撰稿：邱弘志 / 新事業發展部經理
編輯：程文豪、蘇怡安
 
隨著硬體與畫質技術的提升，手機和相機的鏡頭畫素越來越高，硬碟容量越來越大，使用者對於資料傳輸的需求與日俱增，因此，因應市場需求，在常用的電子裝置上，USB支援的傳輸速度持續向上提升，此現況已然發生。
讓我們回到1996年，當時發布的USB 1.0只有兩種傳輸速率：12Mbps與1.5Mbps；接著，來到2000年，近代最普遍的傳輸規格USB 2.0問世，傳輸速率提高至480Mbps，同時支援向下兼容 (Backwards compatibility)。在2006年，當時硬碟傳輸速率超過100MB/s，遠超過USB 2.0的傳輸限制，於此同時，網路技術快速發展，帶動數位內容產業，應用急遽擴增，於是，協會於2008年發布USB 3.0規格，也就是後來的USB 3.1 Gen1，傳輸速率可達5Gbps，仍支援向下兼容USB 2.0。
時代和科技持續地前進，4K / 8K高畫質影片為人們帶來前所未有的觀影體驗，更大容量的傳輸與儲存需求不容忽視。USB 3.1 Gen2規格再次提高傳輸速度至10Gbps。2017年9月推出的USB 3.2規格，定義同時使用USB Type-C的兩對高速訊號對，資料傳輸的速度再次由一對訊號線的10Gbps翻倍為兩對訊號線的20Gbps；由於同時使用兩對訊號線進行傳輸，因此唯有USB Type-C介面可支援20Gbps的傳輸速率規格。透過圖一USB Type-C的訊號腳位定義，可幫助我們更容易理解上述USB的規格與相容性。



USB Type-C介面共有24根腳位，為了完美解決方向性的限制，此24根腳位設計成左上與右下對稱，其中USB 2.0使用中間D+ / D-訊號，而前面提到的高速訊號對，則是圖中的高速通道1與高速通道2。在USB 3.2規格問世之前，只使用其中一組通道進行USB資料傳輸；而在USB 3.2世代，我們同時運用高速通道1與高速通道2，使資料傳輸速率可達到20Gbps。
USB-IF協會於2019年9月釋出最新的USB4規格書，此文將針對USB4之規格和USB4定義的初衷進行介紹。讓我們以這段來自USB4規格書的引述揭開序幕：

• 透過USB Type-C介面，提供影像、資料與電源的傳輸。
• 新的規格能向下兼容於既有的USB及Thunderbolt產品。
• 定義介面的相容性，以符合使用者以往慣有的使用經驗與預期。
• 對於頻寬、電源與其他性能有關參數的控制，提供主控端更高的彈性。

 
透過以上描述，可清楚了解USB4是基於USB Type-C介面而設計，除了原本可向下兼容於USB 3.2與USB 2.0之外，USB4並將原本USB 3.2的傳輸速率20Gbps (Gen 2x2)提升至40Gbps (Gen 3x2)，且可以透過單一物理接口進行多種協議的傳輸。
USB4允許多種協議平行傳輸，包括Enhanced SuperSpeed USB (USB3)、DisplayPort (DP) 用於影像顯示，和PCI Express (PCIe) 用於資料傳遞。
USB4介面含括傳送與接收數據的高速傳輸通道，以及雙線的Sideband　(SB) 通道 (SBTX / SBRX)；而完整支持USB4的USB Type-C介面包括：USB4界面、USB 2.0數據線、USB Type-C Configuration Channel (CC) 和電源與地 (VBUS / VCONN / GND)。
USB4介面可作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（如圖二所示）。當作為雙通道運行時，通道0與1整合成單一數據通道。

傳輸距離也由於USB規格的不同而有所差異，關於傳遞線材的比較，如同表一所示，USB 3.2 Gen1傳輸速率為5Gbps，線材最長長度為2m，無論電流是3A或5A，皆須以Electronic marker (E-Marker) 作為線材的識別。USB 3.2 Gen2與USB4 Gen2傳輸速率為10Gbps，線材最長長度減少為1m，20Gbps的USB4 Gen3線材長度最長為0.8m，以上都需要E-Marker作為識別。

