傳輸速率攀升　USB 3.0應用更寬廣

自從通用序列匯流排(USB)規格問世以來，因為方便使用、熱插拔、隨插即用(不須額外安裝驅動程式)等特性，已成為個人電腦(PC)周邊不可或缺的重要介面。目前的個人電腦中，幾乎都存在USB介面，除了PC以外，手持式裝置，如手機等都幾乎把USB當成一個資料傳輸的基本介面。諸如滑鼠、鍵盤、外接式硬碟、印表機、隨身碟、網路攝影機，以及讀卡機等重要個人電腦周邊設備，幾乎都是以USB介面的型態存在。

目前全球1年有數十億個USB裝置出貨，該技術無疑是市場前景最好的電子資訊應用之一。

USB 3.0強化功耗控制

在USB 2.0既有的成功基礎上，USB應用者論壇(USB-IF)進一步在2008年11月推出USB 3.0的規格。USB 3.0規格除將傳輸速率從原來480Mbit/s提升十倍數到達5Gbit/s的速率外，對於使用者的功率消耗也進行更細微的控制。由原來的兩種操作模式，進一步提升到有U0、U1、U2到U3等四種操作模式，因此提升功率消耗方面的效能。另外，改用單播(Unicast)而不是廣播(Broadcast)的方式傳送封包，也大幅降低整個系統的功率消耗。

USB 3.0使用主動通知的NRDY和ERDY機制，相較於原有的輪詢(Polling)機制也提升頻寬的有效使用率。隨著頻寬的大幅提升，USB 3.0打開更寬廣的應用領域，如影音多媒體的應用就是USB 3.0的熱門應用之一。相較於其他的高速周邊介面，除傳輸訊號以外，USB同時可傳輸電源給予裝置端，又是一個很吸引人的規格，也因此吸引更多的應用，並且也有其他許多標準規格紛紛嘗試將電源供應功能，加入標準之中。基於提供電源的規格，USB-IF進一步制定電池充電規格(Battery Charging)，以鞏固USB作為手持式裝置充電標準介面的地位。除了充電規格的制定，USB-IF也在影音整合應用(Audio/Video Application)及遠端顯示(Remote Display)等應用，制定USB Audio/Video Class新規格，以期待可創造USB 3.0在影音方面的新應用。

因為USB規格的空前成功，市場上因此對於USB 3.0規格寄予厚望。從2009年下半年開始，全世界眾多IC供應商開始積極投入USB 3.0相關應用的IC設計研發工作。初期最優先被投入的市場，以市場需求面非常明確的USB 3.0主控端(Host)橋接器，以及USB 3.0外接硬碟等在2010年屬於出貨的主力。

2011年各家主機板內建USB 3.0主控端橋接器開始，USB 3.0集線器(Hub)及其他裝置端的各式各樣應用，也接著一一出現。2～3年後，USB 3.0也很可能會隨著USB 2.0的發展軌跡，普及到個人電腦以外的嵌入式系統(Embedded System)中。本文從規格以及技術的角度，探討USB 3.0除遵循USB 2.0的發展軌跡以外，可能的一些新應用機會。

傳輸速率提升造就新應用趨勢

USB 3.0相較於USB 2.0的主要規格差異之一在於，USB 2.0實體層(PHY Layer)的速度是480Mbit/s，而USB 3.0則是一舉將速度提升了十倍，達5Gbit/s。任何應用都是為滿足使用者需求，因此速率的大幅提升後，最先被考慮到的應用，是屬於在USB 2.0時代，使用者對於頻寬需求沒有被滿足的部分，優先將在USB 3.0的時代來臨時，顯著的提高使用者對於頻寬需求的滿意度。

外接儲存系統成直接受惠者

由於USB隨身碟(俗稱大姆哥)，就是當初USB 2.0的殺手級應用之一，而且隨著儲存型快閃(NAND Flash)記憶體製程技術不斷的進步，資料的傳輸速率不斷提升。原本速率的瓶頸在於NAND Flash這一端，後來慢慢的瓶頸出現在USB 2.0這一端，到3M～40Mbit/s的速率瓶頸，而無法再提高速率。因此以這一類型的USB 2.0應用而言，將USB 2.0換成USB 3.0，可立即看到速率瓶頸的突破，使用者也較容易感受到USB 3.0速率提升的價值。

