隨著USB Type-C介面及連接頭規格的推出，電子產品將進入另一個發展階段，變得更容易使用和維護。當USB Type-C及USB Type-C影音傳輸替代模式(Alt Modes)和USB電力傳輸(Power Delivery)規格逐漸被採用，很可能會出現更多只透過單一的訊號線進行充電、資料傳輸以及影像輸出等作業的電子裝置。
蘋果(Apple)的MacBook上只有一個USB Type-C連接埠，可以用來進行充電、資料傳輸及影像輸出。Google的Chromebook Pixel也是首先採用USB Type-C充電器的裝置之一。不久之後，市面上可能將出現越來越多這類只有一個連接埠的個人電腦。
每年大約有三十億個USB連接埠在市面銷售，USB Type-C訊號線及連接頭規格為這個存在已久的標準注入新的活力，並且消除了傳統USB Type-A與Type-B接頭不適合應用在行動裝置上的限制。USB Type-A連接頭是扁平的長方形，因此通常被使用在桌上型電腦、筆記型電腦以及遊戲機等主機裝置上。USB Type-B連接頭則有許多不同的形狀，經常被用在印表機等周邊設備和外接式硬碟上。
USB Type-C連接頭則有以下特色：
．支援從正反兩面均可插入的「正反插」功能；主機與裝置上採用相同的連接頭。
．具有更高的資料傳輸速度，USB Type-C 3.1 Gen2可高達10Gpbs。
．具有更高的供電能力，USB電力傳輸2.0規格可支援高達100W的電力。
．具有雙向性，因此裝置可以供應與消耗電力。
．支援可調整的充電能力，也就是供電量可隨著應用的需要而有大幅度的變化。
．可以使用USB Alt Modes取代所有其他種類的連接頭。
在設計USB Type-C晶片時，需要符合各種未來會推出的規格、新的電力傳輸(Power Delivery, PD)規範以及驗證需求，以便順利將可以將USB Type-C、USB PD 2.0以及透過替代模式支援DisplayPort等功能都整合到設計中，同時本文也會針對各種設計挑戰提出一些解決建議。
Type-C一手包辦各種需求
從2015年開始，USB-C連接埠成為取代所有的USB接頭的熱門選項。USB Type-C接頭符合USB電力傳輸2.0，可支援高達100W的電力傳輸能力，因此非常適合用來為行動裝置充電。USB替代模式已支援DisplayPort 1.2和MHL規格，因此未來可透過這項功能，讓USB Type-C變成視訊傳輸介面(圖1)。
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| 圖1 Type-C可一手包辦電力、視訊與資料傳輸 |
以前，雖然USB的效能比FireWire(IEEE 1394)稍微差一些，但是由於非常低廉的電子材料元件清單(BOM)成本，使得它成為市場的最終贏家。由此可見，成本考量仍然非常重要的因素。
所幸在大多數情況下，Type-C連接頭只比傳統的連接頭稍微貴一些，除非真的需要非常高的效能。USB Type-C可以與多數的設計規劃完美結合，尤其是對於價格非常敏感的行動式裝置，像是手機、平板、攜帶式裝置，以及低階到中階的筆記型電腦。
對於尋求極高效能的應用，Thunderbolt 3則是首選的技術。而Type-C連接頭也取代了miniDP，成為Thunderbolt 3的接頭。透過Thunderbolt 3，Type-C接頭可以提供高達40Gbps的資料傳輸速度，同時又可以支援PCIe Gen3、USB 3.1 Gen2及DisplayPort 1.2。因此，雖然Thunderbolt 3可以提供更高的效能，但是也必須付出較高的成本，應該還是只能維持小眾市場格局。
USB Type-C訊號線也可以支援音訊配件和除錯配件模式。前者可以傳遞數位音訊，因此未來就不需要使用3.5mm耳機孔，同時可存取裝置的韌體並透過一個特殊的模式進行偵錯。
與其前身相比，USB Type-C有一些獨特的設計需求(圖2)：
．在配置通道(Configuration Channel, CC)接腳的上拉、下拉電阻
．可以在VCONN上供電
．連接狀態和已標示之訊號線的偵測(傳輸線偵測)、冷插槽以及VCONN控制電路功能
．提供VCONN/Rp轉CC接腳，即下游介面連接埠(Downstream-Facing Port, DFP)的切換功能
．可以控制供電給VBUS之功能的開/關
．讓SS_TX/SS_RX連接至TX1/RX1或TX2/RX2的切換功能
