USB4

USB4和Thunderbolt 4(雷电4)是下一代接口技术,在很多方面都很相似,比如两者都使用了Type-C接口,都能实现高达40Gbps的数据传输速度,都可以提供足够的电力给笔记本电脑充电,并且还能驱动外部显示器。配备USB4和/或Thunderbolt 4的设备正相继上市,下面我们就一起看看如何才能将它们区分开来。

USB4:下一代高性能USB标准

通用串行总线(USB)技术已经存在了24年,USB4是USB标准的最新版本,最高支持40Gbps的传输速度,这一数值是先前USB 3.2版本的两倍。即使是速度较低(20Gbps)的USB4版本,也将提供比大多数USB 3.2更快的传输速度。

如果说早期版本的USB分别采用了USB Type-A、micro USB等连接器作为接口,那么除了更大的带宽外,USB4与这些版本的最大不同之处就是它采用了标准的USB Type-C连接器。Type-C不仅外形小巧,还没有正反方向区别,可以随意插拔,这也是它非常受欢迎的重要原因。

此外,USB4还可以比以前的USB版本更灵活地传输文件和视频数据并对其进行优先级排序。USB4在物理端口上提供了与PC原来所用数据接口的向后兼容性,包括Thunderbolt 3、USB 3.2和USB 2.0设备。

USB4之所以能成为现实,部分原因要归功于英特尔基本上放弃了其Thunderbolt 3在没有许可证的情况下使用的权利。USB4是USB-IF命名的下一代高性能USB标准,它采用了Thunderbolt 3技术,这意味着一些USB4产品可能具备Thunderbolt 3提供的所有功能,包括使用一根电缆为电脑供电、将视频输出传送到显示器以及传输数据等。

与以前的USB版本相比,USB4主要有四个优点,具体如下:

  • 最大40Gbps的传输速度:通过使用双通道电缆,USB4接口能够以高达40Gbps的速度传输数据。这一性能与Thunderbolt 3相同。
  • 在视频和数据之间共享带宽。USB4规范的很大一部分是协议隧道,即在通过同一连接发送视频和数据时动态调整可用资源量的能力。在带宽允许的情况下,可同时发送DisplayPort、PCIe和USB数据包。因此,如果视频只需要20%的带宽来驱动1080p显示器,那么空余出来的80%带宽就可以用于从外部SSD传输文件,也就是说SSD可以在USB4或PCIe两种模式下工作。
  • USB4主机支持USB PD标准。虽然并非所有设备都支持,但目前已经有一些USB4设备支持USB PD标准,前提是每个USB4设备和主机都必须符合USB PD规范。
  • 后向兼容。USB4能与USB3和USB2等原有的设备和端口配合使用。不过,如果将USB4设备连接到USB 3端口时,它将无法以40Gbps的速度传输。原有的USB3和USB2端口也不会因为将其连接到全新的USB4驱动器上而突然变得更快。谈到与Thunderbolt 3设备的兼容性,只能说不是所有的USB4都能与Thunderbolt 3设备完全兼容,还要看协议层是否一致。

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图1:JAE USB Type-C DX07系列连接器(图源:JAE)

高速率下必然存在信号完整性(SI)的要求,USB4也不例外。因此,USB4在实际使用时需要配备全新和改进的连接器和电缆。为了在USB4 40Gbps设备中使用,Type-C连接器必须满足单个连接器的规范性或强制性信号完整性要求。过去,Type-C连接器不需要SI测试就能获得认证。现在,为了获得USB4 40Gbps认证,这些Type-C连接器就必须通过SI的标准要求。比如,JAE的USB Type-C DX07系列插座连接器,就已经获得USB4 40Gbps认证。

Thunderbolt 4:面向未来的英特尔最新连接标准

Thunderbolt接口在过去十年中一直是笔记本电脑中速度最快、功能最丰富的端口,最初是在2011年的MacBook Pro上推出,并且是专为MacBook Pro开发的。它的用途始终是作为高带宽端口,同时也是多个外围设备的单一连接点。十年后,Thunderbolt接口已成为英特尔(Intel)笔记本电脑产品的突出特点。在2015年,当Thunderbolt 3发布时,这个端口在Windows电脑上开始被广泛采用。

