為了因應5G和AI趨勢所產生的大資料量，需一路打通裝置端到基礎建設各個環節，以形成一條互通有無的最佳通道，而本文將以終端裝置看起，深入探討手機與筆電傳輸介面的發展樣貌及挑戰。
在消費性市場，USB傳輸介面可說是無所不在，大量滲透於手機、筆電、PC，甚至是各類型的智慧裝置(如智慧音箱)當中，加上2014年推出的USB-C標準，正式為影音、資料與電力傳輸帶來嶄新的統一局面，尤其在5G高傳輸速率、低延遲的要求，為傳輸介面規格帶來更上層樓的需求。在傳輸速率追求更快速傳輸的過程，對於終端裝置耗電也相對提升，使其PD發展的演進也將同步發生。
迎向10Gbps 高階手機邁入USB 3.1
從資料傳輸的角度來看，目前手機即便採用USB-C連接器，但實際傳輸的速率還大多停留在USB 2.0的階段，不過現已出現轉折，包含三星(Samsung)、Sony、Nokia、LG與華為的高階機種相繼晉級到USB 3.1，正式邁入10Gbps的里程碑。
然而走入10Gbps目前仍有許多訊號干擾的挑戰有待克服。岱煒科技研發中心技術長鍾軒禾(圖1)表示，業界在解決射頻干擾的同時，除了克服高頻與低頻傳輸干擾的之外，還有一部分干擾問題亟待解決，也就是高低頻「混波」狀況。當高頻傳輸形成射頻干擾，而低頻傳輸路徑剛好也不匹配時，就會導致串音(Crosstalk)現象，容易影響高低頻雜訊導致混波狀況發生。
圖1 岱煒科技研發中心技術長鍾軒禾解釋，混波干擾是USB與手機無線傳輸過程中，非常值得重視與探討的議題。
現今常見干擾頻段落於2.4GHz、GPS (1575.42MHz)、3G(1,800MHz、1,900MHz、2,100MHz)、4G(700~2,700MHz)，在頻率這麼寬的頻段下，倘若形成混波，將會導致雜訊能量增加，使無線訊號出現蓋台、干擾現象。也基於此，混波議題會比解決純高頻問題更為重要。
鍾軒禾談到，高頻、低頻、電源、時脈傳輸正負、時脈傳輸差動訊號，還有音源傳輸差動訊號，就容易產生輻射問題；再者，只要電壓所到之處，其相對應的負極若沒處理好，仍會形成干擾問題，但上述這些干擾大多都能透過線路或是遮蔽(Shading)的方式將之耦合處理，此做法亦即正負耦合法(或稱差動耦合法)。
干擾/耗電接著來 5G手機設計挑戰大
當高速介面與5G手機相遇，干擾與耗電量的問題更是接踵而來。舉例來說，無論是5G無線傳輸基頻，或者USB介面的基頻設計，只要走入越高頻，就越容易互相干擾。事實上，現在Sub-6GHz就已有干擾問題，也因如此現今大多手機還停留在USB 2.0，而一些導入USB 3.1的機種，通常透過軟體自動降規，故使用上還須要經由類似APP的應用程式，方能啟動高速傳輸功能。
鍾軒禾分析，以傳統作法，倘若中間有干擾就用Shading材質蓋住，或用共模扼流圈(Common Mode Choke)解決，但雜訊同時也會影響正常傳輸的訊號。換言之，為了解決雜訊採用共模扼流圈將使原本可以傳1公尺的訊號，縮短到40~60公分左右，雖然能以增加多層板的方式克服訊號縮減問題，但每增加一層，無疑是墊高一個成本，故在不增加成本的狀況下，解決干擾可說是一項艱難的設計挑戰。
另一方面，立錡科技PS行銷處專案副理黃少軍(圖2)表示，5G手機在高速傳輸過程中，容易產生耗電問題，然而手機本身卻無法透過增加電池大小或仰賴電路設計(大多電路用來支援5G傳輸)方式降低功率，使得快充需求不斷提升，對5G手機而言，快充設計有直接加分的效果。
黃少軍談到，雖然手機USB有支援PD快充的協定，但實際使用上，手機商不見得會都採用USB PD協定，主要因為充電與裝置安全息息相關，當使用USB PD協定互通各類型裝置時，難以保證手機不會因為其他周邊裝置產生影響，故現階段大多數的廠商在快充部分，大多採取專屬性(Proprietary)協定。
圖2 立錡科技PS行銷處專案副理黃少軍表示，為了因應更高速傳輸，5G手機本身就存在耗電問題，而為了縮減電力不足的因素，手機快充需求也隨之而增。
黃少軍指出，USB PD協定是一個裝置間溝通的語言，作為溝通傳輸功率分配問題不大，但對於在溝通過程中，當裝置發生異常時，能否即時反應保護機制這項功能，尚有需待補強之處。無論是手機、周邊裝置或充電器彼此間都需具備即時反應保護機制，但這項機制在PD協定中，定義並未非常完整，細節上還有進一步改善空間。
據了解，接下來即將登場的Computex展會上，USB-IF將發布的USB 4規格，預期也將針對USB PD有進一步的強化，期能補足現階段USB PD的限制與缺口。
由於市面快充協定多樣化發展，因此設計考量也就複雜些，需要從整體平台架構與充電效率上做評估。黃少軍表示，以該公司的觀點，是基於整體平台架構設計做為考量，主要搭配聯發科的手機平台，使客戶進行產品設計時，無須考慮電源管理問題，可針對不同充電架構、充電效率，提供對應的解決方案。
影音傳輸刺激需求 英特爾CPU內建Thunderbolt 3
