一根數據線走天下，USB4全力加速下一代芯片創新

原創新思科技 2022-05-16 17:05

一杯咖啡的時間，搞懂行波測距新趨勢 汽車電子架構重構與智能連接革命

你最近入手過U盤嗎？你有注意過自己買的是USB2.0、3.0、3.2還是4嗎？你知道我們常說的USB究竟指什么嗎？

USB其實是在不同設備之間實現數據傳輸的關鍵技術，它是一種傳輸數據的協議規范，也是一種接口技術規范。可以說USB改變了我們連接和使用計算機，以及各種外部設備（例如顯示器、存儲設備、音頻和視頻輸入設備等）的方式。

最早的USB1.0 問世于上世紀90年代初，它主要規范了打印機、鍵盤、鼠標等設備與個人電腦之間的連接方式。USB1.0的連接速度相當慢，大約是1.5MB/s或12MB/s，而最新的USB4的連接速度則高達40GB/s，也就是說傳輸10GB的文件理論上來說僅需4秒，這個速度是USB3.2的兩倍。

與之前幾代USB相比，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備并為其充電。如果你的手機、電腦、顯示器、打印機等設備都支持USB4，那么理論上你只需要一根支持USB4的數據線，就可以在設備之間進行連接，居家辦公也會因此方便很多，再也不需要買各種接口的轉換線了，因此USB4可以讓我們的工作模式更加豐富和便捷。此外，USB4的另一個厲害之處還在于它有望應用于支持人工智能計算的邊緣設備中。

對于芯片開發者來說，USB4意味著更高的復雜性，因為芯片設計也要與時俱進，必須要滿足最新的標準規范。接下來我們將主要介紹USB4與USB3.2的區別，以及芯片開發者要如何在下一代芯片設計中部署USB4。

USB4 v.s. USB3.2

USB4和USB3.2使用的都是Type-C接口，但USB4卻要復雜得多。USB4支持通過同一個Type-C接口，在同一個鏈路上，同時進行主機至主機、PCI Express? （PCIe?）、DisplayPort音頻/視頻和USB數據的傳輸。兩個USB4主機可通過主機至主機隧道傳輸交換IP數據包；DisplayPort和USB隧道傳輸意味著音頻、視頻、數據和電源可通過同一個接口傳送，速度比使用USB3.2時快很多。此外，PCIe隧道傳輸可提供高帶寬、低延遲，能夠實現高吞吐量的大容量存儲、邊緣人工智能和其他多種用例。

USB4將兩個傳輸和接收通道整合為一個USB-C接口，速率可達20 Gbps和40 Gbps，每個通道數據速率可達約10 Gbps或 20 Gbps。對芯片開發者來說，這一數據非常重要，他們需要知道：Thunderbolt3模式在每個傳輸和接收通道上的數據速率為10.3125 Gbps或20.625 Gbps。在傳統USB模式中，只有一個傳輸/接收通道在5 Gbps（USB3.0）或 10 Gbps（USB3.1）的速率下運行，USB3.2的兩個通道都在10 Gbps的速率下運行。

新思科技助力芯片開發者們

加速部署USB4

如果要在今后的SoC設計中采用USB4，芯片開發者必須要了解USB4這一規范的復雜性，同時還要了解USB3.2、USB2.0、USB Type-C 和 USB Power Delivery，以及PCIe、DisplayPort和高分辨率內容保護（HDCP）規范。

新思科技可提供包括主機、集線器、擴展塢和設備等一系列構建模塊，用于設計USB4產品。這些組件的基本架構如下：

USB4主機：包含主機接口、DisplayPort源設備和增強型SuperSpeed USB主機控制器，可在USB4模式下連接到主機路由器。根據USB4規范，PCIe Root Complex 控制器是可選的，但所有當前的USB4主機都支持PCIe隧道傳輸。USB4主機還必須支持傳統的USB和DisplayPort Alternate模式，這樣可確保后向兼容現有的USB 和 DisplayPort Alt Mode外部設備。

USB4集線器：包含一個上行端口（UFP）以及一個或多個下行端口（DFP）符合 USB4規范。單個上行端口有助于為開發者降低復雜性，也可為用戶減少混亂。需要注意的是，USB4集線器既包括傳統的USB集線器，又包括PCIe交換機和USB4 設備路由器，因此遠比USB3.2或USB2.0集線器復雜。

USB4擴展塢：也有一個上行端口和一個或多個下行端口。相比USB4集線器，USB4擴展塢還具備多項集成功能，例如以太網適配器、USB音頻功能、與傳統 DisplayPort相連接的DisplayPort輸出，以及用于USB鍵盤、鼠標、存儲設備、攝像頭等外設的傳統接口。

USB4設備（比如U盤）是最簡單的USB4產品。它有一個USB4上行端口，而沒有 USB4下行端口。因此，它代表USB4系統的端點，不連接其他的USB4集線器、擴展塢或設備。但是，需要的功能越多，它必然會變得越復雜。（如移動硬盤需接外外部顯卡盒子）

USB4：引領下一代芯片創新

2020年4月，IEEE發表的帶寬評估報告預測了2022年的互聯網用戶數量以及設備數量，并與2017年的數據進行了比較：

全球互聯網用戶量：

? ? ?34億（2017）?→? 48億（2022）

連接設備量：

? ? ?180億（2017）?→?? 285億（2022）

每月人均使用數據量：

? ? ?29%（2017）→? 85%（2022）

近幾年，遠程學習和辦公的頻率大幅增加，也推動了這幾項數據的增長。而更加順暢的上網課和居家辦公需要更快的數據網絡和更高的設備接口速度，USB4的誕生恰逢其時，滿足了新的學習和工作模式對于數據和接口速度的需求。

無論是現實應用的升級還是工作學習模式的轉換，都需要芯片加持。在芯片設計中將接口規范升級為USB4，并確保所有系統組件能夠協同工作，對于芯片開發者來說是個非常艱巨的任務。

新思科技推出了完整的USB4解決方案DesignWare? USB4 IP，可以確保USB4能夠達到甚至超過預期，以幫助客戶加快產品上市速度。DesignWare USB4 IP解決方案支持所有符合USB4規范的應用，包括物理層（PHY）、路由器、控制器和驗證IP，并支持5nm和6nm工藝制程。當USB4升級到下一代時，新思科技的USB4 IP解決方案將支持更多主流制程，如12nm，也就是幾乎所有的USB4外部設備。

USB4，支持高達40Gbps的高傳輸速率、向后兼容、一根線連接所有設備、加速創新！USB4必將成為先進SoC和外設類型ASIC設計流程不可或缺的一部分。