

На такой задержке связь между нажатием и картинкой ощущается непосредственной. Это то, за что платят в игровых мышах и мониторах.

Обычный рабочий компьютер

Задержку в этом диапазоне человек не выделяет сознательно, но в быстрых играх разница с предыдущим уже чувствуется руками.

Заметно на глаз

Курсор и текст явно отстают от руки. Обратите внимание, какой этап подсвечен жёлтым: чаще всего это ожидание кадра, а вовсе не клавиатура.

Времена постоянных этапов здесь условные и взяты как типичные: дребезг контактов, обработка в системе и отклик матрицы у разных устройств отличаются. Опрос и кадр считаются честно - это 1000, делённое на герцы.

// поколения usb

Один и тот же разъём десятилетиями значит разные скорости. Тяните ползунок по поколениям и смотрите, что каждое из них реально даёт.

Поколение USB

USB 2.0 480 Мбит/с Клавиатуры, мыши, веб-камеры, зарядка
Стандарт 2000 года и до сих пор самый распространённый: для мыши, клавиатуры и веб-камеры этой скорости хватает с запасом. Флешка на нём упирается примерно в 35 мегабайт в секунду.
USB 3.2 Gen 1 5 Гбит/с Флешки и внешние диски
Он же USB 3.0. Разъём тот же, но внутри добавились отдельные линии для приёма и передачи - отсюда десятикратный рост. Внешний жёсткий диск на нём работает на полной своей скорости.
USB 3.2 Gen 2 10 Гбит/с Быстрые внешние SSD
Разница видна только на внешнем твердотельном накопителе: обычная флешка столько всё равно не отдаст, а диск - отдаст.
USB4 и Thunderbolt 4 40 Гбит/с Мониторы, внешние видеокарты, быстрые накопители
По одному кабелю идут данные, видео и питание. На этой скорости к ноутбуку подключают внешнюю видеокарту - то, что раньше требовало слота на материнской плате.

Цифры - паспортные, из таблицы статьи. Настоящая скорость всегда ниже: часть полосы уходит на служебные данные, а упереться можно и в сам накопитель, и в кабель, и в контроллер.

1.6. Видеокарта, звук и периферия