消費性電子暨人機介面專欄─USB：由一方之雄到一統天下？2011/01/05-李佳玲
USB是Universal Serial Bus的簡稱，字義上的解讀是「一統傳輸介面」。但自九零年代開始至今，為了實踐其宏圖偉業，USB用的策略是什麼？且又實踐了多少？而USB 3.0這個議題，這一年來在PC週邊產業，更是不斷被討論著，其主要探討重點，不外乎3個方向(1) USB 3.0何時普及？(2)會產生什麼新應用與對其他介面的衝擊？(3)下一代USB是什麼？這些本文都會一一探討。
細說從頭─USB 1.1與USB 2.0
USB是於1994年被提出的，一開始有7家公司參與制定規格，即Compaq、DEC、IBM、Intel、 Microsoft、NEC與Nortel。 Intel為主要的規格制定者，其中Compaq、DEC、NEC與Nortel都已被合併或申請破產保護，而他們孕育出的第一代USB，如今已是PC週邊無可撼動的介面規格，不但已賣出了200億埠(port)，還一代一代地繼續發揚光大。
USB 1.1時代，即以遠交近攻的思維，先對PC週邊一些弱小低速的週邊蠶食鯨吞，一開始就被它取代了的包括COM1、COM2、parallel ports等等。除了統一滑鼠鍵盤等裝置及掃描器與印表機的連結介面外，更向外擴張新疆界，其中最成功的就是如今人手數支的大拇哥，改變了我們對小量資料存取的習慣。
而真正奠定USB屹立不搖地位的是第2代USB。USB 2.0一開始即以速度快40倍的特性為最大吸引力，不但鞏固了基本盤，更以它帶電且接頭小的特質，打下了可攜裝置的江山，比如手機、數位相機、MP3等等，兼具了資料傳輸、充電以及外接dongle的功能。 所以由USB 1.1的PC與儲存週邊，到USB2.0消費與通訊產品週邊，兩代已為一統江山奠定了大好基礎。
USB 3.0的演進與普及
USB 3.0的規格約在2年前底定，想探討USB 3.0普及的時程，就要先回顧USB 2.0普及的過程。USB 2.0規格完成於2000年，在2002年時，其host在PC與筆記型電腦(NB)的普及率已高於80%，相對的，USB 2.0 devices也就大受鼓舞。USB 2.0能在2年內創造出高滲透率，主因為在2002年時， Intel推出了第1款內建USB 2.0晶片組ICH4，以及Windows推出Service Pack 1包含其驅動程式。
由此推論，USB 3.0大致可估計如下：USB 3.0的規格完成於2008年11月，但AMD的第1款USB 3.0晶片組與Intel的第1款USB 3.0晶片組，將分別於2011下半年與2012年初正式推出，加上Win7尚未提供驅動程式，因此預估2011年，USB 3.0 PC(含NB)將有1億台左右，而要達到70%的普及率，則是2012年，因此普及度相較USB 2.0，大約遲了1年。
至於普及較晚的原因，原因之一應在於兩者的規格差別以及技術難度上的差異。表1是兩者基本的比較。除了傳輸速度快10倍之外，USB 3.0還有支援全雙工的特性，也就是在SuperSpeed時，可以同時收送。 同時講一下USB 3.0集線器(hub)，因為它有routing的功能，因此可將SuperSpeed hub視為Ethernet的switching hub運作方式，可更有效的利用頻寬。
圖1則是USB 3.0 cable的剖面圖，上面提到SuperSpeed支援全雙工，因此在cable中多出2對雙絞線，一對是用來傳送，一對是接收。 目前大家都習慣以藍色作為USB 3.0的接頭顏色，以區隔USB 2.0的白色。
因為要達到上述的這些特點，USB 3.0的晶片在設計上有一定難度，這裡僅以實體層功能來探討，或許就可解釋USB 3.0在chipset以及OS的支援較慢，普及率相對要延遲1年時間的原因。
(1)等化(equalization)：在連結初始，有一些patterns被用來調整(training)在接收端的等化器， 這種patterns被稱為training sequence，以期能將接收端各種參數正確設定。
