趕上宅經濟新常態 USB4高速介面年底進入量產

2020-08-27
COVID-19疫情帶動宅經濟(如宅娛樂、宅辦公)趨勢成形。而為了因應這波商業模式的轉型,USB4介面產品也即將於2020年底面世,應援遠距辦公的場景塑造,同時促進4K/8K的顯示螢幕發展,讓在家也能享受良好的影音娛樂饗宴。

 

在宅經濟的浪潮下,加速家庭與工作環境數位轉型的步伐,對於軟體工程師、影音內容產製者而言,筆電支援兩個4K螢幕的需求與日俱增,而USB4或Thunderbolt 4這種類型的高速介面需求角色也愈趨重要。

影音串流/居家工作風潮起

恩智浦大中華區資深產品行銷經理張錫亮(圖1)分析,許多人必須在家工作,或者不允許旅行,使其在家的時間更長,因此更需要使用互聯網通過視訊電話會議與客戶、朋友和家人進行溝通,進一步帶動高速介面的市場需求,根據市場消息指出,今年年底將看到支援USB4的終端裝置登場。恩智浦認為第一個有影響力的關鍵驅動力使此標準開始流行將是筆電或PC,目前看來,多數知名品牌的筆電/PC新產品都規畫採用USB4。

圖1  恩智浦大中華區資深產品行銷經理張錫亮指出搭載USB4的裝置可望於今年底亮相,而筆電將是首波面世的產品。

此外,在這波疫情的驅動下,影音串流服務也隨之而興,可看到Netflix會員數量暴增,使消費者對於大螢幕、4K、8K顯示的需求增溫,以打造舒服的觀看體驗。根據研究顯示,雖然遠距上班可以減少通車時間,但卻增加看影片的時間。在美國通常通勤大多為2~3小時,許多人就將這些時間用來觀看影片。

此外,8K超高畫質進行轉播是2020東京奧運的重頭戲,即便因疫情關係延期一年舉辦,但東奧就像一塊敲門磚,原定計畫就是敲開8K的市場。播放裝置如電視及螢幕等目前已經就定位,雖然暫時缺乏主要的8K訊號來源,但不乏有消息指出產品預計支援8K的超高畫質,因此推斷8K仍會是未來高階影音內容的主流。2020 CES上,8K電視成為展示的重點,三星(Samsung)、LG、索尼(Sony)、TCL及夏普(Sharp)都參展並發表旗下旗艦的高階電視。而新冠疫情雖使得東奧延期舉行,但發展並沒有因此中斷,8K的影音內容尚未開播,但反而有更多的時間使得技術開發得更趨完整。

值得特別關注的是2020聖誕節即將開始銷售的PS5,普遍被認為會是第一個支援8K訊號輸出的主機。由此可知,2020下半年到2021的年初將會是非常值得期待的。

此波疫情的影響,加速各產業數位轉型的步伐。工業自動化的發展下,現場作業員逐漸減少,對於身歷其境的現場工作體驗與需求增加,使VR/AR的應用受到重視,然而VR/AR需要更大的頻寬,以VR眼鏡來說,單眼就需要超過4K的頻寬,雙眼所需的頻寬就更不在話下,也因此USB4高速介面的快速導入勢在必行。

事實上,英特爾(Intel)早已於日前宣布Tiger Lake將支援Thuderbolt 4,並且完整相容於USB4。UL預估,USB4會被大量應用在主機類及電腦周邊產品,家電及智慧手機上的需求應是在快速充電及一般的資料傳輸,因此必須用到USB4技術規格的可能性不高。而USB-C的多工也使得主機類產品設計可以更加輕薄,且具有高度整合的特性,因此在主機類產品上,可以預見的是USB4的完整技術展現。

威鋒產品中心副總經理許錦松(圖2)認為,只要主機端的晶片組方案到位,使用者就會無痛升級。在顯示器端可明顯看到螢幕變大的同時,影像解析度也會更高,4K與8K影像的呈現,對於消費者來說是明顯的感官體驗升級。

