Simon 發表於 2020-12-09 08:55:51
電子發燒友報導（文/黃山明）USB作為一種傳輸數據的協議規範，自1996年由USB標準化組織推出了USB 1.0版本以來，如今已走過了24個年頭，USB也廣泛應用在了各種設備當中。而在2019年，USB開發者化組織推出了最新的標準——USB4，這項新技術的出現受到了業內極大地關注。
從USB誕生以後，我們周邊基本隨處都可以發現使用USB接口的設備，如今隨著技術發展，USB協議與我們的生活也結合的也愈發緊密。就在近日，蘋果Mac設備中使用的首款Apple Silicon晶片M1，實現了首個支持USB4和ThunderBolt 3的定製主控，並提供了全球首個符合USB4規範的系統。為何蘋果首款自主晶片便支持USB4，USB4到底為何如此受廠商青睞？
USB4傳輸速率可達40Gbps電子發燒友採訪到了新思科技（Synopsys）負責移動通訊、消費類電子產品以及車載晶片解決方案的資深產品市場經理宋曉笛，共同對USB4技術進行深度解讀。新思該IP產品團隊表示：「USB4是USB 3.2後最新一代的標準，其源頭技術是由Intel將捐贈給USB開發者論壇的Thunderbolt3（雷電3）協議。簡而言之，USB4就是一種簡化版的Thunderbolt協議。」USB4技術的推出是為了應對新型應用場景。由於Thunderbolt協議較為封閉，且相關設備比較昂貴，USB4的出現為市場提供了一種成本較低，更為靈活的解決方案。
USB4使用場景示意圖
自USB4推出以來，新思科技已於今年發布了業界首個USB4完整IP解決方案。同時可以看到包括Intel、蘋果在內的廠商都發布了支持USB4的計算機平臺，消費者預計在今年年底就可以購買到相關產品。
值得一提的是，USB4數據傳輸速率得到了大幅提升，最高可以達到40Gbps，但如此高的速率對於器件的穩定性及可靠性也提出了新的挑戰。對此，新思產品市場表示USB4 IP解決方中的40Gbps速率由兩條鏈路組成，每條鏈路分別提供20Gbps的理論傳輸速率。新思科技的高速SerDes在業界處於領先地位，高速USB PHY等數模混合IP一直是新思科技的強項。USB4 PHY的核心技術已經在USB 3.2、PCIe等高速IP上得到了廣泛的量產驗證。在USB4 PHY上所採用的SerDes架構主要面向消費類的應用場景，因此針對功耗和面積等方面做了特定的優化，從而可以為客戶的產品提供有競爭力的PPA設計指標。
在PHY的可靠性方面，是新思科技也具有相當的優勢。新思科技的USB IP是目前業界量產記錄最高的USB解決方案。眾所周知，USB接口的工作環境有時會非常複雜，各種機箱電磁兼容性、工作溫度和接口線材的影響都會造成鏈路的插入損耗。尤其是溫度因素對PHY接口電路造成的影響更加顯著。在USB設備運行過程當中，晶片溫度很容易達到75度以上。PHY內部的電路可能由於溫度升高而影響其數據傳輸的穩定性和平均速率。新思科技的接口類IP解決方案在抗幹擾性及信號恢復機制上有很好的的技術儲備。USB PHY的SerDes內部採用高容忍度信號接收器，可以把信號還原得更加完整，在信號完整性較差的情形下依然能夠有效撐開眼圖。新思科技USB 3.X以及USB4 PHY解決方案針對高溫區工況做了特定的優化和設計收斂。經過測試，採用新思科技IP的USB接口在125器件結溫下仍然表現出較好的性能體驗。
USB4的無限可能除了傳輸速率高以外，USB4與USB 3.2最大不同點在於其支持隧道化（Tunneling）傳輸技術。基於這個特性，DisplayPort音視頻流、USB 3.X/USB 2.0數據，以及PCIe數據可以在同一通道上實現同時傳輸。而USB 3.2技術則需要與DisplayPort IP進行鏈路復用集成才可以支持各自獨立工作的DisplayPort和USB 3.2應用場景。採用了USB4接口以後，客戶可以把三種不同類型的設備通過擴展塢同時插接在主機上，從而實現多路多協議的並發數據通訊。
與此同時，在三種設備並行傳輸數據時，USB4可以對這些交易進行動態帶寬分配和QoS管理。例如USB4更加側重視頻應用，因此為了保證顯示輸出質量，USB4子系統通常會分配給DisplayPort顯示數據一半的帶寬。如果沒有顯示數據流，那麼USB 3.X或是PCIe也可以根據系統調度享有較高的帶寬。
