詳解USB4技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)

自從USB4出來(lái)以后，我們就一直發(fā)布很多文章和鏈接來(lái)分享相關(guān)的資訊，但是實(shí)在熱度太高，到哪里都是問(wèn)USB4市場(chǎng)如何。從早期的USB 1.0時(shí)代、數(shù)據(jù)傳輸1.5Mbps的接口開(kāi)始，USB經(jīng)歷了多個(gè)世代。出現(xiàn)了USB 1.0、USB 2.0、USB 3.0等多個(gè)規(guī)格，接口外形和設(shè)計(jì)方案也出現(xiàn)了USB Type-A、USB Type-B以及現(xiàn)在比較最常見(jiàn)的USB Type-C等，USB4不僅傳輸速度更快，兼容性也更好（支持向后兼容即兼容更低版本），它可以更高效地連接幾乎所有設(shè)備并為其充電。如果你的手機(jī)、電腦、顯示器、打印機(jī)等設(shè)備都支持USB4，那么理論上你只需要一根支持USB4的數(shù)據(jù)線，就可以在設(shè)備之間進(jìn)行連接，居家辦公也會(huì)因此方便很多，再也不需要買各種接口的轉(zhuǎn)換線了，因此USB4可以讓我們的工作模式更加豐富和便捷。此外，USB4的另一個(gè)厲害之處還在于它有望應(yīng)用于支持人工智能計(jì)算的邊緣設(shè)備中。

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USB4 v.s. USB3.2

USB 3.2是USB-IF組織新發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，其實(shí)早在2017年的9月份就已經(jīng)推出，單純從技術(shù)角度來(lái)看，USB 3.2是對(duì)USB 3.1的改進(jìn)和補(bǔ)充，核心變化就是數(shù)據(jù)傳輸速度提升到20Gbps，接口則沿用了USB 3.1時(shí)代起就確定的Type-C方案，不再支持Type-A和Type-B兩種接口。USB4和USB3.2使用的都是Type-C接口，但USB4卻要復(fù)雜得多。USB4支持通過(guò)同一個(gè)Type-C接口，在同一個(gè)鏈路上，同時(shí)進(jìn)行主機(jī)至主機(jī)、PCI Express （PCIe）、DisplayPort音頻/視頻和USB數(shù)據(jù)的傳輸。兩個(gè)USB4主機(jī)可通過(guò)主機(jī)至主機(jī)隧道傳輸交換IP數(shù)據(jù)包；DisplayPort和USB隧道傳輸意味著音頻、視頻、數(shù)據(jù)和電源可通過(guò)同一個(gè)接口傳送，速度比使用USB3.2時(shí)快很多。此外，PCIe隧道傳輸可提供高帶寬、低延遲，能夠?qū)崿F(xiàn)高吞吐量的大容量存儲(chǔ)、邊緣人工智能和其他多種用例。

USB4將兩個(gè)傳輸和接收通道整合為一個(gè)USB-C接口，速率可達(dá)20Gbps和40 Gbps，每個(gè)通道數(shù)據(jù)速率可達(dá)約10Gbps或 20Gbps。對(duì)芯片開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，這一數(shù)據(jù)非常重要，他們需要知道：Thunderbolt3模式在每個(gè)傳輸和接收通道上的數(shù)據(jù)速率為10.3125 Gbps或20.625Gbps。在傳統(tǒng)USB模式中，只有一個(gè)傳輸/接收通道在5 Gbps（USB3.0）或 10 Gbps（USB3.1）的速率下運(yùn)行，USB3.2的兩個(gè)通道都在10 Gbps的速率下運(yùn)行.

在耐用度方面，Type-C接口的受力部件主要是外部金屬殼，強(qiáng)度更高且更不容易損壞，中央的數(shù)據(jù)通道被弧形外殼保護(hù)，很難受到破壞，設(shè)計(jì)要求顯示，USB Type-C能夠維持10000次以上的插拔不會(huì)損壞，按照一天插拔3次來(lái)計(jì)算的話，USB Type-C插接口至少能使用10年時(shí)間.

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加速部署USB4

在USB 3.2正式協(xié)議公布之后，USB組織又在很短的時(shí)間內(nèi)預(yù)告了有關(guān)USB 4規(guī)格的內(nèi)容，和之前USB 3.2等標(biāo)準(zhǔn)基于USB自家協(xié)議不同的是，USB 4在基礎(chǔ)協(xié)議上不再采用USB規(guī)范，轉(zhuǎn)而采用英特爾徹底公開(kāi)的雷電3規(guī)范，這也是USB數(shù)十年發(fā)展中最大的一次改變。當(dāng)使用 Type-C 連接器連接的時(shí)候， USB4 的功能 取代 USB 3.2 ，并保持 USB 2.0 同時(shí)運(yùn)行,USB 3.2 Enhanced SuperSpeed 仍然是 USB4 物理線路上 "USB 數(shù)據(jù)" 傳輸?shù)幕A(chǔ)架構(gòu),USB4 和 USB 3.2 最大的區(qū)別在于 USB4 是面向連接的，USB4 設(shè)計(jì)了隧道（tunneling）以便將多種協(xié)議的數(shù)據(jù)在單一物理接口上聯(lián)合傳輸，這樣一來(lái) USB4 的速度和能力能被動(dòng)態(tài)的共享,USB4 能在數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，支持其他顯示協(xié)議，或者主機(jī)到主機(jī)的通信,此外，USB4 還在相同的雙路雙單工（dual-lane, dual-simplex）架構(gòu)上，將通信速度從 USB 3.2 的 20 Gbps (Gen2x2) 提高到了40Gbps(Gen3x2).