除了手機介面對於高速傳輸與電源快充需求外，筆電端在影音傳輸市場蓬勃發展下，對於更快速傳輸速率要求更甚以往，尤其在USB 4將採用Thunderbolt 3規格後，將加速各類型終端裝置，導入40Gbps速率發展，尤其是針對影音傳輸需求類型的產品。看準高速影音傳輸帶來的影響性，英特爾(Intel)於2019 CES大展宣布未來代號為Ice Lake的10奈米處理器將首度整合Thunderbolt 3。
英特爾電腦通訊事業群產品經理盧進忠(圖3)表示，在主控裝置(Host)已預計將Thunderbolt 3整合到SoC處理器當中，將可望擴充Thunderbolt 3市場的普及率。不過，影響層面較廣的還是在裝置端(Device)，若周邊裝置未同步升級，即便再多的支援Thunderbolt 3接口也無濟於事。
圖3 英特爾電腦通訊事業群產品經理盧進忠指出，Thunderbolt技術將有助於高解析度影像顯示的傳輸更為順暢。
盧進忠談到，2018~2019年間該公司發現顯示器廠商規格正朝更高解析度發展，如採用高動態範圍成像(HDR)、4K、5K，甚至是8K技術，尤其在2020年東京奧運的帶動下，8K顯示螢幕的發展將更加值得期待，而要支援4K以上高解析度的傳輸介面，採用40Gbps或以上的傳輸規格，將有助於提升精進其傳輸效能。
整體來看，Thunderbolt 3已經被超過400款PC所採用，周邊裝置的數量也不斷以每年倍增的速度成長，每年有超過450個周邊裝置通過認證，包括底座、顯示器、儲存設備和外接顯示卡在內。
如同前一篇文章所述，Thunderbolt 3將會納入在USB 4的規格，並採用USB-C，對於Thunderbolt 3發展將更上層樓。另一方面，以USB來說，該協定一直以來持續朝更高速、雙向供電的特性前進，而Thunderbolt 3即兼具這兩項功能，同時傳輸速率又是USB 3.1 Gen 2的2倍提升，在這個時間點上，兩個標準得以融合可說是創造雙贏局面。
內部介面以PCIe 3.0為主 筆電傾向輕薄短小設計
此外，在筆電內部傳輸的PCIe設計上，盧進忠指出，現階段還是以PCIe 3.0為主流，短期內英特爾沒有升級PCIe 4.0的計畫。主要原因在於筆電設計朝越來越輕薄短小為主，而提升傳輸介面規格，強化其傳輸速率則會增加CPU本身的耗能。換言之，PCIe 4.0每增加一個Lane，就意味著提高CPU的功耗，考量現階段電腦對於PCIe 4.0需求狀況與成本的問題，目前在電腦設計重點會以系統平衡為考量。
盧進忠表示，筆電內部傳輸設計大多是從外部需求帶動。舉例來說，USB發展歷經十年，而從USB第一代走到USB 3.0花費不到五年時間，而從USB 3.0到USB 4也不過三年光景，意味著傳輸介面演進速度越來越快，當外部傳輸達某種極限時，就會帶動內部傳輸升級需求。否則即便內部傳輸使用更高規格的技術，但對外部傳輸助益不大也是徒勞一場。
實現VirtualLink標準 USB轉換器扮要角
除了USB 4和Thunderbolt 3之外，新興VirtualLink標準更是為了滿足更高速影音串流服務的VR應用量身打造而成。威鋒電子產品行銷副總許錦松(圖4)表示，VirtualLink是基於USB協定所開發出來的新標準，採用USB-C連接器作為傳輸接口，其設計不同於過往USB-C設計，DP(DisplayPort)與USB 3.0各占兩條高速通道(Lane)，調整為四條Lane皆支援DP規格，同時將原本支援USB 2.0的Lane調整為USB 3.0，以獲得雙倍以上的傳輸速率，而實現VirtualLink背後的核心元件就是USB轉換器。
圖4 威鋒電子產品行銷副總許錦松說明，USB轉換器是實現VirtualLink規格重要的元素，得以藉此提供更高傳輸速率，滿足虛擬實境的體驗。
許錦松談到，USB 2.0時代，USB-IF制定一個TT的軟體，作為USB 1.1轉成USB 2.0橋梁，然而發展到USB 3.0卻已無這項功能，為了彌補這項缺憾，該公司開發了USB轉換器，內建U3TT技術，補足當USB 2.0線材受局限時，可轉為使用USB 3.0光纖傳輸，這項技術也不謀而合成為實現VirtualLink的必備元素。
通常在USB規格的轉換，大多使用集線器(Hub)切換。不過USB轉換器與集線器不同的地方在於，集線器內部架構是將USB 2.0與USB 3.0分別設計，因此本身協定有多少傳輸速率，就僅能傳多少速度無法作更換。相較之下，USB轉換器則是透過外掛的方式，在裝置內使用同一條通道直接轉換USB 2.0和USB 3.0數據，過程中不會產生降速問題，在設計方式與難度皆有所不同。許錦松強調，若要實現VirtualLink標準，USB轉換器是不可或缺的存在，放眼全球目前也只有威鋒能提供這樣的解決方案。
值得一提的是，許錦松透露，接下來USB 4似乎也想朝VirtualLink的設計方向發展。過去USB規格動態調變範圍有其限制，高速傳輸通道所能提供的速率是固定的，未來USB 4可能採用類似VirtualLink動態調整的方式，讓高速通道的調整能更有彈性，支援更高傳輸速率。