USB4技術門檻高 元件、電路設計大有學問

2022-10-18
作者 蔡銘仁,EE Times Taiwan

高速傳輸的需求與日俱增,推動USB (Universal Serial Bus) 近年技術發展增速,在英特爾 (Intel) 、超微 (AMD) 等領導大廠,陸續推出支援USB4的中央處理器 (CPU) ,象徵USB已然一腳跨進新世代。

無論用專業級的相機或攝影機,抑或智慧型手機,各類裝置產出的照片跟影片的畫質是越來越高;這不只拉升對儲存容量的要求,若拍個一支4K、8K等超高畫質的影片卻要傳上數小時甚至一天,恐怕越來越不符合現代人的需求。這樣的趨勢,激勵各類傳輸技術著眼未來需求與時俱進,USB4、Thunderbolt 4也因此乘勢而上,近年來逐漸受到業界關注和重視。

USB4跟以往的USB的發展路徑大不相同,在於它是基於Intel的Thunderbolt 3所開出的傳輸介面標準。Thunderbolt最初由Intel所發表,以「閃電Logo加上數字」與USB區隔,2011年起率先導入蘋果Macbook,與蘋果的Mini Display Port整合,到2015年全面轉為USB Type-C連接器後,也逐漸在非蘋品牌電腦上現身。

2019年,Intel將Thunderbolt 3的傳輸技術全面性貢獻給USB開發者論壇(USB Implementers Forum,USB-IF)協會,罕見的大動作,當時引來業界熱議。GRL (Granite River Labs)大中華區總經理莊益林直言,單一廠商授權USB-IF協會給大家用,「過往沒有這樣的事情」,以前的USB 2.0、USB 3.0等技術,都是很多廠商共同制定規格,USB4也因此樹立起比較高的門檻。

Intel Thunderbolt發展進程。(來源:Intel)

Intel客戶端連接事業部市場開發經理藍昕暐也說,這對USB發展過程是很大的改變,以Intel的角度是希望Thunderbolt技術變得非常普及,「我們認為時機成熟,產品技術也成熟,就開放規格給USB-IF。這對業界是好的,也是讓技術變得普及最好的方法。」

Intel促成USB4問世,其最新的Thunderbolt 4亦跟USB4及前幾代USB相容,讓這兩條各自獨立前進的兩條賽道,因此有了交集。USB4在Thunderbolt 3的基礎下,最高雙向傳輸頻寬從USB 3.2 Gen 2×2的20Gbps (bit per Second)提升到40Gbps,且除了資料傳輸,也跟Thunderbolt一樣可支援影像資料及電力傳輸,另可依照需求,選配支援Thunderbolt 3、PCIe (PCI Express)等功能,並改為隧道(Tunneling)傳輸模式。對比前幾代的USB,規格可說是有革命性的進步。

Thunderbolt 4規格則較USB4更為全面,白話一點比喻,若Thunderbolt 4是「全配」,USB4則算「標配」。比如,Thunderbolt 4全面支援電力傳輸(Power Delivery,PD)、影像資料、PCIe;最低雙向傳輸頻寬32Gbps、充電輸出功率15W等要求,比USB4最低雙向傳輸頻寬20Gbps、充電輸出功率7.5W來得高規;Thunderbolt 4搭配長度2公尺以上的傳輸線,仍能維持40Gbps頻寬,USB4則僅要求1公尺以內的距離維持40Gbps,超過就會降到20Gbps。

USB4規格革命性進步 墊高進入門檻

USB4功能跳脫原本USB單純做資料傳輸的升級,對使用者而言,未來一條線就有機會進行資料傳輸、影音傳輸、PCIe、充電等工作,且相容於前幾代USB,需要的話也可相容Thunderbolt 3,便利性大大提升。不過功能越多,也就代表內部的結構比過往更加複雜,所需要的矽智財(IP)也更多,這著實讓元件的設計者傷透腦筋,也同時墊高了主控端(Host)、裝置端(Device)等控制IC設計的門檻。

威鋒打著「全球第一」的口號,在去年(2021)推出Device端的控制IC VL830。VL830採28nm製程,附有5個下行埠(Downstream port)及一個DP 1.4a輸出,和包括在Thunderbolt 4或USB4架構下可同時提供USB及DisplayPort傳輸運行,並相容USB Type-C的DP 替代模式(DisplayPort Alternate Mode)裝置,提供最高兩倍的影像傳輸頻寬,最多支援單一8K 60Hz顯示器和多個USB 3.2 Gen2裝置等功能,去年底已開始供貨。