(2)展頻 (spread spectrum)：為了避免5GHz所帶來的EMI，展頻技術被用來減緩單一高頻所產生之協波(harmonic)，在規格上，此5GHz以5,000ppm之變頻，平均的在30-33MHz的modulation rate中展開，如此EMI可大幅減弱。
(3)低頻週期信號(LFPS)：USB 3.0在電源管理上比USB 2.0更精細，分成U0到U3的4個不同模式，當進入低功耗模式時，將以此LFPS來偵測device端是否有動靜，以減少不必要之耗電。
(4)Jitter：目前USB 3.0認證規範，host與 device是要以3米長的cable，外加11英吋的電路板走線，且要滿足如規格上所示的jitter margin，在如此高速下要通過此長路達到測試要求，其設計難度可見一斑。
(5)至於其他一般高速傳輸常用的coding技術，以減低過長的同一電位或是錯誤等等，比如8b/10b以及 scramble，這裡都用上了。
USB 3.0的應用
在USB 3.0 device端，最容易凸顯USB 3.0速度的是外接式硬碟(external HDD)。本來其效能瓶頸在於USB 2.0，目前轉而變成硬碟本身的速度，因此可由USB 2.0原本的20-30MB/s一次提升約3倍以上。再下來就是大拇哥與SSD。原因也是與外接式硬碟類似，由USB 3.0來突破效能瓶頸。至於其他可能的新興應用，列舉如下：
(1)USB 3.0顯示器：嚴格來說，目前只有USB 3.0能同時傳資料、傳影音，又傳電。在現今的LED顯示器，都希望能將面板的功耗大幅降低，而USB 3.0以規格而言，可提供4.5瓦 (5V x 900mA)，實際上1個埠可提供更高瓦數，因此有機會滿足某些尺寸的顯示器電力需求，而達到無電線顯示器的概念。至於傳輸頻寬，以1,080p而言，USB 3.0可以滿足不壓縮影像頻寬，加上協會正在制定影音同步的新規格(AV class)，一旦制定好，USB 3.0就有了正式的影音規範，對進軍顯示器市場有莫大幫助。所以可能會對DisplayPort與HDMI產生衝擊。
(2)Kiosk：以前SD卡出現時，有人就預言，以後租電影，可以直接走向街頭的電影販賣機，投幣插卡下載片子。但這概念至今仍不普及。除了智財權保護不易等因素之外，就是因為SD卡速度只有12.5MB/s，下載影片的時間過久。但是進化到USB 3.0，速度將近400MB/s，就無此顧慮了。
(3)USB 3.0 PC camera：所有影像都有往高畫質走的趨勢，因此目前以VGA為多的PC camera，也會朝著 full HD邁進，且壓縮技術考慮用H.264，以求高壓縮比而不佔用太多網路頻寬，不少廠商想到可利用USB 3.0頻寬優勢，將未壓縮的高畫質影像直接由攝影端傳至chipset，再由它壓縮，這樣又很明顯地可以節省PC camera晶片功耗與面積。
下一代USB
目前針對所謂USB 4.0，最被大家看好的莫過於10GHz的Light Peak。但以實際面來講，Light Peak並不能被視為USB 4.0，原因如下：
Light Peak第一次公開亮相應是在2010年的Intel開發論壇，至今仍是一個非公開(proprietary)的傳輸標準，它目前的頻寬是10Gb/s，預計在2020年達到100Gb/s的速率，傳輸媒介為光纖，用於連接電腦與其週邊，Light Peak接頭的形狀十分類似目前的USB連接頭，其紅外線光傳輸與接收的的點置於接頭深處，傳輸距離可達100公尺。
Light Peak提供了一個10Gb/s的平台，其最底層即是optical transceiver，再來其實體層則由光實體層與電實體層構成，將光訊號與電訊號轉換，接著其共同轉換層則將各種不同的protocols，轉換成Light Peak的封包，或反之將Light Peak轉換成某特定protocol。因此我們可以看出，這個平台其實是包羅萬象的，不論是USB、SATA、HDMI、還是DisplayPort等，都可透過Light Peak為底層而達到傳輸目的。