USB4 除了實(shí)現(xiàn)高速USB(基于USB3)之外，還基于DisplayPort定義了顯示隧道，基于PCIe定義了load/store 隧道.

USB 速度方面：USB4 主機(jī)必須支持 20Gbps ，并可選支持 40Gbps，雖然它可以達(dá)到高達(dá)40 Gbps的理論速度，但并非所有USB設(shè)備或主機(jī)都支持該標(biāo)準(zhǔn)。Saunders說(shuō)將有三種速度：10 Gbps，20 Gbps和40 Gbps。期望更小，更便宜的設(shè)備（如手機(jī)和Chromebook）使用較低速度之一，當(dāng)你購(gòu)買筆記本電腦時(shí)，如果你希望獲得最快的USB 4連接，則需要確保查看規(guī)格.

顯示方面：USB4 的顯示隧道協(xié)議基于DisplayPort 1.4a， DP 1.4a 本身是支持 8k 60Hz 或者 4k 120 Hz的，USB4 主機(jī)要在所有下行端口支持 DisplayPort ，如果您使用USB 4端口同時(shí)傳輸視頻和數(shù)據(jù)，端口將相應(yīng)地分配帶寬，因此，如果視頻僅需要20％的帶寬來(lái)驅(qū)動(dòng)您的1080p顯示器（也是一個(gè)集線器），那么另外80％的視頻將可以從外部SSD傳輸文件.

PCIe隧道方面: USB4 主機(jī)對(duì) PCIe 的支持是可選的。USB4 Hub 應(yīng)當(dāng)支持 PCIe 隧道，內(nèi)部應(yīng)當(dāng)事先 PCIe Switch.

USB 4規(guī)范的一個(gè)重要部分是能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整通過(guò)同一連接發(fā)送視頻和數(shù)據(jù)時(shí)可用的資源量。因此，假設(shè)你擁有最大40 Gbps的USB 4，并且在從外部SSD復(fù)制大量文件時(shí)輸出到4K顯示器。假設(shè)規(guī)定視頻源需要大約12.5 Gbps，在這種情況下，USB 4會(huì)將剩余的27.5 Mbps分配給備份驅(qū)動(dòng)器。

USB-C引入了“替代模式”，即從Type-C端口傳輸DisplayPort / HDMI視頻的能力，但目前的3.x規(guī)范并沒(méi)有提供分割資源的好方法，根據(jù)Saunders的說(shuō)法，DisplayPort alt模式可以將USB數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)之間的帶寬精確地分成50/50，而HDMI alt模式根本不允許同時(shí)使用USB數(shù)據(jù).

USB4 定義了 40Gbps 的標(biāo)準(zhǔn)，能動(dòng)態(tài)共享帶寬使得單根數(shù)據(jù)線可以實(shí)現(xiàn)多種功能。 有了 USB4 之后，可以在一根線上同時(shí)傳輸 PCIe 和顯示數(shù)據(jù)，外加傳統(tǒng) USB 功能，還能供電（由 USB PD 提供）非常方便。今后大部分的外設(shè)，無(wú)論是高速網(wǎng)絡(luò)，外接顯卡，高清顯示器，大容量高速存儲(chǔ)設(shè)備，甚至一臺(tái)機(jī)器和另一臺(tái)機(jī)器，都能通過(guò) 一個(gè)Type-C 接口互聯(lián)。而且如果這些設(shè)備實(shí)現(xiàn)了USB4 Hub，你還可以從 這些設(shè)備串聯(lián)或者分支連接更多的設(shè)備，簡(jiǎn)直是非常方便.

USB4主要優(yōu)點(diǎn)

與以前的USB版本相比，USB 4標(biāo)準(zhǔn)有三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn).

40 Gbps最大速度：

通過(guò)使用雙通道電纜，某些設(shè)備將能夠以高達(dá)40 Gbps的速度運(yùn)行，速度與Thunderbolt 3相同.

