USB開發者論壇(USB-IF)在2022年10月18日發布最新USB4 Ver2.0規格，又再次使USB頻寬增加一倍，透過USB Type-C纜線和連接器提供80Gbps性能且支援DisplayPort 2.1，這將有益於更高性能的顯示器、儲存裝置與USB集線器等。
為了支援更高傳輸性能，USB-IF也同時發表USB Type-C纜線和連接器更新規格到2.2版，以及USB PD 3.1規格到1.6版本。同一周內，英特爾(Intel)也展示其與USB4 Ver2規格一致的下一代Thunderbolt支援80Gbps的早期原型。
繼USB-IF在2019年9月推出USB4規格，結合資料與影像同時傳輸，將傳輸速度提升至USB 20Gbps(10Gbps x2)與USB 40Gbps(20Gbps x2)，搭配PD高達240瓦(W)的快速充電功能，充分滿足遊戲玩家高解析度顯示及快充所需。為了因應全球高效能運算(HPC)應用不斷加速，USB-IF發布最新USB4 Ver2.0規格，針對持續成長的資料量與更高解析度的影音規格，提供USB 80Gbps(40Gbps x2)的超高傳輸速度，使USB4持續稱霸外接介面。
本文將介紹此最新規格，重點為以下幾項：USB4 Gen4介紹、PAM3眼圖、USB4 Gen4規格的「頻寬」優化。
USB4 Gen4介紹
新發布的USB4 Ver2.0規格，傳輸速率再次倍增，來到80Gbps(40Gbps x2)，並以USB4 Gen4來表示。電氣層採用PAM3 (Pulse Amplitude Modulation 3-level)訊號編碼，如圖1所示，利用三個電壓狀態進行傳輸，所以會形成上下兩個眼圖。
圖1 USB4 PAM3眼圖
每通道以25.6GBaud進行傳輸，傳送端將二進制位元(bit)訊號，透過11-bits to 7-trits(三進制)的映射配置進行編碼，以PAM3訊號傳輸，達到雙通道80Gbps傳輸速度。在接收端部分，Gen4要求在沒有FEC(Forward Error Correction)的條件下，誤碼率(Trit Error Ratio, TER)須以1E-8或更低的誤碼率進行接收。以下先介紹幾個常見的專有名詞。
NRZ、PAM3以及PAM4介紹
以下分別說明並比較NRZ(PAM2)、PAM3、PAM4，如圖2所示。
圖2 PAM2、PAM3、PAM4比較
．NRZ
Non-Return-to-Zero，也稱作Pulse Amplitude Modulation 2-level(PAM2)訊號，二進制的編碼，使用高低準位來代表邏輯1與0。NRZ每個Symbol可以傳送1個位元(log2 2=1)。
．PAM3
Pulse Amplitude Modulation 3-level，3階脈衝振幅調變，三進制的編碼，通常以-1、0、+1或者0、1、2來表示Ternary (三元)值，PAM3每個Symbol可以傳送1.58個位元(log2 3=1.58)。
．PAM4
Pulse Amplitude Modulation 4-level，4階脈衝振幅調變，通常以00、01、10、11來表示。PAM4每個Symbol可以傳送2個位元(log2 4= 2)。
Data Rate與Baud Rate
高速介面資料傳輸速度Date Rate，通常以bps(bit per second)來表示，是指每秒傳輸的位元數。但是隨著訊號編碼的改變，如網通常用50GBaud PAM4傳送，可以達到100Gbps Data Rate。
Symbol Rate以Baud來表示。1 Baud等於每秒傳輸一個Symbol。而Data Rate再依照每個Symbol以不同編碼機制下所承載的位元數來計算。二者換算關係為：Date Rate = Baud Rate * Symbol承載位元數。
當訊號編碼方式為NRZ時，Baud Rate會等於Data Rate，如25.6GBaud的NRZ (PAM2)，Data Rate為25.6Gbps(25.6 GBaud * log2 2)。
當訊號編碼方式為PAM3時，25.6 GBaud PAM3的Data Rate為40.575Gbps (25.6 GBaud * log2 3)。
USB4 Gen4以PAM3訊號，25.6GBaud速度傳輸，透過11-bits到7-trits的映射配置，以40.2Gbps Date Rate(25.6GBaud * 11/7)，達到雙通道傳輸80Gbps。
附帶說明一下，PAM3 Symbol乘載位元數最高為1.58個位元(log2 3=1.58)，USB4 Gen4其Symbol乘載位元數為1.57 (11/7bits)，充分運用99%的PAM3傳輸頻寬。
誤碼率BER與TER
在NRZ訊號，以位元來傳輸，誤碼率會以BER(Bit Error Ratio)表示。對於PAM3以三進制的訊號傳輸，誤碼率則以TER (Trit Error Ratio)表示。