如此看來，USB要一統天下的雄心，有可能反被Light Peak融入其中，但結果是否如此，到底大分裂會因Light Peak歸為一統？還是群雄並立還要長達多年？亦或USB真的出現4.0來完成偉業？我們這兩年還是要拭目以待，應可見出端倪。(本文由智原科技資深產品經理楊展悌提供，記者李佳玲整理)
細說從頭─USB 1.1與USB 2.0
USB是於1994年被提出的，一開始有7家公司參與制定規格，即Compaq、DEC、IBM、Intel、 Microsoft、NEC與Nortel。 Intel為主要的規格制定者，其中Compaq、DEC、NEC與Nortel都已被合併或申請破產保護，而他們孕育出的第一代USB，如今已是PC週邊無可撼動的介面規格，不但已賣出了200億埠(port)，還一代一代地繼續發揚光大。
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而真正奠定USB屹立不搖地位的是第2代USB。USB 2.0一開始即以速度快40倍的特性為最大吸引力，不但鞏固了基本盤，更以它帶電且接頭小的特質，打下了可攜裝置的江山，比如手機、數位相機、MP3等等，兼具了資料傳輸、充電以及外接dongle的功能。 所以由USB 1.1的PC與儲存週邊，到USB2.0消費與通訊產品週邊，兩代已為一統江山奠定了大好基礎。
USB 3.0的演進與普及
USB 3.0的規格約在2年前底定，想探討USB 3.0普及的時程，就要先回顧USB 2.0普及的過程。USB 2.0規格完成於2000年，在2002年時，其host在PC與筆記型電腦(NB)的普及率已高於80%，相對的，USB 2.0 devices也就大受鼓舞。USB 2.0能在2年內創造出高滲透率，主因為在2002年時， Intel推出了第1款內建USB 2.0晶片組ICH4，以及Windows推出Service Pack 1包含其驅動程式。
由此推論，USB 3.0大致可估計如下：USB 3.0的規格完成於2008年11月，但AMD的第1款USB 3.0晶片組與Intel的第1款USB 3.0晶片組，將分別於2011下半年與2012年初正式推出，加上Win7尚未提供驅動程式，因此預估2011年，USB 3.0 PC(含NB)將有1億台左右，而要達到70%的普及率，則是2012年，因此普及度相較USB 2.0，大約遲了1年。
至於普及較晚的原因，原因之一應在於兩者的規格差別以及技術難度上的差異。表1是兩者基本的比較。除了傳輸速度快10倍之外，USB 3.0還有支援全雙工的特性，也就是在SuperSpeed時，可以同時收送。 同時講一下USB 3.0集線器(hub)，因為它有routing的功能，因此可將SuperSpeed hub視為Ethernet的switching hub運作方式，可更有效的利用頻寬。
圖1則是USB 3.0 cable的剖面圖，上面提到SuperSpeed支援全雙工，因此在cable中多出2對雙絞線，一對是用來傳送，一對是接收。 目前大家都習慣以藍色作為USB 3.0的接頭顏色，以區隔USB 2.0的白色。
因為要達到上述的這些特點，USB 3.0的晶片在設計上有一定難度，這裡僅以實體層功能來探討，或許就可解釋USB 3.0在chipset以及OS的支援較慢，普及率相對要延遲1年時間的原因。
(1)等化(equalization)：在連結初始，有一些patterns被用來調整(training)在接收端的等化器， 這種patterns被稱為training sequence，以期能將接收端各種參數正確設定。
(2)展頻 (spread spectrum)：為了避免5GHz所帶來的EMI，展頻技術被用來減緩單一高頻所產生之協波(harmonic)，在規格上，此5GHz以5,000ppm之變頻，平均的在30-33MHz的modulation rate中展開，如此EMI可大幅減弱。
(3)低頻週期信號(LFPS)：USB 3.0在電源管理上比USB 2.0更精細，分成U0到U3的4個不同模式，當進入低功耗模式時，將以此LFPS來偵測device端是否有動靜，以減少不必要之耗電。