「架構大改會讓設計變得複雜,」威鋒電子產品中心副總許錦松說,以前USB實體層(Port Physical Layer,PHY)傳輸速度變快,但架構相對沒有太大的更動,USB4不只速度提升,且架構整個大改,高速又會衍生出雜訊干擾等問題,以前的裝置也都要可以全數支援,PHY跟邏輯層要同時提升,才能支應USB4複雜的架構設計,每間公司幾乎都要經歷新一波的成長曲線,其中又以硬體邏輯部分設計變得相當困難。

祥碩產品中心副總莊景涪也直言,「USB4複雜度非常高」,直接連接到外接其他設備或擴充基座(Docking Station),都要能順利進行資料、影像等傳輸。尤其Host端的獨立控制IC,不只技術變難,還有技術累積性的問題,研發、試產(Tape Out)費用要價不斐,還要掌握USB一路發展而來的Know-how,且現在只有前幾代的USB知識加上做到40Gbps,還得做DisplayPort和Tunneling。

「我個人認為很難有其他間做USB4 Host獨立IC的廠商,」莊景涪進一步指出,他們從5Gbps時代就有做Device跟Host,當時Host競爭對手大概是兩隻手的手指數完,Device端更多,到10Gbps的Host競爭對手一隻的手指用不完,繼續到20Gbps就發現Host只剩祥碩,也因此到USB4的高門檻,他覺得很難有其他廠商競爭。

祥碩做為少數掌握Host端控制IC技術的廠商,今年5月特地舉辦USB4產品說明會,由莊景涪上陣揭露其USB4兩款新品,包括Host端IC ASM4242,雙向傳輸速度最高可趨近40Gbps,並同時支援PCIe Gen 4及Thunderbolt 3;另也整合PD控制IC推出ASM2464PD Device端控制IC,也是祥碩首款PD控制IC,已通過第三方專業測試機構完整測試,並取得USB-IF協會認證。

過去兩年多的半導體大缺貨,PD IC是「重災區」之一;著眼USB-PD對USB4的重要性,PD IC的缺貨,可想而知也直接影響到USB4的發展。莊景涪解釋,以前用通道配置(Channel Configuration,CC)接腳就能做,現在因為要供電,就改用USB-PD控制器進行功能確認,因底層傳輸協議眾多,韌體也就需要很多不同設計讓溝通更順暢。

這也是為何祥碩推出ASM 2464PD的原因之一,該產品整合USB轉PCIe、用於驅動外部非揮發性記憶體通訊協定(NVMe) M.2固態硬碟的ASM2362,以及USB介面橋接 (Bridge)控制IC ASM2364等元件的功能。莊景涪言談之中,也相當期待ASM2464PD的後續表現,「它整合以前至少三顆IC的功能,並兼具幫客戶簡化設計,很看好這顆。」

USB-PD IC本就是威鋒的其中一個主要產品線,比如,威鋒即針對今年USB Type C to Type C線纜標準更新,推出E-Maker IC VL153,該IC支援USB-PD 3.1快充標準,同時支持USB4及Thunderbolt4等傳輸協議,並與前一代VL152接腳相容,以便客戶進行產品升級。

獨立IC和整合進CPU 電路設計大有學問

USB4走到高速傳輸,一旦傳輸距離拉長,隨之而來就是可能出現的訊號衰減跟電磁干擾(EMI)等問題,也才會看到如前述USB4,會因應不同傳輸距離提供不同傳輸速度的狀況。如果這樣的距離問題,無法藉由電路設計獲得解決,那就會需要搭配中繼器(Redriver)或重計時器 (Retimer) IC,以確保訊號完整且順利的被傳輸。

莊景涪表示,基於成本考量,多數設計都會盡可能朝控制距離的方向做規劃,但這會因USB4或Thunderbolt 4是用獨立IC還是整合進CPU的設計而有所差異。他所謂整合進CPU的設計,是Intel自2019年起採用的架構,以達到提升成本競爭力等效益;包括Ice Lake、Tiger Lake等近年推出的CPU,Intel都將Thunderbolt 4整合進CPU裡面,AMD近期也要開始量產整合型的CPU。

不過當Thunderbolt 4與CPU整合,CPU擺放位置固定,周邊還有很多動態隨機存取記憶體(DRAM)等元件,空間利用相對受限,莊景涪認為在這樣的情況下,USB又得拉到主機板邊,就很有可能需要Retimer或Redriver;相較起來,獨立IC就比較可以彈性調整位置,但就得另外拉線接到DisplayPort,整合型的CPU則通常有內建繪圖卡,則可以就少做這道工。

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