這種獨特的傳輸模式也為USB4開拓了廣泛的應用場景，比如手機、平板電腦等小型的可攜式電子設備可以通過USB4的PCIe隧道化傳輸外接NVMe高速固態硬碟和AI計算設備，提供不亞於內置PCIe設備高速數據傳輸效率；超薄筆記本或平板電腦也可以通過USB4連接外置GPU，擴展其圖形加速和數據處理能力；而隨著手機的性能逐漸比肩筆記本和臺式機，我們也可以通過USB4擴展塢將手機與外部大屏幕顯示器相連接，通過手機投射的桌面模式完成更加高效便捷的辦公、多媒體和社交應用。USB4為我們未來的多屏合一提供了簡單易用、性能超群的解決方案。新思科技IP產品市場團隊表示，外置PCIe設備的擴展將會是USB4的一個很重要的應用方向，這需要和產業界合作夥伴共同探索新的應用場景與產品形態。我們預計明年將會有部分採用USB4的外置擴展設備首先出現在市場上，給用戶提供種高端的產品體驗。
在增加眾多優秀功能的同時，USB4也保持了良好的向下兼容性，但這也讓USB4成為迄今為止最複雜的的標準。USB4要求設計者必須了解USB4、USB 3.2、USB 2.0、USB Type-C接口和USB Power Delivery技術規範，以及PCIe和DisplayPort規範，此外還有與USB4 DisplayPort模式適配的高清內容保護（HDCP）技術。這些兼容性要求和子系統配置集成的複雜度，無疑為開發者帶來了困擾和挑戰。
對此，新思科技市場產品團隊表示，USB4的確堪稱史上最複雜的接口類通訊協議。它就類似一個箱子，裡面裝入了各種規範和模塊。但是USB4本質上並非一個從頭起草的協議，而是根據用戶的產品形態將不同的通訊協議整合在一起，讓它們能夠協同工作，因此這個過程所帶來的驗證及設計集成的複雜度不可忽視。新思科技在USB3.X、PCIe和DisplayPort這三個USB4所支持的子領域中，都提供了全球領先的IP解決方案。用戶只需要根據其設計規範，通過新思科技的設計工具和子系統集成服務就可以將他們快速簡單地集成在USB4的IP框架中。但想要實現USB4解決方案，除了傳統方案種的控制器和PHY以外，還需要一種特殊的模塊，即USB4路由器（Router）。
USB4 路由器是負責支持三種協議進行並發傳輸的保證，它提供了協議編碼、時序管理、流量控制及服務質量保障等功能。因此，USB4 Router也是新思科技在USB4解決方案中最核心的技術。目前為止全球僅有新思推出了便於快速集成、驗證的商品化USB4 Router IP。當然我們也注意到一些設計公司也會開發自己的USB4 Router，但他們的設計通常是封閉的解決方案，主要面向自身產品規格的需要。而新思科技所推出的是開放的，高度可配置化的IP解決方案，可以由用戶自由選擇技術標準和子系統互連結構，實現有既有良好兼容性又具鮮明特色的晶片和整機產品。
新思科技一如既往的還推出了非常完善的IP集成驗證開發環境，通過多年積累的驗證和測試Know-how幫助客戶快速完成產品的IP設計收斂過程。與此同時，新思科技也提供IP子系統集成服務。在得到客戶設計規格及要求後，新思科技專業團隊可以幫助客戶快速生成配置，並且基於客戶的應用場景，承擔客戶SoC級別的集成開發與原型驗證工作。為客戶節省大量的工程時間和人力開銷，並有效降低SoC設計中所隱藏的軟硬體協同收斂風險。
USB4能否讓Type-C獨霸市場？談到這個問題時新思IP產品市場團隊認為，Type-C技術並不是一種USB專有的標準，其他的協議也可能採用Type-C接口。有意思的是，從USB 3.1開始，USB協議便已經採用了Type-C接口，主要是為了支持兩條鏈路動態，實現USB接口正反插的方便性要求。採用Type-C接口的USB 3.1性能可以更高，但仍不是強制要求。而到了USB 3.2和USB4標準，USB Type-C接口就成為了實現20Gpbs雙鏈路高速數據傳輸的必要手段。同時，其他的高速協議例如DisplayPort和PCIe也可以通過Type-C接口的USB4隧道化傳輸技術得到通用化的支持。
除了高速傳輸，Type-C也具備最高100W的供電能力。而且它的接口尺寸小，牢固可靠，可以正反插接，良好地解決了傳統USB Type-A/B接口的痛點。如今市場上也有越來越多的廠商選擇使用Type-C技術，隨著Type-C接口的滲透率進一步提升，用戶也期待未來可以只採用一種線纜便可以連接所有設備。USB4協議的種種優勢，也將隨著USB4的應用場景的演化發展，逐步顯現出來。