(4)Jitter：目前USB 3.0認證規範，host與 device是要以3米長的cable，外加11英吋的電路板走線，且要滿足如規格上所示的jitter margin，在如此高速下要通過此長路達到測試要求，其設計難度可見一斑。
(5)至於其他一般高速傳輸常用的coding技術，以減低過長的同一電位或是錯誤等等，比如8b/10b以及 scramble，這裡都用上了。
USB 3.0的應用
在USB 3.0 device端，最容易凸顯USB 3.0速度的是外接式硬碟(external HDD)。本來其效能瓶頸在於USB 2.0，目前轉而變成硬碟本身的速度，因此可由USB 2.0原本的20-30MB/s一次提升約3倍以上。再下來就是大拇哥與SSD。原因也是與外接式硬碟類似，由USB 3.0來突破效能瓶頸。至於其他可能的新興應用，列舉如下：
(1)USB 3.0顯示器：嚴格來說，目前只有USB 3.0能同時傳資料、傳影音，又傳電。在現今的LED顯示器，都希望能將面板的功耗大幅降低，而USB 3.0以規格而言，可提供4.5瓦 (5V x 900mA)，實際上1個埠可提供更高瓦數，因此有機會滿足某些尺寸的顯示器電力需求，而達到無電線顯示器的概念。至於傳輸頻寬，以1,080p而言，USB 3.0可以滿足不壓縮影像頻寬，加上協會正在制定影音同步的新規格(AV class)，一旦制定好，USB 3.0就有了正式的影音規範，對進軍顯示器市場有莫大幫助。所以可能會對DisplayPort與HDMI產生衝擊。
(2)Kiosk：以前SD卡出現時，有人就預言，以後租電影，可以直接走向街頭的電影販賣機，投幣插卡下載片子。但這概念至今仍不普及。除了智財權保護不易等因素之外，就是因為SD卡速度只有12.5MB/s，下載影片的時間過久。但是進化到USB 3.0，速度將近400MB/s，就無此顧慮了。
(3)USB 3.0 PC camera：所有影像都有往高畫質走的趨勢，因此目前以VGA為多的PC camera，也會朝著 full HD邁進，且壓縮技術考慮用H.264，以求高壓縮比而不佔用太多網路頻寬，不少廠商想到可利用USB 3.0頻寬優勢，將未壓縮的高畫質影像直接由攝影端傳至chipset，再由它壓縮，這樣又很明顯地可以節省PC camera晶片功耗與面積。
下一代USB
目前針對所謂USB 4.0，最被大家看好的莫過於10GHz的Light Peak。但以實際面來講，Light Peak並不能被視為USB 4.0，原因如下：
Light Peak第一次公開亮相應是在2010年的Intel開發論壇，至今仍是一個非公開(proprietary)的傳輸標準，它目前的頻寬是10Gb/s，預計在2020年達到100Gb/s的速率，傳輸媒介為光纖，用於連接電腦與其週邊，Light Peak接頭的形狀十分類似目前的USB連接頭，其紅外線光傳輸與接收的的點置於接頭深處，傳輸距離可達100公尺。
Light Peak提供了一個10Gb/s的平台，其最底層即是optical transceiver，再來其實體層則由光實體層與電實體層構成，將光訊號與電訊號轉換，接著其共同轉換層則將各種不同的protocols，轉換成Light Peak的封包，或反之將Light Peak轉換成某特定protocol。因此我們可以看出，這個平台其實是包羅萬象的，不論是USB、SATA、HDMI、還是DisplayPort等，都可透過Light Peak為底層而達到傳輸目的。
如此看來，USB要一統天下的雄心，有可能反被Light Peak融入其中，但結果是否如此，到底大分裂會因Light Peak歸為一統？還是群雄並立還要長達多年？亦或USB真的出現4.0來完成偉業？我們這兩年還是要拭目以待，應可見出端倪。(本文由智原科技資深產品經理楊展悌提供，記者李佳玲整理)
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