新思USB4 IP開啟數(shù)據(jù)吞吐高速時代

USB作為一種傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議規(guī)范，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(yīng)用在了各種設(shè)備當中。而在2019年，USB開發(fā)者化組織推出了最新的標準——USB4，這項新技術(shù)的出現(xiàn)受到了業(yè)內(nèi)極大地關(guān)注。 從USB誕生以后，我們周邊基本隨處都可以發(fā)現(xiàn)使用USB接口的設(shè)備，如今隨著技術(shù)發(fā)展，USB協(xié)議與我們的生活也結(jié)合的也愈發(fā)緊密。就在近日，蘋果Mac設(shè)備中使用的首款Apple Silicon芯片M1，實現(xiàn)了首個支持USB4和ThunderBolt 3的定制主控，并提供了全球首個符合USB4規(guī)范的系統(tǒng)。為何蘋果首款自主芯片便支持USB4，USB4到底為何如此受廠商青睞？

USB4傳輸速率可達40Gbps

電子發(fā)燒友采訪到了新思科技（Synopsys）負責移動通訊、消費類電子產(chǎn)品以及車載芯片解決方案的新思科技IP產(chǎn)品團隊，共同對USB4技術(shù)進行深度解讀。新思科技IP產(chǎn)品團隊表示：“USB4是USB 3.2后最新一代的標準，其源頭技術(shù)是由Intel將捐贈給USB開發(fā)者論壇的Thunderbolt3（雷電3）協(xié)議。簡而言之，USB4就是一種簡化版的Thunderbolt協(xié)議?！盪SB4技術(shù)的推出是為了應(yīng)對新型應(yīng)用場景。由于Thunderbolt協(xié)議較為封閉，且相關(guān)設(shè)備比較昂貴，USB4的出現(xiàn)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，新思科技已于今年發(fā)布了業(yè)界首個USB4完整IP解決方案。同時可以看到包括Intel、蘋果在內(nèi)的廠商都發(fā)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(guān)產(chǎn)品。 值得注意的是，USB4數(shù)據(jù)傳輸速率得到了大幅提升，最高可以達到40Gbps，但如此高的速率對于器件的穩(wěn)定性及可靠性也提出了新的挑戰(zhàn)。對此，新思科技IP產(chǎn)品團隊表示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(yè)界處于領(lǐng)先地位，高速USB PHY等數(shù)?；旌螴P一直是新思科技的強項。USB4 PHY的核心技術(shù)已經(jīng)在USB 3.2、PCIe等高速IP上得到了廣泛的量產(chǎn)驗證。在USB4 PHY上所采用的SerDes架構(gòu)主要面向消費類的應(yīng)用場景，因此針對功耗和面積等方面做了特定的優(yōu)化，從而可以為客戶的產(chǎn)品提供有競爭力的PPA設(shè)計指標。

在PHY的可靠性方面，新思科技也具有相當?shù)膬?yōu)勢，其USB IP是目前業(yè)界量產(chǎn)記錄最高的USB解決方案。眾所周知，USB接口的工作環(huán)境有時會非常復雜，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(shè)備運行過程當中，芯片溫度很容易達到75度以上。PHY內(nèi)部的電路可能由于溫度升高而影響其數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和平均速率。新思科技的接口類IP解決方案在抗干擾性及信號恢復機制上有很好的的技術(shù)儲備。USB PHY的SerDes內(nèi)部采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(qū)工況做了特定的優(yōu)化和設(shè)計收斂。經(jīng)過測試，采用新思科技IP的USB接口在125器件結(jié)溫下仍然表現(xiàn)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最大不同點在于其支持隧道化（Tunneling）傳輸技術(shù)?；谶@個特性，DisplayPort音視頻流、USB 3.X/USB 2.0數(shù)據(jù)，以及PCIe數(shù)據(jù)可以在同一通道上實現(xiàn)同時傳輸。而USB 3.2技術(shù)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(yīng)用場景。采用了USB4接口以后，客戶可以把三種不同類型的設(shè)備通過擴展塢同時插接在主機上，從而實現(xiàn)多路多協(xié)議的并發(fā)數(shù)據(jù)通訊。