但在中短期來看，Type-C並不會取代其他類型的傳統USB接口。而且市場中也存在大量的存量設備，這些設備廣泛使用USB Legacy-A、Micro-B等接口。舊協議的線纜在短時間內很難淘汰，多種協議共存的局面將長期存在。尤其是在顯示輸出方面，今年英偉達發布的3090顯卡，並沒有採用Type-C接口；而索尼所發布的PS5主機，顯示輸出部分仍主要採用HDMI線連接。對於DisplayPort顯示輸出的需求，並不是所有的廠商都會選擇支持Type-C接口。產品應用場景和技術生態環境都是決定Type-C接口能否普及的關鍵因素。
業界對Type-C有很高的期望，宋曉笛在訪談中表示，從設備廠商角度來看，例如顯卡，對於顯示輸出是有剛性需求的。但在傳統桌面級PC應用場景，需要考慮到既有兼容性的問題。市場中存在大量採用方形DP接口的顯示器，如果不使用DP接口，就意味著放棄支持這些老設備。同時支持兩種接口，則意味著額外的成本和整機尺寸。在某些傳統場景中，顯示器上的DP接口在功能上與Type-C有所重疊，同時從成本及市場細分角度來看，使用DP接口已經足夠了。至於遊戲主機等設備，其主要應用場景在於連接大屏幕電視進行圖像音頻輸出。在這些特定領域中，HDMI的重要性一定長期存在。因此，從功能性上看DP與HDMI存在一定的交叉，但兩者各有所長。HDMI偏向多媒體、消費和娛樂，而DP更偏向於PC和行動裝置擴展應用場景，二者在未來也將長期互補共存。
USB4的未來隨著英特爾、蘋果等廠商都將在近期推出支持USB4的產品，大家可以藉此一窺USB4技術的端倪。新思IP產品市場團隊表示，USB4從2019年推出第一版協議標準到現在已有超過一年的時間，一項新技術的普及需要整個產業鏈的配合與推動。USB4的生態環境會首先在中高端市場形成，只有市場中存在足夠多的相關產品，才會創造出廣闊的用戶基礎和更複雜的需求，更多開發者才會跟進拓展新的應用場景。
同時USB4產品市場經理也認為，與市場中其他接口相比，USB4相對新穎。因為這個協議更多會以PCIe設備或高端顯示輸出設備為切入點，如高性能的多功能擴展塢、大容量移動存儲設備等，並逐步帶動相關市場的發展。當然，過去的USB協議也不會消亡，市場中仍然會存在許多採用傳統USB標準的設備，如U盤、WiFi適配器、攝像頭以及滑鼠、鍵盤等，每個階段的USB標準都會有自己適合的應用場景。
產品經理宋曉笛介紹到，目前USB4標準的發展並沒有停步。USB標準組織正在其所支持的DisplayPort協議上設計80Gbps數據吞吐量的更高速版本，從而可以支持更高解析度的視頻傳輸和多屏協同等複雜應用場景。如今的這個版本只是起點，未來也許還將會看到更快的傳輸速率，以及支持更多類型設備的傳輸協議。
可能有許多人都在思考一個問題，如今5G以及Wi-Fi技術飛速發展，是否未來可以取代有線數據傳輸呢？宋曉笛的觀點是，這的確是目前一些應用場景中正在發生的事情。WIFI-6和5G有能力達到10Gpbs或20Gbps的理論速率。但面對40G或者80Gbps的更高速率傳輸需求時，採用無線傳輸的成本將是非常高的，同時這也需要無線通訊算法和先進射頻器件的引入。電磁輻射、功耗以及傳輸的可靠性及穩定性都將是一個又一個的挑戰。因此想要實現20G甚至是40G以上的高效率傳輸，採用基於電纜的USB 3.2和USB4技術仍是低成本的最優手段。
總體而言，USB4還是一個體系化的協議規範，因此對於解決方案來講，並非只是提供一兩個IP就可以解決用戶的問題。在過去，如USB3.X可以長時間使用同一個軟硬體架構，但USB4更加複雜，每種應用場景都需要在IP解決方案的層面上進行定製與開發。因此對IP廠商的能力已不僅僅停留在一個控制器或PHY這個層面，更多的是對其軟硬體協同設計驗證綜合能力的要求，以解決方案為中心的理念將是未來IP產品的關鍵競爭力。目前來看，新思科技推出的USB4 解決方案已經可以支持客戶開展USB4產品的開發設計。隨著技術和應用的不斷發展，新思科技也會持續推出新的技術組件及解決方案，更好地滿足客戶對開發USB4產品的需求。讓我們一起努力，讓明天更有新思！
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