USB 3.0傳輸效能大躍進 考驗高效能與回溯相容設計
回溯USB的規格應用歷程,會發現已經有長達14年以上的發展,也讓USB介面成為全球最普及的電腦周邊應用介面,也可以說是有史以來最受歡迎、最普及的傳輸介面,而其中目前最熱門的USB 2.0應用已有8年,其介面480Mbps的傳輸極限面對現今裝置使用趨勢,已出現新的傳輸瓶頸。
目前的多媒體應用中,不管是靜態的數位照片或是動態的影音多媒體資料,都在考驗著舊介面的傳輸極限,例如,數位相機朝千萬像素等級發展,數位攝影機DV的拍攝能力,也朝1080p水準要求,甚至熱門的BD藍光影音光碟視聽應用,隨便一片影音光碟也要有25GB的儲存空間,若以25GB資料量為例,採取USB 2.0介面進行傳輸需要耗時近15分鐘,若改換USB 3.0介面進行資料傳輸,預估只要1分多鐘就能完成資料傳送,兩者的效能差異相當懸殊。
USB 3.0傳輸介面在2008年11月確認規格並完成發布,從規格觀察其最大傳輸效能一舉提升至5Gbps,相較USB 2.0有了多達10倍的效能差異,新的USB 3.0介面並具備1.0、1.1、2.0介面的回溯相容設計,有了舊介面裝置免於重複投資相關設備的使用利基,更讓USB 3.0導入市場的門檻大幅降低,裝置、晶片與周邊廠商也期待USB 3.0再掀起周邊升級的新高峰。
USB 3.0規格升級 設計挑戰亦大幅提升
USB 3.0規格的變更,也不光光僅有傳輸效能的提升,其實從連接器、線材、控制晶片、裝置、連接介面,甚至是主機板的晶片組,都影響了USB 3.0理論極限傳輸速度的實踐設計,尤其在晶片與系統整合的部分,因應效能提升的多方設計要求,也讓實踐USB 3.0高效能傳輸設計增加了許多設計、量測與驗證難度。
USB 3.0最大個效能進化關鍵,就在於導入最先進的序列傳輸技術,USB 3.0介面採用兩對SuperSpeed傳輸差分信號線,並利用全雙工、雙向高速串列進行傳送/接收,另外,USB 3.0在介面的電氣規格並針對2.0版本的規格限制進行升級,例如,USB 2.0的介面供應驅動裝置電流僅有500mA,3.0版本將之強化具備900mA裝置驅動能力,這對於驅動電源需求較高的行動硬碟裝置,可以取得更穩定的裝置運作資源。
除了裝置開發難度提升 測試設備投資亦是新門檻
由於2.0與3.0版本的規格升級幅度較大,原有針對USB 2.0測試應用的量測設備,可能會因為無法應付更趨複雜的3.0介面特性,而提供較佳的量測支援,甚至會影響量測精密度進而造成開發時程的掌握問題。針對USB 3.0的量測環境,其高速序列傳輸介面就是測試的一大挑戰,介面要達到具備3.0裝置最佳相容度、同時又必須兼顧USB 2.0/1.1/1.0介面裝置的回溯相容,必須在驗證與相容性測試投入更多資源。
測試環境能夠完善支援底層的發射器、接收器、交互連結性、相容性測試,而針對上層的應用曾來說,還必須針對系統整合與數據連結進行深入分析,整個測試環境針對發射器的部分,就必須導入新型的高效能示波器因應,而針對接收器的進階測試,就必須搭配任意波型產生器、信號產生器進行實驗室的實測工作,尤其時USB 3.0在傳輸效能大幅提升前提,會出現影響的層面已不光是僅有晶片或是介面本身,連傳輸線本身的衰減與連接器的品質,都必須納入量測環節中進行驗證,而傳輸線的影響則可搭配軟體參數進行量產前的模擬測試,但若測試環境不夠到位,可能就無法因應這類測試要求。
連接器因應回溯相容的相關設計
若從工程、設計角度檢視,導入USB 3.0介面設計的關鍵問題在解決5Gbps的資料傳輸率,高速傳輸的大量資料如何維持穩定傳送與訊號線品質?USB 3.0除保有2.0的四條纜線與四個訊號接點外,3.0在纜線的部分追加採全雙工、差動訊號的線路與接點,基本上USB 3.0的傳輸纜線等於有了九條線材,連接器也有五個接點。
而回溯相容的定義,應從使用者的角度進行檢視,以回溯相容應為與既有的標準相容、同時可支援新進的傳輸介面規格與裝置,這也表示新的連接器必須能裝載新、舊傳輸線與連接器,目前USB介面連接器有分標準、Mini-B、Micro-B三種外觀與尺寸,在回溯相容方面,Superspeed USB A插孔,必須能夠支援新型的USB 3.0介面,同時也必須支援USB 2.0的A 型接頭,至於USB 2.0 A型插孔也必須能順利接續USB 3.0 A型介面。另一個重點在於Micro-B插孔與接頭,由於USB 2.0版本的Micro-B已經成為多國行動電話的充電連接器標準設計,因此在3.0介面方面維持不變,而是採追加的方式提出USB 3.0 Micro-B規格因應,同時提供USB 2.0/3.0 Portion設計。
3.0規格衝太快 互通性相容測試更為關鍵
USB 3.0裝置、介面,目前以USB-IF認證為基本門檻,對於晶片業者而言,光取得USB-IF認證可能還不夠,因為即便晶片已經取得USB-IF的認證,也不代表可以順利連接目前市售的各式USB周邊!
與USB 2.0的介面導入狀況較不同的是,USB 3.0自介面規格公開後,相關晶片、裝置的導入速度發展比USB 2.0的狀況快太多,短短不到一年各種晶片解決方案就充斥市場,增加了相容測試的難度與驗證時程。 因為USB 3.0的相關互通性驗證的參考基礎較沒有USB 2.0介面來得全面與完整,事實上目前USB 3.0的互通性認證也多僅能保證裝置與介面的基本互通特性,對於目前3.0介面仍不周全或是模糊區塊較無參考依據,如果沒有進行實際的設計驗證與插拔測試,在裝置使用與連接上仍會出現可能的裝置衝突問題。