Thunderbolt 4是英特尔连接标准的最新版本,传输速度高达40Gbps。此外,Thunderbolt 4还支持双4K显示器,并且继续为USB集线器提供Thunderbolt备用模式。基本上,通过这个单一端口,就可以连接外部显示器,同时为笔记本电脑充电(或快速充电),或者连接多个外围设备,充分发挥40Gbps带宽的作用。

Thunderbolt是英特尔和Apple公司开发的技术品牌,于2011年首次亮相,第4版于2020年下半年发布。为了使用Thunderbolt 4品牌,设备和配件制造商需要向英特尔支付许可费,并获得英特尔的认证。虽然Thunderbolt 3最初也有类似的限制,但英特尔最终将该协议贡献给了USB Promoter group,这也是为什么在前文中我们提到USB4之所以能够诞生并拥有许多以前仅通过Thunderbolt 3才能获取的功能,最终要感谢英特尔的原因。

现在,Thunderbolt 4将接替Thunderbolt 3,包括对新USB4规范、DisplayPort 1.2和PCIe的支持。Thunderbolt 4还与几乎所有其他产品兼容,包括所有Thunderbolt版本(具有适用于Thunderbolt和Thunderbolt 2的适当适配器)和USB。

事实上,Thunderbolt 4并不会比Thunderbolt 3快多少,两者的最高速度都是40Gbps。但Thunderbolt 4将带来一些全新的功能,旨在为更多使用场景带来更好的安全性和支持。从英特尔公布的信息看,为了获得Thunderbolt 4认证,设备将需要满足一组最低要求,这将使它们区别于其他标准。

二者的区别在于:

Thunderbolt 4现在至少支持两个60Hz的4K显示器或一个30Hz的8K显示器; Thunderbolt 3可以通过正确的设置处理双4K显示器,但它只需要支持至少一个4K显示器就可以通过认证。

此外,Thunderbolt 4在视频支持、PCIe带宽等方面提出了一系列新的最低性能要求,比如,所需PCIe带宽需增加一倍,即将从Thunderbolt 3的16Gbps提升到32Gbps。

第一批采用Thunderbolt 4技术的计算机中有一些是采用第11代英特尔酷睿“Tiger Lake”处理器的笔记本电脑,因为这些芯片集成了Thunderbolt 4控制器。

USB4和Thunderbolt 4有何不同?

虽然两个标准都标称峰值带宽为40Gbps,但对于Thunderbolt 4来说,这是一个最低要求。而对于USB4来说,最低规格实际上是20Gbs。也就是说,不是每个USB4接口都支持40Gbps传输,一些USB4产品的最高速度仅为20Gbps。USB4实际上有四个不同的版本,目前我们主要看到的是这样两个版本:USB4 Gen 2x2和USB4 Gen 2x3。它们的品牌名称分别为USB4 20Gbps和USB4 40Gbps。

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图2:不同的USB4版本及Logo(图源:USB-IF)

Thunderbolt 4和USB4之间的另一个关键区别是,英特尔认证所有Thunderbolt附件,而与USB4兼容的配件不会经过任何此类过程。对于视频传输,USB4上的最低规格也非常低,PCIe也是可选的,因而不同机器的USB4端口性能会有很大不同。而Thunderbolt 4可支持完整的两个4K显示器(两个DP1.4流)以及完整的四个PCIe Gen 3通道,因而对所有设备而言,Thunderbolt 4提供的性能是一致的。

在功耗上,由于USB4最低只需要达到20Gbps,并且没有规定最低显示分辨率,因此功耗相对较低。正常情况下,USB4的功率要求最低为7.5W,而Thunderbolt 4则需保证15W。

表1概述了Thunderbolt 4和USB4(使用DisplayPort技术)之间的一些差异:

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表1:Thunderbolt 4和USB4之间的主要差别

从使用成本上看,Thunderbolt长期以来一直是英特尔协议,它需要使用专用芯片并向英特尔支付版税,这意味着Thunderbolt不可能像USB那样被普遍使用,而是只能在高端电脑中才会出现。现在,貌似英特尔l逐渐改变了其市场策略,在最新的Thunderbolt行动中,向部分芯片制造商开放了Thunderbolt。

