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一根数据线走天下,USB4全力加速下一代芯片

作者:Morten Christiansen, Technical Marketing Manager, Synopsys

你最近入手过U盘吗?你有注意过自己买的是USB 2.0、3.0、3.2还是4吗?这里我们常说的USB究竟是指什么呢?

USB其实是在不同设备之间实现数据传输的关键技术,它是一种传输数据的协议规范,也是一种接口技术规范。可以说USB改变了我们连接和使用计算机以及各种外部设备(例如显示器、存储设备、音频和视频输入设备等)的方式。

最早的USB 1.0 是在上世纪 90 年代初问世,它主要规范了打印机、键盘、鼠标等设备与个人电脑之间的连接方式。USB1.0的连接速度相当慢,大约是1.5MB/s或12MB/s,而最新的USB4的连接速度则高达40GB/s,也就是说传输10GB的文件理论上来说仅需4秒,这个速度是USB3.2的两倍。

与之前几代USB相比,USB4不仅传输速度更快,兼容性也更好,支持向后兼容(也就是兼容更低版本),它可以更高效地连接几乎所有设备并为其充电。如果你的手机、电脑、显示器、打印机等设备都支持USB4,那么理论上你只需要一根支持USB4的数据线,就可以在设备之间进行连接,居家办公也会因此方便很多,再也不需要买各种接口的转换线了,USB4可以让我们的工作模式更加丰富和便捷。此外,USB4的另一个厉害之处还在于它有望应用于支持人工智能计算的边缘设备中。

对于芯片开发者来说,USB 4意味着更高的复杂性,因为芯片设计也要与时俱进,必须要满足最新的标准规范。接下来我们将主要介绍USB 4与USB 3.2的区别,以及芯片开发者要如何在下一代芯片设计中部署USB4。

 

USB4 v.s. USB3.2

USB4 和 USB 3.2 使用的都是 Type-C 接口,但 USB4却要复杂得多。USB4 支持通过同一个Type-C接口,在同一个链路上,同时进行主机至主机、PCI Express® (PCIe®)、DisplayPort 音频/视频和 USB 数据的传输。两个 USB4 主机可通过主机至主机隧道传输交换 IP 数据包;DisplayPort 和 USB 隧道传输意味着音频、视频、数据和电源可通过同一个接口传送,速度比使用 USB 3.2 时快很多。此外,PCIe 隧道传输可提供高带宽、低延迟,能够实现高吞吐量的大容量存储、边缘人工智能和其他多种用例。

USB4 将两个传输和接收通道整合为一个USB-C接口,速率可达 20 Gbps 和 40 Gbps。每个通道数据速率可达“约”10 Gbps 或 20 Gbps。对芯片开发者来说,这一数据非常重要,他们需要知道:Thunderbolt3 模式在每个传输和接收通道上的数据速率为 10.3125 Gbps 或 20.625 Gbps。在传统 USB 模式中,只有一个传输/接收通道在5Gbps(USB 3.0)或 10Gbps(USB 3.1)的速率下运行。USB 3.2 的两个通道都在 10Gbps 的速率下运行。

 

新思科技助力芯片开发者们加速部署USB4

如果要在今后的SoC设计中采用USB4,芯片开发者必须要了解USB4这一规范的复杂性,同时还要了解USB.3.2、USB 2.0、USB Type-C 和 USB Power Delivery,以及 PCIe、DisplayPort 和高分辨率内容保护 (HDCP) 规范。

新思科技可提供包括主机、集线器、扩展坞和设备等一系列构建模块,用于设计USB4产品。这些组件的基本架构如下:

  • USB4 主机包含主机接口、DisplayPort 源设备和增强型 SuperSpeed USB 主机控制器,可在 USB4 模式下连接到主机路由器。根据 USB4 规范,PCIe Root Complex 控制器是可选的,但所有当前的USB4 主机都支持PCIe隧道传输。USB4 主机还必须支持传统的 USB 和 DisplayPort Alternate 模式,这样可确保后向兼容现有的 USB 和 DisplayPort Alt Mode外部设备。
  • USB4 集线器包含一个上行端口 (UFP) 以及一个或多个下行端口 (DFP),符合 USB4 规范。单个上行端口有助于为开发者降低复杂性,也可为用户减少混乱。需要注意的是,USB4 集线器既包括传统的 USB 集线器,又包括 PCIe 交换机和 USB4 设备路由器,因此远比 USB 3.2 或 USB 2.0 集线器复杂。
  • USB4 扩展坞也有一个上行端口和一个或多个下行端口。相比 USB4 集线器,USB4 扩展坞还具备多项集成功能,例如以太网适配器、USB 音频功能、与传统 DisplayPort 相连接的 DisplayPort 输出,以及用于 USB 键盘、鼠标、存储设备、摄像头等外设的传统接口。
  • USB4 设备(比如U盘)是最简单的 USB4 产品。它有一个 USB4上行端口,而没有 USB4下行端口。因此,它代表 USB4 系统的端点,不连接其他的 USB4 集线器、扩展坞或设备。但是,需要的功能越多,它必然会变得越复杂。(移动硬盘,接外部显卡盒子)

 

USB4:引领下一代芯片创新

2020 年 4 月,IEEE 发表的带宽评估报告预测了 2022 年的互联网用户数量以及设备数量,并与 2017 年的数据进行了比较:

  • 全球互联网用户量:34亿(2017) —> 48亿(2022)
  • 连接设备量:180亿(2017)—> 285亿(2022)
  • 每月人均使用数据量:29%(2017)—> 85%(2022)

近几年,远程学习和办公的频率大幅增加,也推动了这几项数据的增长趋势。为了能够更加顺畅的上网课和居家办公,必须要有更快的数据网络和更高的设备接口速度,而USB4的诞生则恰逢其时,可以满足新的学习和工作模式对于数据和接口速度的需求。无论是现实应用的升级还是工作学习模式的转换,都需要芯片加持。在芯片设计中将接口规范升级为USB4,同时确保所有系统组件能够协同工作,这对于芯片开发者来说是个非常艰巨的任务。

新思科技推出了完整的 USB4 解决方案DesignWare® USB4 IP,可以确保 USB4 能够达到甚至超过预期,帮助客户加快产品上市速度。DesignWare USB4 IP 解决方案支持所有符合 USB4 规范的应用,包括物理层 (PHY)、路由器、控制器和验证IP,并支持 5nm6nm 工艺制程。当USB4升级到下一代时,新思科技的USB4 IP解决方案将支持更多主流制程,如12nm,也就是几乎所有的USB4外部设备。

 

USB4,支持高达40Gbps的高传输速率、向后兼容、一根线连接所有设备、加速创新!USB4必将成为先进SoC和外设类型ASIC设计流程不可或缺的一部分。