新世代高速傳輸介面-USB4 概論

雖然COVID-19疫情蔓延，但宅經濟卻跟著起飛，有關居家辦公或者居家娛樂的產品前景一片看好。為了因應此波商機，USB4介面產品於2020年底問世；於此同時，4K及8K顯示螢幕也隨著潮流高速發展，在種種的推波助瀾下，疫情反而促成了人們可以在家享受比過往更精緻、刺激的視覺體驗。
 

於2019年下半年USB開發者論壇（USB-IF），發表新一代USB 傳輸應用規範USB4 (Universal Serial Bus Generation 4)。 USB4只採用USB Type-C連接器，USB4訊號採用Type C特有的雙通道傳輸方式與過去連接器如USB Type-A或Micro-B，僅支援單通道傳輸，差異相當大。(如下圖)

USB4 傳輸率最快可以到達40G (20Gbps x2)，並透過Intel Tunneled相關技術可同時傳送 DisplayPort 影音與PCIE相關訊號,以及支援PD(Power Delivery)快充技術。將多種協議組合到單個物理接口，可以動態共享USB4架構的整體速度和性能。另外向下相容USB 2.0 與 USB 3.2 Gen1/Gen2及支援 Thunderbolt 3/4。

USB4介面可分為單通道或雙通道傳輸模式。當作為單通道運行時，USB4端口使用其中通道0, 而通道1被禁用（如上圖所示）。當作為雙通道運行時，通道0與1整合成單一數據通道。另外Sideband通道(SUB)，在USB 3.2原本被定義為進入Alt-Mode (Alternate Mode) 模式之後提供影像協議溝通的通道（例如：DP Alt-Mode透過Sideband通道傳遞AUX訊號…等）。
 

在USB4規格中，Sideband通道新增功能用以確認USB4介面是否連接、通道的起始與關閉、通道的初始化，以及進入或離開睡眠模式(如下圖)

主要構成元件有路由器(Router) ，適配器(Adapter)，以及 TMU (Time Management Unit，時間管理單元)。

• 路由器是 USB4 的一個主要建構模組，主要是將Tunneling Packet轉換成 USB4 封包傳送，並透過 TMU做時間同步。最後再由USB Host 內建的 Connection Manager 來偵測及管理。
• 適配器是內建在路由器裡，主要功能為路由器與外部元件溝通的媒介，進行協定轉換。例如 USB4 Host在傳輸 USB3 資料 （如下圖），由內部 USB3 Host 透過 USB3 Adapter 進行協定封裝成 USB4 Tunneled Packet。
• TMU 是內建在 路由器裡，使用分佈式時間管理單元（TMU），在路由器間做時間同步。

• Protocol Adapter Layer：主要是負責 USB4 與不同協議間進行對應，並把不同協議封裝成 Tunneled Packet，在 USB4 介面內做傳遞。
• Configuration Layer：負責處理由 Connection manager 傳送來的控制封包(Control Packets) ，並附加路徑中對應的address，以確保其正確的傳送機制。
• Transport Layer：主要是定義封包格式、路徑、流量控制與時序控制，並產生 link management Packets 以提供時間同步封包 、流量控制封包…等。
• Logical Layer：負責建立 2 個裝置之間的USB4 連結，提供資料傳送與接收、編碼與解碼，電源管理，錯誤偵測回報及復原機制，並且透過 Sideband Channel 進行通道初始化的溝通，包括速度及雙通道溝通。
• Electrical Layer：定義 USB4 電氣訊號的特性，如電壓、抖動、編碼等。

這為USB4 傳輸路徑 USB4 Host 是將原始 USB3.2 封包經由 USB4 PAL (Protocol Adapter Layer) 封裝成 Tunneled 封包再由 USB4 Transport Layer、USB4 Logic Layer、USB4 Electrical Layer 轉 USB4 Link 傳送到 USB4 Hub Electrical Layer。再依上圖順序進行一連串 USB3.2/USB4 轉換，將訊號傳送到 USB4 Device。

