一根数据线走天下，USB4全力加速下一代芯片创新

原创新思科技 2022-05-16 17:05

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你最近入手过U盘吗？你有注意过自己买的是USB2.0、3.0、3.2还是4吗？你知道我们常说的USB究竟指什么吗？

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USB1.0 问世于上世纪90年代初，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（支持向后兼容即兼容更低版本），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，因此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，USB4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USB4与USB3.2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USB3.2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USB3.2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5 Gbps（USB3.0）或 10 Gbps（USB3.1）的速率下运行，USB3.2的两个通道都在10 Gbps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USB3.2、USB2.0、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USB3.2或USB2.0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。（如移动硬盘需接外外部显卡盒子）

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。而更加顺畅的上网课和居家办公需要更快的数据网络和更高的设备接口速度，USB4的诞生恰逢其时，满足了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，并确保所有系统组件能够协同工作，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，以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5nm和6nm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。