技術規格超吸睛　USB3.1掀高速介面新戰火

新USB規格亮眼

USB技術一直以來是普遍廣為應用的通用介面。長久以來，USB技術的演進一直是由非營利組織USB-IF負責標準規格的制定與推廣，由於成員涵蓋許多知名大廠，如蘋果(Apple)、惠普(HP)、英特爾(Intel)、微軟(Microsoft)，且極具市場影響力，因此動向備受矚目。

2013年7月26日，美國通用序列匯流排開發者論壇正式對外揭露新的通用序列匯流排技術規格，一舉將規格提升至10Gbit/s的資料傳輸能力，正式進入10G高速傳輸的時代；隔年8月11日，開發者論壇進一步揭露新的USB電力傳輸(Power Delivery) Revision 2.0通用序列匯流排電源供應規格，讓原本電源線上的電力從原有的4.5瓦(W)大幅躍升至可提供最大100瓦電力規格之傳輸線，將USB通用序列匯流排化身成新的電源規格。

同時，該論壇也公布新的通用序列匯流排連接器規格，提供更輕薄短小，更方便使用的連接器功能，這個稱之為Type-C的連接器規格，開拓整個通用序列匯流排之技術應用視野。

長期以來各種有線高速傳輸應用的介面戰爭，有可能在不久的將來歸為一統，這是通用序列匯流排開發者論壇的夢想和野心。

想要了解USB3.1所可能帶來的變化與進步，必須先了解USB3.1技術規格到底有哪些不同。2008年，USB-IF率先推出USB3.0技術規格，將USB由過去的低速(Low Speed)，全速(Full Speed)及高速(Hi-Speed)USB2.0的傳輸速率，大幅提升到5Gbit/s的高速傳輸介面，改變過去USB低速傳統傳輸介面的觀點，相較當時許多的高速介面應用，比如擁有高達8Gbit/s的PCI Express快捷外設互連標準高速介面訊號，或是可達6Gbit/s高速傳輸的Serial ATAT串行高技術配置儲存應用介面，USB3.0 5Gbit/s高速傳輸的能力，加上USB特有的可即時插拔的特性，搭配USB傳輸線自有供應電源的優勢，USB3.0規格很快被市場所接受，成為周邊高速應用介面中，最重要的一種高速傳輸介面之一。

然而，除了USB介面擅長的一般資料傳輸，在影音上的傳輸，原有USB的架構是在原有控制器上，利用驅動軟體將影音訊號轉換成USB資料傳輸，來達成影音的播放與接收，最大缺點在於需要額外客製化的驅動程式，才能完成此功能，同時間也容易遇到平台相容性的問題。所以，在影音的傳輸介面的推廣上，一直遭遇極大的阻力。因此，高解析度多媒體介面(HDMI)得以在消費性電子領域蓬勃發展，而在電腦系統領域，也被新的DisplayPort影音傳輸介面所取代。

Thunderbolt挑戰既有接口技術

2011年2月，蘋果電腦正式發表率先達到10Gbit/s傳輸速率且獨家的Thunderbolt高速傳輸介面，MacBook Pro上的Thunderbolt接口可以同時高速傳輸以資料為主的Thunderbolt訊號，同時也能傳輸高速的DisplayPort影音訊號。此外，Thunderbolt採用較小的mini DisplayPort連接器，使得接口更為輕薄短小。這樣的高速傳輸介面，同時挑戰著既存的接口技術，包括HDMI、DisplayPort與USB等，Thunderbolt接口所帶來的好處十分明顯，最重要的是將高速的資料傳輸介面與影音傳輸介面整合在同一個接口上，不只是連接器上整合，連資料也是整合的，這在工業設計上，帶來極大轉變，正符合蘋果電腦極簡的審美觀。正是因為Thunderbolt技術所帶來前所未有的好處的，使得以技術規格USB陣營備感壓力，原有USB設計的主流連接器，本來就採用較大的Type-A、Type-B、及Micro-B，現在資料傳輸速率也不如Thunderbolt技術，連影音訊號的傳輸方式也落後一大截。

所幸，Thunderbolt這個根基於PCI Express與DisplayPort傳輸介面的高速訊號技術，也面臨著種種艱困的挑戰。首先，10Gbit/s的高速訊號處理極其困難，設計上的寬容度極其有限，導致Thunderbolt在導入生產時，必須添加許多限制，用以維持每一件產品的品質，這也導致生產成本過高，量產時程拖延，無法大量生產等種種問題；更甚者，原本Thunderbolt導線也加入電源供應規格，但因控制晶片本身便極為耗電，使得電源供應的美意大受限制，加上嚴格控管的結果，使得協力廠商不足，而導致市場不易擴散。這一情勢，正好給USB一個翻身的大好機會。

USB3.1規格提升至10Gbit/s

在傳輸速率方面，USB3.0已成功將原有USB的傳輸速率提升到5Gbit/s，電路設計也從原有的差動放大電路，轉換成高速實體層(PHY)的電路設計。USB3.1的規格則進一步將實體層的規格提升到10Gbits，並保留向下相容的需求。

換句話說，新的USB3.1實體層必須同時支援10Gbit/s與5Gbit/s的傳輸速率能力，也要能支援原有USB2.0的傳輸訊號線，使得USB3.1得以在既有廣大的應用領域仍保有可行性。此外，傳輸線上除了實體層的傳輸速率提升外，在為保護資料傳輸的正確性所做的編解碼上，也做了修正，使得資料傳輸效率更加提升。當然，在連結層(Link Layer)及資料容錯更正(Data Recovery)上也做了適當修正，也為USB規格在未來傳輸速率提升的可能(圖1)。

