被苹果M1芯片支持的USB4居然这么强

电子发烧友报道（文/黄山明）USB作为一种传输数据的协议规范，自1996年由USB标准化组织推出了USB1.0版本以来，如今已走过了24个年头，USB也广泛应用在了各种设备当中。而在2019年，USB开发者化组织推出了最新的标准——USB4，这项新技术的出现受到了业内极大地关注。
从USB诞生以后，我们周边基本随处都可以发现使用USB接口的设备，如今随着技术发展，USB协议与我们的生活也结合的也愈发紧密。就在近日，苹果Mac设备中使用的首款Apple Silicon芯片M1，实现了首个支持USB4和ThunderBolt 3的定制主控，并提供了全球首个符合USB4规范的系统。为何苹果首款自主芯片便支持USB4，USB4到底为何如此受厂商青睐？

USB4传输速率可达40Gbps
电子发烧友采访到了新思科技（Synopsys）负责移动通讯、消费类电子产品以及车载芯片解决方案的资深产品市场经理宋晓笛，共同对USB4技术进行深度解读。新思该IP产品团队表示：“USB4是USB3.2后最新一代的标准，其源头技术是由Intel将捐赠给USB开发者论坛的Thunderbolt3（雷电3）协议。简而言之，USB4就是一种简化版的Thunderbolt协议。”USB4技术的推出是为了应对新型应用场景。由于Thunderbolt协议较为封闭，且相关设备比较昂贵，USB4的出现为市场提供了一种成本较低，更为灵活的解决方案。

自USB4推出以来，新思科技已于今年发布了业界首个USB4完整IP解决方案。同时可以看到包括Intel、苹果在内的厂商都发布了支持USB4的计算机平台，消费者预计在今年年底就可以购买到相关产品。
值得一提的是，USB4数据传输速率得到了大幅提升，最高可以达到40Gbps，但如此高的速率对于器件的稳定性及可靠性也提出了新的挑战。对此，新思产品市场表示USB4IP解决方中的40Gbps速率由两条链路组成，每条链路分别提供20Gbps的理论传输速率。新思科技的高速SerDes在业界处于领先地位，高速USBPHY等数模混合IP一直是新思科技的强项。USB4PHY的核心技术已经在USB3.2、PCIe等高速IP上得到了广泛的量产验证。在USB4PHY上所采用的SerDes架构主要面向消费类的应用场景，因此针对功耗和面积等方面做了特定的优化，从而可以为客户的产品提供有竞争力的PPA设计指标。
在PHY的可靠性方面，是新思科技也具有相当的优势。新思科技的USBIP是目前业界量产记录最高的USB解决方案。众所周知，USB接口的工作环境有时会非常复杂，各种机箱电磁兼容性、工作温度和接口线材的影响都会造成链路的插入损耗。尤其是温度因素对PHY接口电路造成的影响更加显著。在USB设备运行过程当中，芯片温度很容易达到75度以上。PHY内部的电路可能由于温度升高而影响其数据传输的稳定性和平均速率。新思科技的接口类IP解决方案在抗干扰性及信号恢复机制上有很好的的技术储备。USBPHY的SerDes内部采用高容忍度信号接收器，可以把信号还原得更加完整，在信号完整性较差的情形下依然能够有效撑开眼图。新思科技USB3.X以及USB4 PHY解决方案针对高温区工况做了特定的优化和设计收敛。经过测试，采用新思科技IP的USB接口在125器件结温下仍然表现出较好的性能体验。

USB4的无限可能
除了传输速率高以外，USB4与USB3.2最大不同点在于其支持隧道化（Tunneling）传输技术。基于这个特性，DisplayPort音视频流、USB3.X/USB 2.0数据，以及PCIe数据可以在同一通道上实现同时传输。而USB 3.2技术则需要与DisplayPortIP进行链路复用集成才可以支持各自独立工作的DisplayPort和USB3.2应用场景。采用了USB4接口以后，客户可以把三种不同类型的设备通过扩展坞同时插接在主机上，从而实现多路多协议的并发数据通讯。
与此同时，在三种设备并行传输数据时，USB4可以对这些交易进行动态带宽分配和QoS管理。例如USB4更加侧重视频应用，因此为了保证显示输出质量，USB4子系统通常会分配给DisplayPort显示数据一半的带宽。如果没有显示数据流，那么USB3.X或是PCIe也可以根据系统调度享有较高的带宽。
这种独特的传输模式也为USB4开拓了广泛的应用场景，比如手机、平板电脑等小型的便携式电子设备可以通过USB4的PCIe隧道化传输外接NVMe高速固态硬盘和AI计算设备，提供不亚于内置PCIe设备高速数据传输效率；超薄笔记本或平板电脑也可以通过USB4连接外置GPU，扩展其图形加速和数据处理能力；而随着手机的性能逐渐比肩笔记本和台式机，我们也可以通过USB4扩展坞将手机与外部大屏幕显示器相连接，通过手机投射的桌面模式完成更加高效便捷的办公、多媒体和社交应用。USB4为我们未来的多屏合一提供了简单易用、性能超群的解决方案。新思科技IP产品市场团队表示，外置PCIe设备的扩展将会是USB4的一个很重要的应用方向，这需要和产业界合作伙伴共同探索新的应用场景与产品形态。我们预计明年将会有部分采用USB4的外置扩展设备首先出现在市场上，给用户提供种高端的产品体验。


