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晉級10Gbps 增強版USB 3.0應用版圖再擴張 發佈日期:2013/07/12
即將在今年第三季拍板的增強版USB3.0規格,其速度將高達10Gbps,直追目前由英特爾(Intel)力推屬於貴族產品的Thunderbolt。稱霸PC市場多年,USB一舉將速度推升至10Gbps後,將對未來幾年的高階運算、消費性電子市場帶來何種影響?

自年初USB-IF宣佈將提升USB 3.0的速度至10Gbps,並表示2014年將有通過USB-IF認證的增強版USB 3.0晶片問世,近半年來,業界廠商已召開多次Industry review會議,號召業界專家討論10Gbps產品開發過程中的技術細節。台灣USB晶片供應商創惟科技也參與了在北美召開的技術草案討論,積極規劃開發新產品,以因應即將定案的超高速增強版USB 3.0規格。


增強版USB 3.0面臨的技術挑戰


USB-IF迄今對增強版USB3.0的正式名稱尚未定案,目前有5Gbps(Gen1)和10Gbps(Gen2)兩個版本,並暫時將5Gbps版本稱為SuperSpeed,10Gbps版本稱為SuperSpeedPlus。預計在1.0版規格問世後,正式名稱也將定案。

對晶片供應商來說,增強版USB3.0帶來了許多挑戰。創惟科技資深技術行銷經理魏駿雄指出,首要挑戰是速度高達10Gbps的實體層(PHY)將需要更先進的製程。過去速率5Gbps的PHY所用的是0.11微米製程,當速度躍升至10Gbps後,預估65奈米的先進製程才能因應如此高速的訊號處理。

魏駿雄進一步說明,增強版USB 3.0的整個系統架構,從實體層(physical layer)到鏈接層(Link layer),都必須做某種程度的修改,才能符合新的規範。例如,5Gbps版本採用8b/10b編碼,但10Gbps版本採用的是128b/132b編碼。128b/132b編碼的位元數較多,能在原有的媒介上以更高的速度提升性能。

PCB也必須有所改變才能符合新規範的需求。在5Gbps版本中,對PCB板材的容差要求較寬,為70Ω~105Ω;但10Gbps需要更好、規格更嚴謹的PCB板材,其容差將縮小到80Ω~100Ω。OEM/ODM甚至系統設計廠商必須提供更精準的設計。

其次是增強版USB3.0本身的物理特性問題。在5Gbps版本中,從Host到Connector的走線長度約為7~8英吋,但在10Gbps版本中,走線長度可能縮減至3英吋。在17或19吋大型筆電中,任何一個Host到Connector的距離都可能超過3英吋,將無法滿足增強版USB3.0本身的物理電氣特性,勢必需要使用re-driver IC來還原和放大訊號,讓走線長度增加到12~20英吋,以滿足PC或大型筆電的PCB佈局要求。

Cable也將面臨類似問題。高速傳輸標準首先面臨的最大挑戰是衰減和干擾。USB2.0的Cable容許長度為5公尺,USB3.0為3公尺,到了10Gbps的增強版USB3.0可能僅剩下1公尺。魏駿雄指出,銅線傳輸都會遇到衰減和抖動問題,縮減Cable長度可能會讓未來的使用情境受到限制。從PCB佈局到Cable端,都已經能用re-driver來放大和還原訊號,解決距離不足的問題。

創惟預計在2014下半年推出增強版USB 3.0的Re-driver IC,並打算在2015年上半年推出集線器晶片。


增強版USB 3.0讓PC應用升級

魏駿雄分析了增強版USB3.0在市場上的潛力應用領域,當USB的傳輸速度一舉提升到10Gbps,大量的視訊資料傳輸成為最直接的應用領域,高畫質電視、Ultrabook到固態硬碟(SSD)都包含在內。

市面上已開始出現4K2K電視,從高畫質(HD)到Full HD再到4K2K,電視的視訊串流量愈來愈大,需要的頻寬也更大。特別是未來的超高畫質電視不僅將具備「智慧」、「連網」等特性,在「匯聚」趨勢的帶動下,預計也將配備與PC週邊相連接的介面,屆時這些設備間將需要更有效率的傳輸介面,而10Gbps增強版USB 3.0便可望憑藉著USB在廣大運算設備中的高普及率,在電視領域延伸其應用觸角。

10Gbps版USB在PC領域初期的主要應用將會是Docking Station。魏駿雄指出,今年以來Ultrabook開始成為筆電市場主流,但超薄外形僅能搭載有限的I/O。使用者回到家後若需要利用Ultrabook連接其他設備,例如連接電視或是接到其他螢幕傳送大量視訊等資料串流,就會衍伸Docking Station的需求。

另一個可能的應用是固態硬碟。目前固態硬碟大多採用SATA,一部份採用PCIE介面,但也有另外一部份開始採用USB 3.0。魏駿雄指出,SATA目前的傳輸率雖然有6Gbps,但在連結多顆硬碟的磁碟陣列應用中,頻寬需求可能超過5Gbps,而未來會有更多需要10Gbps以上傳輸率的中高階應用出現,這正是增強版USB 3.0的機會所在。


等待Host晶片問世 啟動大規模應用

儘管10Gbps增強版USB 3.0具備改進資料編碼以獲得更高的吞吐和I/O能效、相容現有USB 3.0介面和資料線、相容現有USB 3.0軟體堆疊和設備級協定以及相容現有USB 3.0/2.0集線器和設備等優勢,但這項新標準要能真正啟動大規模應用,還必須等待Host晶片問世。

截至目前,10Gbps增強版USB 3.0的發展態勢仍不甚明朗。包括瑞薩(Renesas)、德州儀器(TI)或威盛等公司,都還未明確表態要開發10Gbps增強版USB 3.0的Host晶片。魏駿雄指出,10Gbps增強版USB3.0未來可能會有兩種發展,一是針對有需求的高階使用者採用獨立晶片設計,儘快將10Gbps的USB3.0導入產品中。另外一種則是等待英特爾將10Gbps增強版USB 3.0整合到晶片中,才可能展開大規模應用。

事實上,10Gbps增強版USB 3.0的普及還必須克服成本以及等待週邊跟上等問題。在毛利錙銖必較的PC產業,成本是每一代新標準能否快速普及的最關鍵因素之一。USB 3.0問世以來,便歷經了2、3年的等待,直到晶片供應商們努力將成本降低到市場可接受的程度。因此,10Gbps增強版USB 3.0在PC市場的全面性換機潮可能不會太快發生,但或許有機會在連接電視等高階應用中嶄露頭角。

此外,就在10Gbps增強版USB 3.0標準即將抵定並開始走向市場之際,原有的USB 3.0也在PC/NB和週邊市場以外持續擴張版圖。魏駿雄表示,2013年Q2之後,PC幾乎100%搭載USB 3.0,而此趨勢正朝著平板電腦和智慧型手機等領域延伸,包括英特爾的Bay Trail、Nvidia的Tegra T40、高通(Qualcomm)的Snapdragon 2和TI的OMAP 5,都已開始支援USB 3.0。預計2014下半年之後,將陸續有高階的平板或手機開始支援USB 3.0。

此外,SoC供應商也開始在設計中納入USB3.0。聯發科(MTK)的智慧電視SoC和晨星的數位電視單晶片都採用了USB3.0。隨著愈來愈多消費性IC開始採用USB介面,USB將不斷擴展其應用層面,為未來10Gbps增強版USB 3.0在跨運算和消費市場的整合應用奠定基礎。


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