透過上圖，可清楚理解DP協議由DP Source到DP Sink傳遞的完整過程。由DP Source端的PHY Electrical Sub-Block傳遞至下層Router的PHY Electrical Sub-Block，並由Router內的PAL轉換成USB4封包，繼續在Router內傳遞，直到底層DP Sink之前，才由前一層的Router將USB4透過PAL (Protocol Adapter Layer)轉換回DP協議，並經過PHY Electrical Sub-Block傳遞到DP Device。

PCIe傳遞過程與USB傳遞的方式類似。當Host內PCIe Controller送出PCIe的協議，由Host內部PAL對應PCIe中Logical sub-block傳遞而來的資料，經實體層Electrical Layer透過USB Type-C介面傳送至Hub。而Hub的上行口與Host下行口透過Electrical Layer對接，Hub裝置內的PCIe Switch同樣透過PAL對應到PCIe Switch的Logical sub-block；PCIe Switch內部分配後，透過Logical sub-block與Hub下行口的PAL對接，經Electrical Layer向Hub下行口的USB Type-C傳送至終端裝置端，最後於裝置端轉換為PCIe協議，送到裝置內需要PCIe訊號的部份。
 

USB4 / DP / PCIe 訊號連結路徑

依據不同的產品應用，對於USB4支援也有所不同，依據下表可以明確知道, USB4 Host/ HUB / Device可以依據需求對於TBT3/4 , DP , PCIe 支援度可以做相對應的刪減

但是對於USB 傳輸率來說, 只要是USB4的 Host / HUB / Device, 最基本都要支援到20Gbps, 最高可達40Gbps.

USB4 Cable

如下圖所示, 傳輸率越高的規格線材應用就越短, 所以各家做Active cable and Electronically Marker廠商 紛紛加入爭取USB4 Logo 行列。另外USB4 也包含PD function , 充電模式(PDO)最高可高達20V / 5A =100W, 為避免線材品質較差傳輸大電流而發生危險, 所以USB IF才會定義Electronically Marker 宣告機制,只要傳輸電流高於3A 如果Cable 沒有Electronically Marker 宣告機制通知Host / Device PD Controller, PDO將會停在3A不會往上提升，如此則可避免燒毀Cable的問題。

USB4是基於USB IF Type-C介面所定義的最新傳輸協議，整合了顯示、資料…等各項功能。相較於USB 3.2其傳輸速率不只提高到40Gbps，更加與PCIe、DP , Thunderbolt等協議相容, 並且支援主機到主機之間的溝通傳遞，USB4 and USB3.2 主要差異如上方表格所示。

USB4 支援 USB4 Gen2*2 = 20Gbps 以及 USB4 Gen3*2 = 40Gbps 速度，如果宣告支援 USB4 就一定要支援這兩個速度嗎？ 依據前面的說明,這個答案是”不一定”。 如果是Host design or device design就不一定要支援這兩個速度,這就需要以客戶需求來制訂,可以兩種都可以支援或擇其一即可。對於USB4 Hub 與 USB4-Based Dock 來說，就必須同時支援 20Gbps 及 40Gbps。

USB4 傳輸速率最高可已提升到 40 Gbps，並且可以動態分享頻寬，當使用一條 USB Type-C 連接線就可以相容於市面上Thunderbolt 3/4 以及 Display 度讓桌面能更加簡單。

但是對產品的開發者來說，USB4 是一個相當大的一個挑戰，除了產品設計和以往 USB3.2 的產品在架構上的差異，必需要考慮到高速信號在 PCB 傳遞與連接器上的衰減，需審慎考慮選用高速訊號調整方案(Re-Driver or Re-Timer)來維持訊號強度與完整性, 另外也須更關注高頻阻抗匹配，以達到產品使用上的有效性。

我們代理的產品線眾多，在USB 相關領域的產品也相當齊全,請參考下圖。另外對於USB所搭配的Power solution, 我們也有完整的產品線可以支援,如瑞薩電子，MICROCHIP , ONSEMI ,SGMICRO…等。

USB-IF USB4 Spec.

USB-IF Type C Spec.

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