在增加众多优秀功能的同时，USB4也保持了良好的向下兼容性，但这也让USB4成为迄今为止最复杂的的标准。USB4要求设计者必须了解USB4、USB 3.2、USB 2.0、USB Type-C接口和USB Power Delivery技术规范，以及PCIe和DisplayPort规范，此外还有与USB4 DisplayPort模式适配的高清内容保护（HDCP）技术。这些兼容性要求和子系统配置集成的复杂度，无疑为开发者带来了困扰和挑战。
对此，新思科技市场产品团队表示，USB4的确堪称史上最复杂的接口类通讯协议。它就类似一个箱子，里面装入了各种规范和模块。但是USB4本质上并非一个从头起草的协议，而是根据用户的产品形态将不同的通讯协议整合在一起，让它们能够协同工作，因此这个过程所带来的验证及设计集成的复杂度不可忽视。新思科技在USB3.X、PCIe和DisplayPort这三个USB4所支持的子领域中，都提供了全球领先的IP解决方案。用户只需要根据其设计规范，通过新思科技的设计工具和子系统集成服务就可以将他们快速简单地集成在USB4的IP框架中。但想要实现USB4解决方案，除了传统方案种的控制器和PHY以外，还需要一种特殊的模块，即USB4路由器（Router）。
USB4路由器是负责支持三种协议进行并发传输的保证，它提供了协议编码、时序管理、流量控制及服务质量保障等功能。因此，USB4 Router也是新思科技在USB4解决方案中最核心的技术。目前为止全球仅有新思推出了便于快速集成、验证的商品化USB4RouterIP。当然我们也注意到一些设计公司也会开发自己的USB4 Router，但他们的设计通常是封闭的解决方案，主要面向自身产品规格的需要。而新思科技所推出的是开放的，高度可配置化的IP解决方案，可以由用户自由选择技术标准和子系统互连结构，实现有既有良好兼容性又具鲜明特色的芯片和整机产品。


新思科技一如既往的还推出了非常完善的IP集成验证开发环境，通过多年积累的验证和测试Know-how帮助客户快速完成产品的IP设计收敛过程。与此同时，新思科技也提供IP子系统集成服务。在得到客户设计规格及要求后，新思科技专业团队可以帮助客户快速生成配置，并且基于客户的应用场景，承担客户SoC级别的集成开发与原型验证工作。为客户节省大量的工程时间和人力开销，并有效降低SoC设计中所隐藏的软硬件协同收敛风险。