與此同時，在三種設(shè)備并行傳輸數(shù)據(jù)時，USB4可以對這些交易進行動態(tài)帶寬分配和QoS管理。例如USB4更加側(cè)重視頻應(yīng)用，因此為了保證顯示輸出質(zhì)量，USB4子系統(tǒng)通常會分配給DisplayPort顯示數(shù)據(jù)一半的帶寬。如果沒有顯示數(shù)據(jù)流，那么USB 3.X或是PCIe也可以根據(jù)系統(tǒng)調(diào)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(yīng)用場景，比如手機、平板電腦等小型的便攜式電子設(shè)備可以通過USB4的PCIe隧道化傳輸外接NVMe高速固態(tài)硬盤和AI計算設(shè)備，提供不亞于內(nèi)置PCIe設(shè)備高速數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yīng)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(chǎn)品團隊表示，外置PCIe設(shè)備的擴展將會是USB4的一個很重要的應(yīng)用方向，這需要和產(chǎn)業(yè)界合作伙伴共同探索新的應(yīng)用場景與產(chǎn)品形態(tài)。我們預計明年將會有部分采用USB4的外置擴展設(shè)備首先出現(xiàn)在市場上，給用戶提供種高端的產(chǎn)品體驗。

在增加眾多優(yōu)秀功能的同時，USB4也保持了良好的向下兼容性，但這也讓USB4成為迄今為止最復雜的的標準。USB4要求設(shè)計者必須了解USB4、USB 3.2、USB 2.0、USB Type-C接口和USB Power Delivery技術(shù)規(guī)范，以及PCIe和DisplayPort規(guī)范，此外還有與USB4 DisplayPort模式適配的高清內(nèi)容保護（HDCP）技術(shù)。這些兼容性要求和子系統(tǒng)配置集成的復雜度，無疑為開發(fā)者帶來了困擾和挑戰(zhàn)。

對此，新思科技IP產(chǎn)品團隊表示，USB4的確堪稱史上最復雜的接口類通訊協(xié)議。它就類似一個箱子，里面裝入了各種規(guī)范和模塊。但是USB4本質(zhì)上并非一個從頭起草的協(xié)議，而是根據(jù)用戶的產(chǎn)品形態(tài)將不同的通訊協(xié)議整合在一起，讓它們能夠協(xié)同工作，因此這個過程所帶來的驗證及設(shè)計集成的復雜度不可忽視。新思科技在USB3.X、PCIe和DisplayPort這三個USB4所支持的子領(lǐng)域中，都提供了全球領(lǐng)先的IP解決方案。用戶只需要根據(jù)其設(shè)計規(guī)范，通過新思科技的設(shè)計工具和子系統(tǒng)集成服務(wù)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(xiàn)USB4解決方案，除了傳統(tǒng)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(xié)議進行并發(fā)傳輸?shù)谋ＷC，它提供了協(xié)議編碼、時序管理、流量控制及服務(wù)質(zhì)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(shù)。目前為止全球僅有新思推出了便于快速集成、驗證的商品化USB4 Router IP。當然我們也注意到一些設(shè)計公司也會開發(fā)自己的USB4 Router，但他們的設(shè)計通常是封閉的解決方案，主要面向自身產(chǎn)品規(guī)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(shù)標準和子系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)有既有良好兼容性又具鮮明特色的芯片和整機產(chǎn)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(fā)環(huán)境，通過多年積累的驗證和測試Know-how幫助客戶快速完成產(chǎn)品的IP設(shè)計收斂過程。與此同時，新思科技也提供IP子系統(tǒng)集成服務(wù)。在得到客戶設(shè)計規(guī)格及要求后，新思科技專業(yè)團隊可以幫助客戶快速生成配置，并且基于客戶的應(yīng)用場景，承擔客戶SoC級別的集成開發(fā)與原型驗證工作。為客戶節(jié)省大量的工程時間和人力開銷，并有效降低SoC設(shè)計中所隱藏的軟硬件協(xié)同收斂風險。

USB4能否讓Type-C獨霸市場？

談到這個問題時新思科技IP產(chǎn)品團隊認為，Type-C技術(shù)并不是一種USB專有的標準，其他的協(xié)議也可能采用Type-C接口。有意思的是，從USB 3.1開始，USB協(xié)議便已經(jīng)采用了Type-C接口，主要是為了支持兩條鏈路的切換，實現(xiàn)USB接口正反插的方便性要求。采用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(xiàn)20Gpbs雙鏈路高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋匾侄?。同時，其他的高速協(xié)議例如DisplayPort和PCIe也可以通過Type-C接口的USB4隧道化傳輸技術(shù)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(tǒng)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(shù)，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采用一種線纜便可以連接所有設(shè)備。USB4協(xié)議的種種優(yōu)勢，也將隨著USB4的應(yīng)用場景的演化發(fā)展，逐步顯現(xiàn)出來。