USB Version	Cable Length	Current Rating	USB Power Delivery	USB Type-C Electronically Marker
USB 2.0	≦4m	3A	Supported	Optional
		5A		Required
USB 3.2 Gen1 & USB4 Gen2	≦2m	3A	Supported	Required
		5A		Required
USB 3.2 Gen2 &  USB4 Gen2	≦1m	3A	Supported	Required
		5A		Required
USB4 Gen3	≦0.8m	3A	Supported	Required
		5A		Required

USB4型態上分為主控端 (Host) 與裝置端 (Device)，裝置端進而依據是否繼續延伸的下行口再分為集線器 (Hub) 與周邊裝置 (Peripheral Device)。
USB4 Host的所有下行口，皆需支援DP Alt-Mode，可提供DP訊號，支援20G USB4操作 (Gen 2x2)，而40Gbps USB4 (Gen 3x2)與PCIe的控制器皆為實作選項。
Hub與Peripheral Device都只有一個上行口，Hub可有多個USB下行口。USB 4 Peripheral Device需支援20Gbps USB4 (Gen 2x2)，而40Gbps USB4 (Gen 3x2)則為實作選項；另外可依據裝置之設計需求，包含PCIe switch、DP發射或接收端。
USB4 Hub所有下行口需支援DP Alt-Mode，且向下相容USB 3.2與USB 2.0裝置。Hub需包含Enhanced SuperSpeed USB Hub、PCIe Switch及USB 2.0 Hub。USB4 Hub需同時支援20Gbps USB4 (Gen 2x2)與40Gbps USB4 (Gen 3x2)操作。
關於Thunderbolt，USB4 Hub所有下行口需支援Thunderbolt 3 (TBT3) 的操作，而USB4的Host或Peripheral device則可依據需求選擇是否支援TBT3。以下表二和表三分別列出USB Host、USB Hub以及USB Peripheral Device對於不同協議支援的選項（表二），以及可以支援的USB傳輸速率（表三）。


V: 必須， O: 實作選項

	20G (Gen2 x 2)	40G (Gen3 x 2)
USB4 Host	V	O
USB4 Hub	V	V
USB4 Peripheral Device	V	O

V: 必須， O: 實作選項


裝置可透過Hub作樹狀的擴充。Host位於樹狀結構的頂層，樹狀結構至多可疊加六層，亦即裝置端與Host端的最遠連線，是透過四層Hub進行串接。而USB4訊號與協議的傳遞，透過圖三的Protocol Adapter Layer、Configuration Layer、Transport Layer、Logical Layer與Electrical Layer堆疊而成。 USB4也支援Host-to-Host連接，透過Host Interface Tunneled Packet在兩個Host之間進行資料溝通，分為兩種模式：一次性傳送檔案的Raw Mode，或每次傳送4096 bytes的Frame Mode。
了解USB4的基本規格之後，接下來將介紹各種協議於USB4裝置之間如何傳遞。
USB4 Host支援USB3通道協議、DP通道協議、Host-to-Host通道協議，並可依據需求支援PCIe通道協議；USB4 Hub支援USB3通道協議、DP通道協議、Host-to-Host通道協議，以及PCIe通道協議；USB4 Device不支援Host-to-Host通道協議，除此之外可依據實際需求選擇支援上述任一協議。
圖四將列出USB3在整個連結中從Host端、經由Hub到Peripheral Device的傳遞路徑。在Host中，USB3的訊號由Enhanced SuperSpeed Host送出，經由USB3 DN Adapter進入Host Router，並由USB4 Port經USB Type-C介面連接下一層Hub，而Hub內部有一個USB3的Enhanced SuperSpeed Hub。資料經由Hub內部Device Router中的USB 3 Up Adapter傳送至Enhanced SuperSpeed Hub，於分配後再經由Device Router的USB3 DN Adapter向下傳遞，經由USB4 Port，到達USB Type-C的下行口。在此之後，最終的Peripheral Device由Device Router將訊號傳遞至目的地。
 