另外類似的應用還有USB外接硬碟。USB 3.0轉SATA橋接器IC主要應用在USB外接硬碟上。一般的硬碟都是利用SATA介面接在PC系統內部，然而經由USB轉SATA橋接器IC以後，可以將介面轉換成USB，變成外接的硬碟，方便使用者進行熱插拔且變成可攜，因此在USB 2.0時代，外接硬碟就是一個很熱門的產品。然而由於USB 2.0的速率限制，外接硬碟的速率一直受限於40Mbit/s左右，因此，對於USB 3.0的高速率訴求，有機會讓外接硬碟突破目前速率的限制，達到超過100MBit/s的高速表現。

有人說「量變會造成質變」，這是思考USB 3.0可能應用的另外一個方向。有一些潛在的應用，可能因為過去礙於頻寬，無法創造出來。但是隨著USB速率的大幅提升，一切可能就此跟著改觀，也因此造就出新的殺手級應用。這一方面的可能性，帶給許多有志於開發USB 3.0相關應用的廠商，很多的發揮及想像的空間。這樣的例子，在其他領域也很常見，例如，以前PC強調運算能力、單機作業，隨著網路的盛行及頻寬的增加，聯網能力成為關鍵，接著無線網路數據傳輸的漸漸普及，手持式裝置搭配優異的無線上網能力，成為許多使用者熱愛的應用，也因此造就雲端應用可能，將這樣的思考邏輯用在USB 3.0上，相信有許多新興應用的可能。

擴充底座藉由USB 3.0提高整合度

另外一個經由USB 3.0頻寬的提升所造就的大好機會在於，更高功能整合的應用。其中，USB 3.0擴充底座(Docking Station)就是一個潛在的好應用。對於如智慧型手機及平板裝置的手持式裝置而言，因為機體大小的限制，可能只存在一個USB 3.0埠。由於頻寬的提高，一個USB 3.0埠可同時提供多個的應用，因此USB 3.0擴充底座的應用應運而生。

圖1　USB 3.0介面的筆記型電腦擴充座功能方塊圖

圖1是一個USB 3.0擴充座應用的功能方塊圖，在此應用中，結合各式各樣的不同應用於USB 3.0上的可能性高出許多。

影音功能的聽覺及視覺感受，一直是人們重要的娛樂方式之一，因此影音功能在於USB 3.0的應用也是一個重要的發展方向。在USB 2.0時代，就有如USB網路攝影機(Web Camera)、USB顯示器(Display)及USB螢幕(Monitor)等應用。隨著USB 3.0的頻寬增加，這樣的相關應用更是後市看好。因應於此趨勢之下，USB-IF也積極的制定USB Audio/Video Class相關規格，推展此新興應用。

USB 3.0充電功能日漸普及

USB除了熱插拔的簡單容易使用吸引人以外，提供電源的這個規格也是很重要的一部分。歐盟已經定義micro-USB為手機充電的標準配備。由於USB 2.0時代，USB埠最大提供5伏特(V)、500毫安培(mA)的電流供應能力已經不敷使用，因此USB 3.0特別再將此規格提升到5V、900mA的電流供應能力，以滿足更多應用的需求。為統一利用USB進行充電的規格，USB-IF也著手制定電池充電規格，以讓利用USB進行充電的應用能更加普及。

從供電來源的角度，USB-IF定義兩種供電模式，分別是Bus-Power及Self-Power。Bus-Power是指電源直接從主機端經由USB纜線提供；Self-Power則是經由裝置端自行提供電源。以Self-Power來說，產品需要另外一個電源線插到電源插頭，除增加成本外，對於使用者而言，也不方便。藉由USB 3.0供電能力的提升，有些功耗規格要求較高的產品，有可能由Self-Power轉而成為Bus-Power產品，因此，會開創新的應用商機，USB 3.0螢幕及微投影機即為一例。

圖2　USB 3.0介面的整合型螢幕功能方塊圖

對螢幕應用而言，隨著螢幕背光轉換到使用發光二極體(LED)及其他一些零組件的搭配，單獨利用一條USB 3.0纜線即可點亮一台輕薄的LED螢幕的時代已來臨。相較於其他傳統的顯示介面，如D-SUB(SATA)、高畫質多媒體介面(HDMI)及DisplayPort，USB 3.0除提供電源的優勢以外，更同時可以提供聲音和視訊以外的其他訊號，並且同時可以提供從螢幕傳回主機端的資訊通道。結合這些特性，相信有更多高整合度應用機會的可能性是很大的，如圖2即為USB 3.0高整合應用螢幕的示意圖。

