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晋级10Gbps 增强版USB 3.0应用版图再扩张 发布日期:2013/07/12
即将在今年第三季拍板的增强版USB 3.0规格,其速度将高达10Gbps,直追目前由英特尔(Intel)力推属于贵族产品的Thunderbolt。称霸PC市场多年,USB一举将速度推升至10Gbps后,将对未来几年的高阶运算、消费性电子市场带来何种影响?

自年初USB-IF宣布将提升USB 3.0的速度至10Gbps,并表示2014年将有通过USB-IF认证的增强版USB 3.0晶片问世,近半年来,业界厂商已召开多次Industry review会议,号召业界专家讨论10Gbps产品开发过程中的技术细节。台湾USB晶片供应商创惟科技(Genesys Logic)也参与了在北美召开的技术草案讨论,积极规划开发新产品,以因应即将定案的超高速增强版USB 3.0规格。


增强版USB 3.0面临的技术挑战

USB-IF迄今对增强版USB 3.0的正式名称尚未定案,目前有5Gbps(Gen 1)和10Gbps(Gen 2)两个版本,并暂时将5Gbps版本称为SuperSpeed​​,10Gbps版本称为SuperSpeed​​Plus。预计在1.0版规格问世后,正式名称也将定案。

对晶片供应商来说,增强版USB 3.0带来了许多挑战。创惟科技资深技术行销经理魏骏雄指出,首要挑战是速度高达10Gbps的实体层(PHY)将需要更先进的制程。过去速率5Gbps的PHY所用的是0.11微米制程,当速度跃升至10Gbps后,预估65奈米的先进制程才能因应如此高速的讯号处理。

魏骏雄进一步说明,增强版USB 3.0的整个系统架构,从实体层(physical layer)到链接层(Link layer),都必须做某种程度的修改,才能符合新的规范。例如,5Gbps版本采用8b/10b编码,但10Gbps版本采用的是128b/132b编码。 128b/132b编码的位元数较多,能在原有的媒介上以更高的速度提升性能。

PCB也必须有所改变才能符合新规范的需求。在5Gbps版本中,对PCB板材的容差要求较宽,为70Ω~105Ω;但10Gbps需要更好、规格更严谨的PCB板材,其容差将缩小到80Ω~100Ω。 OEM/ODM甚至系统设计厂商必须提供更精准的设计。

其次是增强版USB 3.0本身的物理特性问题。在5Gbps版本中,从Host到Connector的走线长度约为7~8英吋,但在10Gbps版本中,走线长度可能缩减至3英吋。在17或19吋大型笔电中,任何一个Host到Connector的距离都可能超过3英吋,将无法满足增强版USB 3.0本身的物理电气特性,势必需要使用re-driver IC来还原和放大讯号,让走线长度增加到12~20英吋,以满足PC或大型笔电的P​​CB布局要求。

Cable也将面临类似问题。高速传输标准首先面临的最大挑战是衰减和干扰。 USB 2.0的Cable容许长度为5公尺,USB 3.0为3公尺,到了10Gbps的增强版USB 3.0可能仅剩下1公尺。魏骏雄指出,铜线传输都会遇到衰减和抖动问题,缩减Cable长度可能会让未来的使用情境受到限制。从PCB布局到Cable端,都已经能用re-driver来放大和还原讯号,解决距离不足的问题。

创惟预计在2014下半年推出增强版USB 3.0的Re-driver IC,并打算在2015年上半年推出集线器晶片。


增强版USB 3.0让PC应用升级

魏骏雄分析了增强版USB 3.0在市场上的潜力应用领域,当USB的传输速度一举提升到10Gbps,大量的视讯资料传输成为最直接的应用领域,高画质电视、Ultrabook到固态硬碟(SSD)都包含在内。

市面上已开始出现4K2K电视,从高画质(HD)到Full HD再到4K2K,电视的视讯串流量愈来愈大,需要的频宽也更大。特别是未来的超高画质电视不仅将具备「智慧」、「连网」等特性,在「汇聚」趋势的带动下,预计也将配备与PC周边相连接的介面,届时这些设备间将需要更有效率的传输介面,而10Gbps增强版USB 3.0便可望凭借着USB在广大运算设备中的高普及率,在电视领域延伸其应用触角。

10Gbps版USB在PC领域初期的主要应用将会是Docking station。魏骏雄指出,今年以来Ultrabook开始成为笔电市场主流,但超薄外形仅能搭载有限的I/O。使用者回到家后若需要利用Ultrabook连接其他设备,例如连接电视或是接到其他萤幕传送大量视讯等资料串流,就会衍伸Docking station的需求。

另一个可能的应用是固态硬碟。目前固态硬碟大多采用SATA,一部份采用PCIE介面,但也有另外一部份开始采用USB 3.0。魏骏雄指出,SATA目前的传输率虽然有6Gbps,但在连结多颗硬碟的磁碟阵列应用中,频宽需求可能超过5Gbps,而未来会有更多需要10Gbps以上传输率的中高阶应用出现,这正是增强版USB 3.0的机会所在。


等待Host晶片问世 启动大规模应用

尽管10Gbps增强版USB 3.0具备改进资料编码以获得更高的吞吐和I/O能效、相容现有USB 3.0介面和资料线、相容现有USB 3.0软体堆叠和设备级协定以及相容现有USB 3.0/ 2.0集线器和设备等优势,但这项新标准要能真正启动大规模应用,还必须等待Host晶片问世。

截至目前,10Gbps增强版USB 3.0的发展态势仍不甚明朗。包括瑞萨(Renesas)、德州仪器(TI)或威盛等公司,都还未明确表态要开发10Gbps增强版USB 3.0的Host晶片。魏骏雄指出,10Gbps增强版USB 3.0未来可能会有两种发展,一是针对有需求的高阶使用者采用独立晶片设计,尽快将10Gbps的USB 3.0导入产品中。另外一种则是等待英特尔将10Gbps增强版USB 3.0整合到晶片中,才可能展开大规模应用。

事实上,10Gbps增强版USB 3.0的普及还必须克服成本以及等待周边跟上等问题。在毛利锱铢必较的PC产业,成本是每一代新标准能否快速普及的最关键因素之一。 USB 3.0问世以来,便历经了2、3年的等待,直到晶片供应商们努力将成本降低到市场可接受的程度。因此,10Gbps增强版USB 3.0在PC市场的全面性换机潮可能不会太快发生,但或许有机会在连接电视等高阶应用中崭露头角。

此外,就在10Gbps增强版USB 3.0标准即将抵定并开始走向市场之际,原有的USB 3.0也在PC/NB和周边市场以外持续扩张版图。魏骏雄表示,2013年Q2之后,PC几乎100%搭载USB 3.0,而此趋势正朝着平板电脑和智慧型手机等领域延伸,包括英特尔的Bay Trail、Nvidia的Tegra T40、高通(Qualcomm)的Snapdragon 2和TI的OMAP 5,都已开始支援USB 3.0。预计2014下半年之后,将陆续有高阶的平板或手机开始支援USB 3.0。

此外,SoC供应商也开始在设计中纳入USB 3.0。联发科(MTK)的智慧电视SoC和晨星的数位电视单晶片都采用了USB 3.0。随着愈来愈多消费性IC开始采用USB介面,USB将不断扩展其应用层面,为未来10Gbps增强版USB 3.0在跨运算和消费市场的整合应用奠定基础。


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