圖2  威鋒產品中心副總經理許錦松認為USB4主晶片的廠商推出晶片後,預期原先搭載USB 3或以前的傳輸介面都會無痛升級成最新方案。

另一方面,貿聯技術行銷部副總經理蔡國仰表示,從Device端的角度而言,在主機端的產品發布後,擴充基座(Docking Station)將是USB4最受歡迎的方案,其優勢在於使用的方便性,許多人不喜歡一直重複插拔的動作,而Docking Station恰好解決這項麻煩;其次,下一個USB4出現的產品有可能是支援USB4的SSD。

Thunderbolt 4認證要求更嚴苛

另一個引人注目的標準為Thunderbolt 4。Thunderbolt 4產品類型則是延續Thunderbolt 3現有產品。Thunderbolt 4建立在Thunderbolt 3的創新之上,可真正提供通用傳輸線連接的體驗。Thunderbolt 4可提供40Gbps的頻寬,並透過單一連接線提供資料、影像和電源的傳輸,為最全面的Thunderbolt規格,並且符合最廣泛的產業標準規格,包括USB4、DisplayPort和PCIe在內,同時與上一代Thunderbolt和USB產品完全相容。

英特爾電腦通訊事業群產品經理盧進忠表示,Thunderbolt 3還有一些項目非強制,舉例來說,在規範上定義需要支援40Gbps的傳輸效率,但認證測試上廠商僅需要滿足20Gbps即可;再者,Thunderbolt 3在規格上要求必須能支援兩個外接螢幕,但由於OEM廠商在當時並無明顯需要外接雙螢幕顯示的需求,加上如要支援兩個外接螢幕,則須經過多個驗證,且系統頻寬也有較不足夠的問題,故在認證上,並無硬性規定必須支援雙螢幕顯示。

相比之下,Thunderbolt 4在影像上,必須支援兩個4K螢幕或一個8K螢幕,資料傳輸上則需支援32Gbps的PCIe,讀取高速硬碟速度高達3,000MB/s。此外,於電腦連接埠上提供電腦充電功能,連接到Thunderbolt擴充底座時,可透過觸動鍵盤或滑鼠將電腦從休眠中喚醒;再者,支援最多具有四個Thunderbolt 4連結埠的擴充底座。

整體而言,Thunderbolt 3和Thunderbolt 4在規格上的差異不算太大,只是在認證上有比較嚴格的規範(表1)。

UL表示,以往在USB-IF規格推出後,會歷經測試規範開發、控制晶片驗證、最後才是支援規格的產品,USB4也不例外,2019年規格底定後,USB-IF的Working Group也加緊腳步開發測試規範,並預計於2020年底完成測試規範的開發,2020第四季也預計會有第一個支援USB4的控制晶片推出,而支援USB4的產品也就預計在2021上半年問市。

一般普遍認為USB4等同於Thunderbolt 3,雖從技術規格來說相當接近,且USB4已知可選擇支援Thunderbolt 3,因此,估計USB4的主機類產品推出後,不會沒有周邊裝置可以搭配使用。

傳統USB商挑戰大 USB4測試複雜度升級

USB4有別於過去USB的標準,除了傳輸速度增加之外,同時還支援多種協定,不僅墊高測試複雜度與難度,同時也讓相容性問題愈趨嚴重。

・多協定

威鋒產品中心副總經理許錦松表示,USB4所支援的協定增加,打破過去USB的數據傳輸和DP分開進行的傳統,USB不再只是通過數據傳輸要求,就能通過認證標準。現在的USB4同時增加DP、USB、PCIe與Thunderbolt等四個協定,須認證的規格越多就越複雜,連帶測試時程也受到影響。

許錦松指出,通訊協定的規格增加,墊高了設計與認證的複雜度。但威鋒認為Intel之前已有了Thunderbolt測試經驗,因此USB-IF可借鏡此經驗設計相關的測試規範、流程與工具。不過,USB4畢竟是新的規範,也與過往的USB設計截然不同,包括威鋒在內,都須重新調整步伐因應全新的USB發展,基本上大多數的廠商是憑藉過去的經驗著手布局。