頻寬/成本為關鍵　USB 2.0應用也可升級到USB 3.0

USB 2.0原本就有很多很好的應用，這些應用有不少都會升級到USB 3.0，尤其是對於頻寬需求比較大的應用。除此之外，是否代表頻寬需求較低的應用，就沒有提升到USB 3.0的可能性？以傳輸速率的角度而言，USB 3.0傳輸速率為USB 2.0的十倍。但是以功率消耗的角度來看，依目前的一般產品而言，USB 3.0的功率消耗大約是USB 2.0的二至四倍間，而且隨著實現技術的進步，這個倍數關係會逐漸下降。因此同樣頻寬需求的應用，使用USB 3.0將可利用較低的功率消耗達成一樣的頻寬需求，因為，利用USB 3.0，可使用較少的時間完成資料傳輸，資料傳輸結束以後就可進入省電模式，降低功率消耗。

若應用是透過影音等週期性傳輸特性，這樣的效應會更加明顯。當應用是接在USB集線器後方，整合多個應用時，這樣的省電效率更是顯著，因為相較於USB 2.0使用廣播方式將封包傳送給所有的裝置端，USB 3.0採用帶有位址的資訊，以單播方式經由集線器的簡單判斷，即可將封包只往該送的下一級送。USB 2.0以廣播的方式傳送封包，意味著在此同時，所有下級的集線器及裝置端都只能接收這個封包，然後判斷是否屬於自己的封包。如果是屬於要傳給自己的封包，則做出回應，否則只能再等待下一個封包。

USB 2.0屬於單向通道半雙工模式進行資料傳輸，但USB 3.0是利用雙向通道全雙工模式進行資料傳輸，搭配單播方式，資料也可以更有效率的傳送到目的端，也間接讓該進入省電模式的裝置，可進入省電模式不受影響。因此，對在USB 2.0就已很普及的相關應用進入到USB 3.0的機會都不小，若USB 3.0的成本已接近USB 2.0時，不見得是頻寬需要明顯提升的應用才有機會進到USB 3.0。

下列是一些從既有USB 2.0應用轉換到USB 3.0的例子說明。USB集線器的功能在於擴充使用者可使用的USB埠的數目。經由例如一對四的集線器，可以將一個USB埠擴充成為四個埠，增加使用者可連接的USB裝置個數。集線器除讓消費者擴充在個人電腦的USB埠數目外，對於使用在諸如螢幕及其他多媒體裝置的嵌入式系統中的機會也不小。另外，由於NAND Flash容量不斷的增大及成本不斷的降低，NAND Flash已成為可攜式非揮發性記憶體的主流儲存媒介之一。

除USB隨身碟外，另一個重要的應用就是各式各樣的記憶卡。為方便個人電腦讀取及寫入資料於各式各樣的記憶卡中，USB介面的讀卡機(Card Reader)就成為非常重要的元件。隨著各式記憶卡的介面速率不斷的往上提升，USB讀卡機也會從USB 2.0介面進展到USB 3.0介面。

USB 3.0/其他介面競合關係微妙

最後本文將探討各式高速介面的規格及應用的競爭關係。從表1中，可先看到簡單的彙整。首先，USB 2.0在電腦外接介面占有穩固的領導者地位，但是速度停在480Mbit/s持續很長一段時間；PCI Express(PCIe)在電腦內部匯流排上，具有主導地位；SATA則擁有儲存裝置上的重要地位。

當SATA及PCIe的傳輸速率，從1.5Gbit/s及2.5GT/s，不斷倍數成長，一路朝6.0Gbit/s及8.0GT/s增加的同時，USB卻遲遲沒有往1Gbit/s演進。如果從實體層的角度來看，USB 3.0、SATA及PCIe皆是使用低壓差分訊號(LVDS)技術實現，具備相當的技術難度。因此當USB 3.0還未推出時，SATA就推出eSATA介面，希望能取代USB在固態硬碟(SSD)的角色。可惜不久之後，USB 3.0規格推出，eSATA伸展舞台因而縮小，因此，筆者認為這樣的分庭抗禮局面，應該會持續下去。

最近更熱門的話題，在於英特爾(Intel)最新力推的Thunderbolt。事實上，英特爾規格尚未公開，就已出現在蘋果(Apple)MacBook Pro筆電中，聲勢確實浩大，而且速率又是USB 3.0的兩倍，又向後相容於PCIe以及DisplayPort，等於可通吃資料傳輸及顯示介面。

從規格面以及功能性上來看，Thunderbolt確實吸引人。但是回歸基本面的問題，消費者要花多少錢，才可以使用Thunderbolt？Thunderbolt的技術 成熟度以及成本競爭力，應該是決定Thunderbolt成敗以及起飛時間的關鍵因素，為一統各式各樣的介面，Thunderbolt向後相容於USB 3.0規格，應該也是指日可待。

(本文作者為原昶科技研發二部部長)