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| 圖2 USB Type-C腳位定義與連線模式 |
系統整合與晶片開發各自面臨新挑戰
對於系統整合人員而言，上述需求代表著在設計上會有一些新的挑戰。舉例來說，為了支援符合規格的反轉連接頭，就需要額外增加接腳。而這也就會影響到設計架構及BOM。而作為一個通用的連接頭，USB Type-C的設計需要支援多種協定，也需要支援電力傳輸的機制。
對於晶片開發人員而言，則需有一些實體層(PHY)方面的考量。為了能夠支援多種(包括一些即將推出的)協定，應用的彈性就是一項關鍵。為了符合多種協定，PHY需要支援非常廣泛的電氣規格範圍，尤其是在等化器(Equalization)這一端，例如CTLE或DFE更是如此。因此，考慮到晶片面積和效能，將類比PHY獨立成一顆晶片可能是比較理想的設計。
晶片開發人員可能會考慮數位電路所具備的優勢，而選擇採用更小的製程，但採用各種先進的製程會對晶片所能使用的供應電壓及電力傳輸的能力造成極大限制。
以28奈米以下製程為例，在此製程技術下，核心電壓低於1V、I/O電壓為1.8V可說是業界標準。因此，在28奈米製程以下的晶片中，要支援3V以上的電壓變成一大瓶頸，除非要使用多重Vt以及增加光罩數量，但這類製程相當昂貴。要盡量降低成本並支援這樣規格，會需要採取一些電路方面的技巧，以便規避因為電氣過載所導致的可靠度問題。
針對USB Type-C進行設計時，驗證作業也會變得更複雜。混合電路中的新元件，代表會有新的依存性，而且也要考慮到一些新的整合問題，必須讓各個系統介面的準位一致並進行整合。當然，支援更多協定也代表有更多的協定要進行驗證。因此，系統需要針對與CC-PHY和電力傳輸I/O銜接的主要連結進行驗證，也必須有一個複雜的混合訊號環境來驗證整個系統。以Wreal或Verilog-A描述來建立各種類比元件與其他數位Verilog段落的模型，對於驗證工程師也是一大挑戰。
以架構調整因應資料傳輸速度差異
值得注意的是，由於USB 3.1 Gen1與Gen2的頻寬不同，但卻使用相同的傳輸通道，因此晶片設計人員在進行架構設計時，必須要思考如何讓匯流排達到滿載狀態，尤其是USB 3.1 Gen1與Gen2同時傳輸資料時。
USB 3.1 Gen1採用8位元轉10位元的編碼方式，而USB 3.1 Gen2的編碼架構則是採用128位元轉132位元，因此後者就會有比較少的虛耗(Overhead)、比較多的頻寬，且在資料封包上也比較占有優勢。
但由於USB 3.1 Gen1與Gen2都使用相同的通道，因此USB-IF已經開發出一套更有效的方式，找出兩個裝置的連結可以協同運作的最高速度。低頻週期性訊號(LFPS)已經被變更成以LFPS為主的脈衝寬度調變訊息(LBPM)，藉此確定各個裝置可以彼此溝通，甚至在連結開始傳送資料之前即協議好資料速度。
而在USB 3.1 Gen2的連結層上，有一個供非同步資料封包使用的次資料流量類型。這個次資料流量類型可以讓等時的傳輸作業具有優先權，因此會更可以滿足對於頻寬的要求。未來會推出的USB規格也會在相同的通道上運作。
為了確保應用程式同時從比較快和比較慢的裝置上接收資料時，不會造成頻寬的損失，USB-IF已經建立了向多個裝置一一要求傳送資料，不必等接收到前一筆資料後再向下一個裝置要求資料的機制。如果裝置和主機都支援這個機制，就可避免出現未準備好(Not Ready)的回應，藉此提升效能，讓頻寬一直在滿載狀態。
DisplayPort整合 互操作性/符合規範挑戰最大
考慮到現今各種電子裝置的視訊效能，USB Type-C連接頭能夠連接到顯示器是非常重要的一個發展方向。這項功能完全是因為USB替代模式才能夠實現，而且已經獲得視訊電子標準協會(VESA)DisplayPort的支援。將USB Type-C與DisplayPort結合，使得完整的DisplayPort在60Hz下可達到8K的音效/視訊效能。而除了可以將視訊源與顯示裝置連接，這項標準也可以使用於其他的資料格式，包括音效。
針對支援DisplayPort標準的USB Type-C而設計其應用程式時，會遭遇到兩個主要的挑戰：交互操作性(Interoperability)及符合規格要求(Compliance)。設計作業本身並不算非常複雜，尤其是在控制端。然而，為了讓晶片設計能夠符合未來的需求，設計人員需確保其設計在整個終端產品的生命週期內都可以保持交互操作性。