但在中短期來看，Type-C并不會取代其他類型的傳統(tǒng)USB接口。而且市場中也存在大量的存量設(shè)備，這些設(shè)備廣泛使用USB Legacy-A、Micro-B等接口。舊協(xié)議的線纜在短時間內(nèi)很難淘汰，多種協(xié)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(fā)布的3090顯卡，并沒有采用Type-C接口；而索尼所發(fā)布的PS5主機，顯示輸出部分仍主要采用HDMI線連接。對于DisplayPort顯示輸出的需求，并不是所有的廠商都會選擇支持Type-C接口。產(chǎn)品應(yīng)用場景和技術(shù)生態(tài)環(huán)境都是決定Type-C接口能否普及的關(guān)鍵因素。

業(yè)界對Type-C有很高的期望，新思科技IP產(chǎn)品團隊在訪談中表示，從設(shè)備廠商角度來看，例如顯卡，對于顯示輸出是有剛性需求的。但在傳統(tǒng)桌面級PC應(yīng)用場景，需要考慮到既有兼容性的問題。市場中存在大量采用方形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(shè)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(tǒng)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(jīng)足夠了。至于游戲主機等設(shè)備，其主要應(yīng)用場景在于連接大屏幕電視進行圖像音頻輸出。在這些特定領(lǐng)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更偏向于PC和移動設(shè)備擴展應(yīng)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(chǎn)品，大家可以藉此一窺USB4技術(shù)的端倪。新思IP產(chǎn)品市場團隊表示，USB4從2019年推出第一版協(xié)議標準到現(xiàn)在已有超過一年的時間，一項新技術(shù)的普及需要整個產(chǎn)業(yè)鏈的配合與推動。USB4的生態(tài)環(huán)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(guān)產(chǎn)品，才會創(chuàng)造出廣闊的用戶基礎(chǔ)和更復雜的需求，更多開發(fā)者才會跟進拓展新的應(yīng)用場景。

同時新思科技IP產(chǎn)品團隊也認為，與市場中其他接口相比，USB4相對新穎。因為這個協(xié)議更多會以PCIe設(shè)備或高端顯示輸出設(shè)備為切入點，如高性能的多功能擴展塢、大容量移動存儲設(shè)備等，并逐步帶動相關(guān)市場的發(fā)展。當然，過去的USB協(xié)議也不會消亡，市場中仍然會存在許多采用傳統(tǒng)USB標準的設(shè)備，如U盤、WiFi適配器、攝像頭以及鼠標、鍵盤等，每個階段的USB標準都會有自己適合的應(yīng)用場景。 新思科技IP產(chǎn)品團隊介紹，目前USB4標準的發(fā)展并沒有停步。USB標準組織正在其所支持的DisplayPort協(xié)議上設(shè)計80Gbps數(shù)據(jù)吞吐量的更高速版本，從而可以支持更高分辨率的視頻傳輸和多屏協(xié)同等復雜應(yīng)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(shè)備的傳輸協(xié)議。 可能有許多人都在思考一個問題，如今5G以及Wi-Fi技術(shù)飛速發(fā)展，是否未來可以取代有線數(shù)據(jù)傳輸呢？新思科技的觀點是，這的確是目前一些應(yīng)用場景中正在發(fā)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，采用無線傳輸?shù)某杀緦⑹欠浅８叩?，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?shù)目煽啃约胺€(wěn)定性都將是一個又一個的挑戰(zhàn)。因此在現(xiàn)階段想要實現(xiàn)20Gbps甚至是40Gbps水平的高速數(shù)據(jù)傳輸，采用基于Type-C接口的USB 3.2和USB4依然是最具性價比的方案。

總體而言，USB4還是一個體系化的協(xié)議規(guī)范，因此對于解決方案來講，并非只是提供一兩個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件架構(gòu)，但USB4更加復雜，每種應(yīng)用場景都需要在IP解決方案的層面上進行定制與開發(fā)。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，更多的是對其軟硬件協(xié)同設(shè)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(chǎn)品的關(guān)鍵競爭力。目前來看，新思科技推出的USB4 解決方案已經(jīng)可以支持客戶開展USB4產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計。隨著技術(shù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展，新思科技也會持續(xù)推出新的技術(shù)組件及解決方案，更好地滿足客戶對開發(fā)USB4產(chǎn)品的需求。讓我們一起努力，讓明天更有新思！

原文標題：USB4 IP開啟數(shù)據(jù)吞吐高速時代，支持未來數(shù)字化多元應(yīng)用場景

文章出處：【微信公眾號：新思科技】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責任編輯：haq