USB4能否让Type-C独霸市场？
谈到这个问题时新思IP产品市场团队认为，Type-C技术并不是一种USB专有的标准，其他的协议也可能采用Type-C接口。有意思的是，从USB3.1开始，USB协议便已经采用了Type-C接口，主要是为了支持两条链路动态，实现USB接口正反插的方便性要求。采用Type-C接口的USB3.1性能可以更高，但仍不是强制要求。而到了USB3.2和USB4标准，USBType-C接口就成为了实现20Gpbs双链路高速数据传输的必要手段。同时，其他的高速协议例如DisplayPort和PCIe也可以通过Type-C接口的USB4隧道化传输技术得到通用化的支持。
除了高速传输，Type-C也具备最高100W的供电能力。而且它的接口尺寸小，牢固可靠，可以正反插接，良好地解决了传统USBType-A/B接口的痛点。如今市场上也有越来越多的厂商选择使用Type-C技术，随着Type-C接口的渗透率进一步提升，用户也期待未来可以只采用一种线缆便可以连接所有设备。USB4协议的种种优势，也将随着USB4的应用场景的演化发展，逐步显现出来。
但在中短期来看，Type-C并不会取代其他类型的传统USB接口。而且市场中也存在大量的存量设备，这些设备广泛使用USBLegacy-A、Micro-B等接口。旧协议的线缆在短时间内很难淘汰，多种协议共存的局面将长期存在。尤其是在显示输出方面，今年英伟达发布的3090显卡，并没有采用Type-C接口；而索尼所发布的PS5主机，显示输出部分仍主要采用HDMI线连接。对于DisplayPort显示输出的需求，并不是所有的厂商都会选择支持Type-C接口。产品应用场景和技术生态环境都是决定Type-C接口能否普及的关键因素。
业界对Type-C有很高的期望，宋晓笛在访谈中表示，从设备厂商角度来看，例如显卡，对于显示输出是有刚性需求的。但在传统桌面级PC应用场景，需要考虑到既有兼容性的问题。市场中存在大量采用方形DP接口的显示器，如果不使用DP接口，就意味着放弃支持这些老设备。同时支持两种接口，则意味着额外的成本和整机尺寸。在某些传统场景中，显示器上的DP接口在功能上与Type-C有所重叠，同时从成本及市场细分角度来看，使用DP接口已经足够了。至于游戏主机等设备，其主要应用场景在于连接大屏幕电视进行图像音频输出。在这些特定领域中，HDMI的重要性一定长期存在。因此，从功能性上看DP与HDMI存在一定的交叉，但两者各有所长。HDMI偏向多媒体、消费和娱乐，而DP更偏向于PC和移动设备扩展应用场景，二者在未来也将长期互补共存。

USB4的未来

随着英特尔、苹果等厂商都将在近期推出支持USB4的产品，大家可以藉此一窥USB4技术的端倪。新思IP产品市场团队表示，USB4从2019年推出第一版协议标准到现在已有超过一年的时间，一项新技术的普及需要整个产业链的配合与推动。USB4的生态环境会首先在中高端市场形成，只有市场中存在足够多的相关产品，才会创造出广阔的用户基础和更复杂的需求，更多开发者才会跟进拓展新的应用场景。
同时USB4产品市场经理也认为，与市场中其他接口相比，USB4相对新颖。因为这个协议更多会以PCIe设备或高端显示输出设备为切入点，如高性能的多功能扩展坞、大容量移动存储设备等，并逐步带动相关市场的发展。当然，过去的USB协议也不会消亡，市场中仍然会存在许多采用传统USB标准的设备，如U盘、WiFi适配器、摄像头以及鼠标、键盘等，每个阶段的USB标准都会有自己适合的应用场景。
产品经理宋晓笛介绍到，目前USB4标准的发展并没有停步。USB标准组织正在其所支持的DisplayPort协议上设计80Gbps数据吞吐量的更高速版本，从而可以支持更高分辨率的视频传输和多屏协同等复杂应用场景。如今的这个版本只是起点，未来也许还将会看到更快的传输速率，以及支持更多类型设备的传输协议。
可能有许多人都在思考一个问题，如今5G以及Wi-Fi技术飞速发展，是否未来可以取代有线数据传输呢？宋晓笛的观点是，这的确是目前一些应用场景中正在发生的事情。WIFI-6和5G有能力达到10Gpbs或20Gbps的理论速率。但面对40G或者80Gbps的更高速率传输需求时，采用无线传输的成本将是非常高的，同时这也需要无线通讯算法和先进射频器件的引入。电磁辐射、功耗以及传输的可靠性及稳定性都将是一个又一个的挑战。因此想要实现20G甚至是40G以上的高效率传输，采用基于电缆的USB 3.2和USB4技术仍是低成本的最优手段。


总体而言，USB4还是一个体系化的协议规范，因此对于解决方案来讲，并非只是提供一两个IP就可以解决用户的问题。在过去，如USB3.X可以长时间使用同一个软硬件架构，但USB4更加复杂，每种应用场景都需要在IP解决方案的层面上进行定制与开发。因此对IP厂商的能力已不仅仅停留在一个控制器或PHY这个层面，更多的是对其软硬件协同设计验证综合能力的要求，以解决方案为中心的理念将是未来IP产品的关键竞争力。目前来看，新思科技推出的USB4解决方案已经可以支持客户开展USB4产品的开发设计。随着技术和应用的不断发展，新思科技也会持续推出新的技术组件及解决方案，更好地满足客户对开发USB4产品的需求。让我们一起努力，让明天更有新思！

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