如果能開發出同時滿足USB Type-C規格、USB電力傳輸2.0規格與支援DisplayPort的USB Type-C晶片解決方案，會有非常大的市場潛力。將最新的MacBook和Chromebook Pixel當作觀察指標，可以說市場已經準備好接受下一個世代、擁有豐富功能性的訊號線所帶來的各種變化。
IP次系統方案有助克服開發挑戰
為了解決設計上的各種挑戰並滿足每一項規格要求，設計晶片時可以考慮採用IP次系統解決方案。
藉由使用事先驗證好的IP區塊，並將其整合至次系統中，就可以避免分別驗證各個元件所需的時間和精力，同時又可確定每個元件都能共同順利運作。
為了讓晶片設計符合未來的需求，所找到的實體層IP不僅要能夠支援USB和DisplayPort，同時也要能支援其他現有的標準和未來即將推出的協定，如此才能減少日後修改設計所需投入的資源。
此外，在控制裝置上的韌體應可以修改，以便滿足不斷演進或改變的協定規格。理想上，這個IP應能夠因應非常廣泛的電源要求，且可以根據USB Type-C傳輸線及連接頭規格中的電流模式定義，與最高100W的外部電源管理IC以及最高15W(5V電壓下供應3A電流)的內部電源管理IC進行通訊。
針對USB Type-C晶片設計，Cadence提供一套事先驗證好之元件的IP次系統(圖3)以及實體元件IP(圖4、圖5)。IP次系統中包括一個連接埠控制器IP，將USB Type-C、USB替代模式以及USB電源傳輸等功能都加以整合。
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| 圖3 USB Type-C/DisplayPort IP次系統 |
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| 圖4 可支援Type-C與DisplayPort的實體元件IP功能區塊圖 |
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| 圖5 僅支援Type-C的實體元件IP功能區塊圖 |
這個次系統可用來開發單晶片解決方案，將視訊、音效、USB以及最高100W的電力傳輸功能全都結合在單一個外部連接器中，其中包括：
．一個適用各種連接頭的USB控制器
．一個DisplayPort 1.3發送裝置控制器
．一個6G的多重協定SerDes PHY
．一個USB Type-C連接埠控制器
．一個內嵌式Tensilica Xtensa CPU
這款IP次系統符合USB Type-C、USB 3.1 Gen1、USB On-the-Go (OTG)和USB電力傳輸等USB規格的要求，同時也可以達到DisplayPort 1.2a規格要求的每個通道5.4Gbit/s傳輸速率。同時，該IP次系統在耗電、效能以及晶片面積(PPA)方面非常具有競爭力，且提供單一的IP頂層，可以輕鬆整合到晶片設計中，產品開發的速度很快。
在驅動程式方面，該IP次系統搭配符合USB、DisplayPort和TCPC規格的參考驅動程式，具備有彈性且以韌體為主的TCPC實現能力，以及與各種主要USB電力傳輸堆疊的交互操作能力。
使用這個次系統，設計人員可以分別設定每一個片段的組態，例如連接埠、插槽的數量，以及針對主機功能性的特定ARM AMBA AXI組態設定內容。這個次系統也具備以下可以調整組態設定的功能項目：
．個別IP的組態設定功能
．整合後的AMBA APB及AXI組態介面
．單獨USB、USB/DisplayPort以及DisplayPort四通道運作能力
最特別的是，AMBA AXI組態設定介面可以降低系統出現延遲的風險，避免對USB控制器的效能造成影響。AXI介面可支援未完成交換(Outstanding Transactions)功能，讓系統可將進入USB控制器的資料切割成許多小區塊，然後暫存在控制器的緩衝區內，待USB控制器有時間可以處理時，再將資料透過主系統匯流排傳送出去，以便更有效地運用系統頻寬。
搶食USB Type-C大餅 成本/開發速度至為關鍵
高速傳輸介面USB Type-C已經蓄勢待發，即將成為各種電子裝置的連接頭規格主流。
對系統開發人員和晶片設計者來說，USB Type-C的多功能整合特性會帶來不少挑戰，而且必須在滿足嚴格成本及上市時程要求的前提下克服，畢竟終端產品，尤其是各種行動裝置的市場生態就是如此，想掌握商機，就得設法達到成本低廉、快速上市兩項目標。
這些挑戰並非無法克服，例如本文所介紹的USB Type-C IP次系統，便可透過各種方式達成效能、功耗以及縮短產品上市時程。