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USB4的“快”车,你搭不搭?
钟离未央 发布于 07/22 14:59 浏览 100

衡量一个技术标准的生命力,一个很重要的指标就是其迭代升级的进程,如果一个标准“停更”了,那也就意味着其离终点也不远了。USB在去年9月又迎来了一次大版本更新——USB-IF正式发布了USB4规格,这意味着这个诞生于1996年的标准走入了“4”时代。

速度快、外形小、标准统一、支持热插拔、可传输电力这些优势让USB成为目前应用最为广泛的高速串行接口标准,甚至在有些产品中(如苹果的MacBook Pro)成为了唯一的外接扩展接口。那么USB4作为一个“新物种”有何特殊之处,会给市场和产品开发带来哪些变化?我们今天就一起来看看。

从USB 1.0到USB4

USB传输协议是1994年由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC和Nortel等公司联合研发的串行数据传输技术,并由USB-IF完成标准化和市场推广的工作。二十多年中,历经了几次重要的版本更新。

USB1.0规格是USB-IF在1996年发布的,其传输速率仅为1.5Mbps,只能算是初期的试水之作。USB的规模商用之旅实际上是从1998年9月发布的USB 1.1规范开始的,该版本将传输速率提高到了12Mbps,并且对USB 1.0中的一些技术细节进行了修正,达到了市场的广泛认同,逐渐成为当时如日中天的电脑上的标配。

表1:USB标准发展一览

随着用户胃口越来越高,提速成了USB标准的必由之路, 2000年4月出台的USB 2.0标准没有让人失望,其传输速率达到了480Mbps,是USB 1.1的40倍,该传输标准一直沿用至今,成为最“长寿”的USB标准。

8年之后(2008年11月),USB迎来了3.0时代,USB3.0最大传输速率一跃达到5.0Gbps,同时支持全双工数据传输,且将电力传输能力从USB 2.0之前的5V/500mA提升到5V/900mA,算是一次全面的升级。紧接着2013年7月发布的USB 3.1,进一步将传输速度提升到了10Gbps,同时最高供电功率提升到100W(20V/5A)。值得一提的是,随着USB 3.0/3.1一同升级的,还有全新的USB Type-C接口规范以及升级后的USB-PD电力传输规范,几方合力作用,促成了当前USB接口“一统天下”的大势。

2017年9月USB 3.2发布,虽不是一个大版本更新,但是其充分利用了(且只支持)USB Type-C的特性,支持双10Gbps通道(x2)总计20Gbps传输数据。这样的设计思路,实际上也成为后续USB4的前奏。

图:USB 3.2中引入的双通道(x2)数据传输方法为USB4奠定了基础(图源:安森美半导体)

USB4的新变化

“提速”仍然是USB4的主旋律。在设计思路上,USB4在继续沿用USB 3.2验证过的基于USB Type-C双通道(x2)数据传输架构的基础上,在基础协议上放弃了USB规范而采用了由Intel免费提供给USB-IF的、更高速的Thunderbolt 3(雷电3)规范,此举使得USB4的传输性能翻番,达到了和雷电3比肩的40Gbps!

不过在速度提升的背后,另一层深意就是:从此USB规范和“雷电”标准合体了。“雷电”本是Intel和苹果共同研发的传输标准,由于高额的专利费用,阻碍了其大规模的应用。而Intel免费向USB4开放雷电3,直接的影响是USB4增加了兼容雷电3设备的新特性,而实际上这也是双方生态系统的一次融合,长期看会形成一个双赢的局面。

除了“快”,USB4还有一个很有新意的设计,就是真正实现了“一口多用”。通过隧道(tunneling)协议,USB4可以同时支持数据、视频等多种信息的传输,且可以动态地分配带宽资源,比如40Gbps的总带宽中如果传输1080p的视频需要占用20%的带宽,那么其余的80%的带宽同时可以用来进行数据传输。类似的带宽资源分配,虽然通过USB Type-C中的DisplayPort Alt模式也可以实现,但带宽分割的比例是50:50固定的,无法动态地充分利用带宽资源。这个特性无疑会令USB4的应用更趋多元化,加速USB一统接口江湖的进程。

在其他方面,由于USB4仅支持USB Type-C这一种物理接口规格,这对于USB Type-C的市场渗透和应用升级会起到一个推动作用。此外,兼容性方面USB4宣布向后兼容USB 3和USB 2规格,所以可以支持目前市场上绝大多数USB设备。可见,USB4整体的构架还是很缜密的。

趋势与影响

当然,随着USB4的发布,相关的用户也要开始未雨绸缪,着手做准备了。从中短期看,大家的着力点和关注点会聚焦在以下几个方面:

  • 如此高的传输速率,会给相应的电路设计带来挑战,很多在中低频下无需操心的设计要素(如信号完整性)都可能成为新问题。这需要开发者修炼一些新的技能。
  • 更高的传输速率,也会对连接器和线缆提出更高的要求,相应的产品选型需提早准备。
  • USB4的出现,也会对USB Type-C和USB-PD等相关规范产生影响,需要相应地升级。考虑到标准演进中的变化,选择一些固件可升级的可编程控制器,应该是一个必要的考量。

从经验上看,从一个新的USB传输标准的发布,到商用产品的诞生,中间大概有18个月左右的时间,预计采用USB4的设备最早也要在2021年初才会面市。鉴于做新技术的“先驱”是有风险的,所以想必大多数用户都会选择密切关注、伺机而动的策略。不过升级换代的模式毕竟已经开启,不紧跟节奏,恐怕是危险的。

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