值得慶幸的是,威鋒母公司威盛集團過去有設計晶片組的經驗,因此威鋒除了USB之外,還具備包含PCIe、DP的設計經驗,故技術支援度相對比較完整,也是相較於其他傳統USB廠商較有優勢的一點。

許錦松談到,由於每個協定都有自己的規範,所以在測試上就需要逐個將不同規範拿出來一一測試。假設一個USB晶片,上行接口為USB4 Device,下行接口可能是DP、USB、PCIe,就都要符合各自規範與測試時,滿足不同規格上面的測試程式條件。

・高速傳輸

高速介面認證並非所有USB廠商都能輕鬆駕馭,因為高速傳輸介面需要先進的製程,投資金額相對要很高,不見得每家公司都有足夠的研發費用能投入。相比於USB 3 Gen2,USB4所須花費的製程開發費用多出好幾倍。此外,由於須支援多種不同協定,因此投入的人力成本也就會增加許多,這兩個原因是導致開發成本大量暴增的原因。

以光罩來說,可分為樣品光罩,也就是跟其它開發者共用光罩,成本較低;但等到真正量產就不能共用光罩,此量產的光罩就會很貴。一顆7奈米的晶片,最少需要花費30億台幣的費用,可以投入這麼多成本,只為了開一顆晶片的公司不會太多。

當然USB4不需要用到7奈米晶片,但它相比於過去USB 3的費用還是高昂很多。

・相容性

相容性問題通常來自於部分廠商推出不符合USB-IF規定的產品,或是Intel或AMD提供的晶片組更改韌體或硬體規範,才有可能導致裝置間不相容的問題。如果業者都依照USB-IF規範,不相容的問題就可能不復存在。

許錦松分析,要與舊的裝置相容,如果沒有至少五年的磨合,非常難以實現。因為這樣的不相容狀況,在規格上找不到解方,也由此可見,USB商越來越少。威鋒一路走來面臨到大小不一的相容性問題,且擁有大量韌體工程師,專門處理客戶問題,讓裝置端與集線器端能不受相容問題所困,包含蘋果(Apple)、三星與聯想都是威鋒的客戶之一。

除了在傳輸技術與協定制定的升級之外,作為USB4的唯一接口USB-C的發展後勢更是值得關注。可看到Apple推出搭載USB-C接口的Macbook後,USB-C的滲透率逐年攀升。

影音/電力/安全值得關注

UL表示,USB以往被認為是一個資料及小電力傳輸的介面,因此,當Type-C推出後,這種高度整合的USB介面被認為是未來的主流介面,資料傳輸能力的驗證是由USB-IF所制定的下列版本如USB2.0、USB 3.2 Gen1、USB 3.2 Gen2以及USB4來規範傳輸的速率及內容,電力傳輸的能力驗證也是由USB-IF所制定的Power Delivery來規範電壓電流等級,目前版本為PD3.0。

影音整合方面,VESA協會很早就採納USB-C作為DP的傳輸介面,因此現在市面上可以看到許多支援DP over USB-C這種Alt-Mode的產品,DP目前常見的版本為DP 1.4,DP 2.0則預計在2021年推出。

而透過USB-C Alt-Mode,也可以看到更多的技術標準透過USB-C這個介面來傳輸不同的技術規格例如Thunderbolt,Thunderbolt藉由USB-C介面整合了USB、DP、PCIe及本身的技術,達到真正的One Port Does it All,Thunderbolt目前最常見的版本為Thunderbolt 3,並且Thunderbolt 4也已經完成標準制定。

此外,必須額外注意的是,為了解決使用於資訊與通訊設備,如筆記型電腦、平板電腦、智慧手機、行動電源等的供電或充電電源線的潛在安全問題,UL 9990標準透過對連接器、電纜材料和電氣設計的控制,為USB性能規範提供了補充,是目前評估USB電纜的性能和安全特性的基礎。

 

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