走向融合:下一代连接技术发展趋势

USB4的问世将带来一系列好处,包括更快的传输速度、更好的视频带宽管理以及与Thunderbolt 3/4的可选兼容性。

在接口方面,USB4和Thunderbolt 3/4都使用相同的物理连接器USB Type-C(也称为USB-C),接口的一致性也为两种技术的融合发展奠定了物理基础。

英特尔此前已经宣布将Thunderbolt 3协议授予USB Promotor Group,允许具有USB 4端口的设备与Thunderbolt 3设备兼容,并将USB 4设备连接到Thunderbolt 3上。这是行业内的一个好消息,尤其是想要通过连接eGPU(外部图形卡)玩游戏的笔记本电脑用户。

除了与英特尔合作将Thunderbolt 3规范添加到USB4之外,USB-IF还与视频电子标准协会(VESA)合作,为USB4增加了显示功能。USB4规范的相关部分是对DisplayPort Alt Mode 2.0的支持,这为高分辨率显示器的供电提供了巨大的支持。

然而理想很丰满,现实很骨感。尽管市场上有很多Thunderbolt 3 eGPU,但很少有笔记本电脑和台式机配备Thunderbolt 3,而且几乎没有任何主板支持Thunderbolt 3的开箱即用。因为Thunderbolt是英特尔的标准,所以在任何AMD驱动的计算机上都找不到它。另外,因为不是开放标准,需要额外的芯片,所以Thunderbolt 3的实现成本也高于标准USB4。今天,假如你想要一个eGPU或者一个超级高速的Thunderbolt 3存储驱动器,现实情况是,你对电脑的选择是非常有限的。

有了USB4,设备和主机制造商可以省去许可费这笔钱,降低了使用成本,大规模采用的可能性大大提高。当然这里也有一个潜在的问题:与Thunderbolt3的兼容性不是USB4规范的必需部分,所以制造商可以不必实现它。也就是说,即便你买了一台带有USB4的笔记本电脑,仍然可能会发现它不能与你的RazerCoreX图形卡一起工作。

结语

USB4和Thunderbolt 4这两种标准实际上并不存在竞争关系。Thunderbolt 4可以看作是带有所有配件的USB4。随着USB 4的出现,Thunderbolt 4很快也会进入市场。要将计算机或外围设备认证为Thunderbolt 4,制造商必须获得英特尔的认证,证明其能够支持USB4的所有功能,包括对Thunderbolt 3支持。

从理论上讲,没有什么能阻止USB4设备和配件制造商采用与Thunderbolt 3/4大部分相同的技术。如果这样做的话,他们可以在许可和测试费用上节省一笔费用。这样看下来,2021年有望出现一个以USB4为特色的设备更新潮,毕竟USB4拥有超越以往的数据传输速度,在设备兼容性和通过端口充电方面也增加了新的功能。

当然,现在就下断言说USB4马上进入大规模商用还为时过早。虽说免了使用许可费,但大规模采用USB4目前还是有障碍的,其中最大的障碍就是成本。虽然我们不知道PC和设备供应商添加USB4接口需要多少成本,但有一点应该是肯定的:即它需要比当前最新的标准USB 3.2更昂贵的组件。

来源: 贸泽电子
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成功流片的5nm DesignWare USB4 PHY测试芯片可以降低支持40Gbps USB规格的SOC开发风险,加快芯片上市时间。

  • 由控制器、路由器、PHY和验证IP组成的DesignWare USB4 IP解决方案支持USB4规范中的所有功能
  • 通过C型USB连接器和数据线,支持USB4、具有HDCP 2.3安全协议的DisplayPort、PCI Express和Thunderbolt 3连接协议
  • 新的USB4路由器IP可传输USB、PCIe和DisplayPort协议数据,同时优化了带宽
  • 高达20或40 Gbps的吞吐量为高性能边缘AI、存储、PC和平板电脑芯片设计提供了所需的带宽