圖1　USB連結層及資料容錯的修正，提升USB的傳輸速率。

USB傳輸介面的另一個好處就是傳輸線上的自有電源供應，自USB規格誕生，USB傳導線上就保留電壓匯流排(VBUS)這個電源線，一開始設計的規格從USB2.0時代的500毫安培(mA)，提升到USB3.0時代的900毫安培，如同即插即拔的功能一樣，傳輸線自有電源供應成為USB接口與其他高速介面應用上，最大的差別之一，這個最大優勢也讓USB的應用得以蓬勃發展，其他介面接口起而效法，諸如eSATA的雙頭龍，嘗試利用USB的VBUS來達到同樣的功能。

如同前面所描述的，Thunderbolt以設計具有Bus Power的功能，已達成Thunderbolt元件端不須附上額外的電源線的要求，甚至早期的HomePlug技術規格即採用家用電源線來傳輸訊號，來達成資料傳輸或控制訊號，與電源供應同步進行，由此可知，電源供應規格應用在介面接口上的重要性。但原有USB最高只能900毫安培，對於越來越多移動式可攜式產品所需的充電能量已大感不足，即使後來增加的電池充電Battery Charging 1.2的規格，仍感到不敷使用(圖2)。

圖2 USB 3.1的電力傳輸將VBUS的電力從4.5瓦提升到100瓦。

因此，USB3.1提供新的規格，稱之為Power Delivery，將VBUS的電力從4.5瓦，一次提升到最大100瓦。如此一來，不僅手機平板的充電規格可以統一，就連筆電的電源線也不再是客製化。仔細檢查USB3.1的規範，可分為三大類快速充電規格的支援，分別為原有的Battery Charging 1.2、Type-C電源模式(Type-C Current Mode)及Power Delivery，可根據不同需求與成本考量，採取不同規格(圖3)。

圖3 USB3.1 Type-C及Power Delivery根據不同需求採取不同規格。

Type-C連接器規格　正/反插符合使用情境

USB3.1規格另一個注目的焦點就是新的連接器規格Type-C。回顧前文所提的優缺點，Type-C規格裡正嘗試著解決剩下問題。首先，連接器尺寸過大，因此USB-IF重新定義機構的規格，除了縮小連接器大小，連接器內的訊號線也刻意保留兩組高速訊號，並且利用偵測機制，使得使用者能將USB元件任意插入，無論正插或反插都能使用，不再需要防呆的功能設計，完全符合使用著情境。

此外，效仿Thunderbolt可支援DisplayPort的影音訊號的功能，Type-C的規格裡加入了Power Delivery資料封包規格，透過Type-C上的特殊設計的訊號線CC腳位，進行功能訊息的溝通，用以支援所謂的備用模式(Alternate Mode)，在這模式裡，Type-C可利用原來設計的兩對USB3.1傳輸線，用來傳送一組x4高速的DisplayPort影音訊號線，也可讓兩對USB3.1傳輸線，分別同時傳輸一組USB3.1訊號與一組x2的DisplayPort影音訊號線，這樣的設計，解決了原本USB技術傳輸影音訊號所遇到的驅動程式的窘境，改以直接支援輸出DisplayPort影音訊號的方式。

同時，由於透過Power Delivery的資料封包來進行備用模式的切換，保留極大擴充的彈性，透過這個機制，Type-C連接器規格，隨時可以加入擴充新的傳輸介面規格，因此，時至今日，已有PCI Express與MHL等傳輸介面加入了Type-C的規格了，充分展現USB3.1規格極大化與應用面的豐富與多元(圖4)。

圖4 USB3.1規格的多元應用模式

Type-C介面設計走向簡單/環保

可以想像，未來電源線與電源插座很可能統一為USB3.1 Type-C的接口，如此，使用者不須要再攜帶各式各樣的電源線來因應各式各樣的電子產品，此外，無論是手機平板、筆電桌機，或可攜式電消費性子裝置，因為接口小，可任意正反插入使用，又可支援各種傳輸介面與應用。因此，在蘋果引領風騷的極簡風格的風潮下，產品走向會更加傾向簡化電子產品的周邊接口設計，而採用單一Type-C接口，作為所有應用的唯一有線接口，換言之，USB3.1很有可能正主導了未來產品設計走向，正大步邁向簡單、環保、方便多工的方向前進。

不過，也由於USB3.1規格是如此新穎而且複雜，與原來的USB規格有極大差異，許多人以為只要設計Type-C連接器就稱之為USB3.1，或是將VBus Power提升到100瓦就稱之為USB3.1，其實就USB-IF在制定這個新規格的目的，應該不難明白，新的三個規格缺一不可。減少連接器數目，相對要支援多個元件與應用，10Gbit/s或更高速傳輸速率是不可或缺的，若要簡化且環保，採用統一的USB3.1電源充電規格是無法避免的，輕薄短小的連接器設計，加上方便的正反插應用，輔以多功能的Alternate Mode技術，使得USB3.1成為未來技術延伸的核心。接下來的就是觀察等待市場規模擴大，成本下降至可接受的水準，才能達到大量普及的程度，然而，高速介面的戰爭還沒結束，鹿死誰手仍在未定之天，其他的介面規格是否再度翻身，猶有未知。但無論如何，USB3.1這個新規格，未來發展值得期待。

(本文作者為祥碩科技技術行銷經理)