PAM3眼圖說明
USB4 Gen4想要達到80Gbps且沿用與Gen3相同的印刷電路板(PCB)纜線，必須採用新的編碼方式如PAM3或PAM4，並且從下列兩大方向考量：
總損耗考量
訊號從Host的TX端經由連接器、纜線，再到Device的RX端，以Gen3相同纜線及印刷電路板最大允許損耗下，若採用NRZ以40Gbps傳輸，其傳輸損耗在Nyquist頻率(20GHz)將會超過40dB，IC無法補償此過高損耗，導致訊號無法正確接收，NRZ無法符合Gen4要求。而PAM4與PAM3在Gen4 Nyquist頻率為10GHz與12.8GHz，其總傳輸損耗分別約為23dB與28dB，IC可以補償此損耗，納入分析考量。
誤碼率考量
PAM3傳送眼高為NRZ的一半，PAM4傳送眼高為NRZ的1/3，增加接收端還原訊號困難度，而PAM3在訊號雜訊失真比優於PAM4，經由模擬以及實際線路的實驗結果，未編碼BER分別為10E-8與10E-6，因而選擇採用更適合的PAM3。
USB4 Gen4規格優化頻寬
USB4 Gen4的頻寬優化，可以從以下兩部分來加以著手。
USB4 Gen4支援非對稱傳輸 速度可提升至120Gbps
為了維持高影像解析傳輸，在高資料傳輸情況下，不降低顯示品質，Gen4新增非對稱傳輸(Asymmetric Link)。只有Gen4可以支援非對稱傳輸，Gen2與Gen3僅支援對稱傳輸。
對稱傳輸指的是TX通道數(Lane)與RX通道數一致。USB4 Gen4必須為雙通道傳輸，只有Gen2與Gen3可以是單通道傳輸(1*TX/1*RX)，也就是在Lane 0傳輸、Lane 1停用的狀態下傳輸；而雙通道對稱傳輸(2*TX/2*RX)可以在Gen2、Gen3、Gen4任何速度運行。
Gen4除了支援對稱雙通道傳輸外，為了可以支援高解析度影像DP 2.1傳輸且同時高速傳輸資料，Gen4新增非對稱傳輸，也就是將其中的一對TX/RX通道，作為影像傳輸通道，以TX/TX或RX/RX傳送(圖3)。也就是一邊傳輸3*TX/1*RX，另一邊為1*TX/3*RX。使得其在一個方向提供高達120Gbps(40Gbps x3)，同時在另一個方向保持40Gbps的速率。對稱傳輸轉換到非對稱傳輸，是由連接管理(Connection Manager)負責控制。
圖3 對稱與非對稱USB4連接
USB4 Gen4新增USB3 Gen T優化頻寬運用
USB4新增支援USB3 Gen T通道協定，主要是讓USB3通道傳輸可以更充分利用USB4傳輸頻寬。USB3 Gen X與USB3 Gen T是在USB4 Ver2中新增的定義，說明如下：
．USB3 Gen X
使用現有USB 3.2協定的USB3通道架構。
．USB3 Gen T
使用修改的USB 3.2協定的USB3通道架構，以允許使用USB4可用最大頻寬。
USB4須向下相容USB3，所以在USB4 Gen2/Gen3路由器內部，必須配備有USB3協定連接器(USB3 Protocol Adaptor)，將原生的USB3協定資料流量和LFPS封裝在USB4封包中，在USB4 Ver2最新規格中將此定義為USB3 Gen X通道協定。
USB3 Gen X通道協定下，集線器(Hub)只有一個上傳的Embedded SS Hub，即使Hub下接裝置多通道同時傳送，也會被上傳Hub的頻寬限制。如圖4左，無法充分利用USB4更高的頻寬。
圖4 USB3 Gen X與USB3 Gen T通道比較
USB3 Gen T通道協定使用USB 3.2協定的修改版本，主要透過新增USB3 Gen T協定連接器來達成，如圖4右，若主機和設備都支援USB3 Gen T，例如Hub下接兩個裝置，且都運行在20Gbps(USB3 10G x2)，下接頻寬共為40Gbps，在Hub運作，上傳與下傳會直接通過(無須經由USB3 Embedded SS Hub)，使得上傳頻寬亦可為40Gbps，不會受限於原USB3 Gen X上傳20Gbps限制，讓USB3 Tunneling可以更有效地利用USB4的頻寬。對Host、Hub、Device來說，USB3 Gen T Tunneling都是可以選擇性支援的功能。
結語
USB4 Gen4傳輸速度提升到80Gbps並採用PAM3編碼，新增USB Gen T與支援非對稱傳輸；測試上，由原本只要測試兩對TX/RX，變為四對TX/RX，不只增加測試時間，也增加了測試複雜度。對於設計團隊來說，PAM3編碼是新的挑戰，眼高只有原先NRZ一半的狀況下，訊號雜訊失真比相形重要，更複雜的眼圖及抖動測試分析，需要更多時間去摸索。
(本文由Granite River Labs提供)
(針對USB，如欲瞭解更多，請參考GRL USB技術文章、認證測試服務及測試軟體)