至此，我們了解USB和DisplayPort的協議，最後來看PCIe。下列圖七，列出PCIe 由Host端經由Hub到Peripheral Device的整個傳遞路徑。在Host中，PCIe訊號由PCIe Controller送出，從PCIe DN Adapter進入Host Router，經USB4 Port由USB Type-C介面傳送至下一層Hub。PCIe的協議經由Hub內部Device Router的PCIe Up Adapter進入Hub內部的PCIe Switch。經由分配，從Device Router的PCIe DN Adapter經由USB4 Port向下到達USB Type-C下行口。最終的Peripheral Device，透過USB Type-C介面收到訊號，由Device Router當中的PCIe Up Adapter將訊號傳遞至目的地。
 

PCIe傳遞過程與USB傳遞的方式類似，比對圖七和圖八，可理解訊號會依據傳遞路徑在PCIe協議與USB4協議之間切換。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。



此外，最新的USB4規範，同步新增Host-to-Host的溝通，透過新的Host Interface Adapter，可讓兩個主控端的Connection Manager進行對話，同樣透過USB4協議傳遞，如圖九所示。

USB4是基於USB Type-C介面所定義的最新傳輸協議，整合了顯示、資料、存儲…等各項功能。相較於USB 3.2，不僅傳輸速率提高至40Gbps，更與PCIe、Thunderbolt等協議相容，支援主機到主機之間的溝通傳遞，規格差異如表四所示。

	USB 3.2	USB4
Interface Bandwidth on USB-C	20Gbps (Gen 2x2) for USB only	40Gbps (Gen 3x2) for USB/ DP/ PCIe/ TBT3
Protocol	USB only or USB+DP Alt-Mode	USB4 Link through Tunneling architecture for USB/ DP/ PCIe
DP Alt-Mode	USB3.2 Gen2x1+DP 1.4a	DP 1.4a through Tunneling architecture
PCIe	X	PCIe 4.0 through tunneling architecture
TBT3	X	V
Host-to-Host	X	V
Sideband	Alt-Mode	Alt-Mode / USB4 Configuration Space

X: 不支援，V: 支援


目前市面上既有的USB Type-C轉接產品，最常見的為USB擴展塢 (Dock Station)，若升級為USB4規格，將可傳遞超高畫質影像，例如：從一組8K影像變成兩組同步輸出，或是透過支援TBT3、PCIe的USB Type-C介面，擴充顯示卡或存儲裝置。
此外，VR、AR甚至延伸至XR，顯像技術不斷地提升。舉例HTC VIVE，自剛問世的2160 x 1200像素（單眼解析度1080 x 1200像素）到CES 2019公布的VIVE Cosmos已提升至2880 x 1700像素（單眼解析度1440 x 1700像素），另有HP推出Windows VR Reverb，單眼解析度達2160 x 2160像素！越高的解析度即代表越大的頻寬需求，透過USB4，不但能傳遞更高解析度影像，還可以傳送VR其他傳感器的訊號，並對頭戴裝置提供電源，於此領域的應用前景，以及周邊生態鏈的發展，都將有所改變。
而USB4的誕生，讓主機之間可以進行資訊溝通，規格中有提到，讓兩個主機交換由網路獲得的IP封包，類似應用或許可運行於人工智慧相關領域；AI需進行大量平行運算，過去可能透過網路，而未來是否能透過USB直接由主機交換運算的結果，將是值得討論的課題；若用於邊緣端的物聯網裝置，也可透過USB擴充硬體功能，新增的硬體能透過USB4與裝置進行溝通與更新。
USB4在USB Type-C的基礎之下，增加了對DP、PCIe、Thunderbolt等協議的相容性，同步提升傳輸效率；就像5G通訊技術一樣，傳輸速度加倍、連網裝置增加、傳輸時延降低…等，USB4的眾多新特色，也將會為消費性電子產品，擴充更多應用和可能！
 
說明1：本篇章圖片引用自USB 3.0 Promoter Group (August, 2019). Universal Serial Bus 4 (USB4™) Specification, Version 1.0
說明2：本篇文章同步刊載於城邦新電子雜誌 2020年版嵌入式系統設計解密 特刊