新思科技今天宣布推出业界首款完整的DesignWare® USB4™ IP 解决方案,该解决方案由控制器、路由器、PHY和验证IP组成。DesignWare USB4 IP的最高传输速度为40 Gbps,是USB3.2的最高数据传输率的两倍,并可向下兼容USB 3.x和USB2.0系统。DesignWare USB4 IP支持多个高速接口协议,包括USB4、DisplayPort 1.4a TX、PCI Express和Thunderbolt 3,通过一根USB Type-C®数据线即可实现高效的数据传输、高清视频传输,还可以提供电源。

新思科技已在先进的5nm FinFET工艺中成功实现了其USB4 IP的测试芯片流片,证明了该IP在不同范围工艺、电压和温度下的稳定性。新的DesignWare USB4 IP旨在满足各种存储、PC和平板电脑芯片设计的功能、电源、性能和尺寸要求,并可在边缘设备上实现人工智能(AI)应用的软件开发调试和轻松部署。近20年来,新思科技一直是领先的USB IP供应商,通过采用新思科技的解决方案,设计人员能够更加轻松地将USB4功能集成到芯片中,同时降低相关风险。

DesignWare USB4路由器IP构建了所有支持协议之间的有效连接,并与USB4控制器IP一起进行了数百万个CPU模拟小时仿真的预先验证,确保长期运行下的性能和互操作性。DesignWare USB4 PHY IP支持所有所需协议,芯片占用面积约为独立协议PHY的三分之一,并提供高效的电源配置文件。新思科技的USB4验证IP解决方案包括内置覆盖率、协议检验器、用于主机和设备路由器拓扑的Verdi®协议感知调试技术,以及用于USB、PCI Express和DisplayPort隧道协议验证的复杂源代码测试套件,加快完成验证收敛。

USB-IF总裁兼首席运营官Jeff Ravencraft表示:“20多年来,新思科技一直是USB开发者论坛(USB-IF)的活跃成员,帮助推进USB规格,并开发采用最新USB技术,且可以简化集成的IP产品。首批USB4产品预计将在2020年底推出,可集成的USB4 IP的早期可用版本对帮助设计者将USB4接口合并到他们的soc中至关重要新思科技继续为业界提供支持,帮助设计师确保与全球数十亿usb设备的互操作性和连接性”

新思科技IP营销与战略高级副总裁John Koeter称:“新思科技在每一代广泛使用的标准接口,例如USB上,一直处于提供高质量、完整IP解决方案的前沿。基于数十亿颗带有新思科技USB IP的SoC的量产记录以及我们长期跟踪记录的技术专长,通过提供一个完整的USB4 IP解决方案,公司使设计者能够加速集成高性能USB4功能到他们的SoCs,显著降低风险。”

上市和资源

由PHY、设备路由器、控制器和Synopsys Verification IP组成的DesignWare USB4解决方案现已面向主要客户推出。

Synopsys DesignWare IP核简介

新思科技是面向芯片设计提供高质量硅验证IP核解决方案的领先供应商。DesignWare IP核组合包括逻辑库、嵌入式存储器、嵌入式测试、模拟IP、有线和无线接口IP、安全IP、嵌入式处理器和子系统。为了加速原型设计、软件开发以及将IP整合进芯片,新思科技IP Accelerated计划提供IP原型设计套件、IP软件开发套件和IP子系统。新思科技对IP核质量的广泛投资、全面的技术支持以及强大的IP开发方法使设计人员能够降低整合风险,并加快上市时间。垂询Synopsys DesignWare IP核详情,请访问https://www.synopsys.com/designware-ip/ 。

新思科技简介

新思科技(Synopsys, Inc. , 纳斯达克股票代码:SNPS)是众多创新型公司的 Silicon to Software™(“芯片到软件”)合作伙伴,这些公司致力于开发我们日常所依赖的电子产品和软件应用。作为全球第 15 大软件公司,新思科技长期以来一直是电子设计自动化(EDA)和半导体IP领域的全球领导者,并且在软件安全和质量解决方案方面也发挥着越来越大的领导作用。无论您是创建高级半导体的片上系统(SoC)设计人员,还是编写需要最高安全性和质量的应用程序的软件开发人员,新思科技都能够提供您所需要的解决方案,帮助您推出创新性的、高质量的、安全的产品。有关更多信息,请访问 https://www.synopsys.com

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