與Thunderbolt 3設(shè)備兼容：

部分（但不一定是所有）USB 4實(shí)施也適用于Thunderbolt 3設(shè)備。

更好的視頻資源分配：

如果您使用USB 4端口同時(shí)傳輸視頻和數(shù)據(jù)，端口將相應(yīng)地分配帶寬。因此，如果視頻僅需要20％的帶寬來(lái)驅(qū)動(dòng)您的1080p顯示器（也是一個(gè)集線器），那么另外80％的視頻將可以從外部SSD傳輸文件。

將使用Type-C端口

USB4只能在Type-C連接器上運(yùn)行。不要指望看到帶有老式Type-A端口的USB 4設(shè)備或集線器。因?yàn)槠渌罱臉?biāo)準(zhǔn)，如USB Power Delivery僅適用于Type-C,例如，如果使用適配器連接到Type-A 3.1端口，速度和功率將下降到最小公分母。

所有USB4主機(jī)均支持USB PD

目前一些USB Type-C設(shè)備支持USB供電（USB PD）標(biāo)準(zhǔn)，用于向高功率設(shè)備供電，但并非所有設(shè)備都可以。每個(gè)USB 4設(shè)備和主機(jī)都必須符合USB PD，這樣可以實(shí)現(xiàn)更高的功率和更好的電源管理。

USB PD理論上可以提供高達(dá)100瓦的功率，但充電設(shè)備不必支持這么大的功率。因此，無(wú)法保證給定的USB 4端口能夠提供或占用特定筆記本所需的數(shù)量。

向后兼容較舊的設(shè)備

所有USB產(chǎn)品的最佳之處在于它們?nèi)绾螀f(xié)同工作。USB 4可與USB 3和USB 2設(shè)備和端口配合使用。但是你只能獲得連接中最薄弱環(huán)節(jié)的速度和能力。當(dāng)將USB 4設(shè)備掛接到USB 3.2端口時(shí)，USB 4設(shè)備將無(wú)法以40 Gbps的速度傳輸，而舊式USB 2端口不會(huì)因?yàn)閷⑵溥B接到全新的USB 4備份驅(qū)動(dòng)器而突然變得更快。

制造成本比USB 3.2更高

大規(guī)模采用的另一個(gè)障礙是增加了USB 4的成本,雖然不知道PC和設(shè)備供應(yīng)商增加USB 4連接的確切成本，但已知的是它需要比最新的當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)更昂貴的組件，USB 3.2

為什么USB 4被正式拼寫為“USB4”

與其他所有版本的USB不同，新規(guī)范在版本號(hào)之前正式拼寫，沒(méi)有空格。雖然我們認(rèn)為大多數(shù)人可能會(huì)把它寫成USB 4，但官方名稱是USB4,USB Promoter Group首席執(zhí)行官布拉德·桑德斯（Brad Saunders）解釋說(shuō)，他在刪除空間方面的目標(biāo)是將重點(diǎn)放在版本號(hào)和品牌名稱上,USB 3.x規(guī)格已經(jīng)填充了不同的版本號(hào)，包括USB 3.0，USB 3.1 Gen 1，USB 3.1 Gen 2和四個(gè)不同版本的USB 3.2，此外還有USB PD等可選功能的存在與否備用模式。但桑德斯說(shuō)，這些數(shù)字真的適合開(kāi)發(fā)人員，他希望原始設(shè)備制造商在營(yíng)銷他們的產(chǎn)品時(shí)會(huì)使用更簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)，如“SuperSpeed USB”.

也許是因?yàn)樗麚?dān)心營(yíng)銷人員向消費(fèi)者投入太多數(shù)字，Saunders表示該組織不打算使用版本號(hào)進(jìn)行規(guī)格更新。因此，即使兩年內(nèi)迭代速度更快，它仍然可能被稱為USB 4，但速度數(shù)字在其之后（比如USB4 2.0 &80 Gbps）。他和他的團(tuán)隊(duì)還沒(méi)有決定品牌戰(zhàn)略，所以USB 4可能還有營(yíng)銷名稱。就像USB 3.x被稱為“SuperSpeed USB”一樣，USB 4最終可能會(huì)有自己的名字.

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USB4加速來(lái)了

近幾年，遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)和辦公的頻率大幅增加，也推動(dòng)了這幾項(xiàng)數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)。而更加順暢的上網(wǎng)課和居家辦公需要更快的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和更高的設(shè)備接口速度，USB4的誕生恰逢其時(shí)，滿足了新的學(xué)習(xí)和工作模式對(duì)于數(shù)據(jù)和接口速度的需求。無(wú)論是現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的升級(jí)還是工作學(xué)習(xí)模式的轉(zhuǎn)換，都需要芯片加持。在芯片設(shè)計(jì)中將接口規(guī)范升級(jí)為USB4，并確保所有系統(tǒng)組件能夠協(xié)同工作?？偟膩?lái)看，USB 3.2和USB 4的開(kāi)始商用，大大推進(jìn)了這一在我們生活中應(yīng)用廣泛的高速接口的發(fā)展，使得數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移和復(fù)制更為方便，可以預(yù)見(jiàn)的是，在USB4成為主流接口的時(shí)候，“一接口走天下”的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，顯示器也只需要一根線就能完成電能和信號(hào)傳輸，這將大大方便人們的生活；USB4加速來(lái)了！

審核編輯：湯梓紅