USB 3.1規格墊高相關設計驗證門檻

USB 3.1透過新介面與傳輸線纜，可取代現有DisplayPort數位視訊傳輸應用，讓USB介面也可跨界傳輸高解析度多媒體影音資訊。Intel

檢視現有已發表數年的USB 3.0介面標準，相關應用已擴散桌上型電腦、筆記型電腦、USB隨身碟、行動硬碟等周邊設備，USB 3.0的強化版本已在2013年由USB 3.0 Promoter Group釋出規格，同時改用USB 3.1介面標準標示新一代強化版介面規格，而USB3.1介面規格的升級，也讓主控晶片、連接器、線纜、集線器周邊設計驗證門檻墊高。

全新USB介面架構 可望取代多種高速線纜應用

以USB 3.1的設計架構，傳輸效能為USB 3.0的一倍、可達到每秒10Gbit傳輸效能，以往高速資料傳輸以高解析度電視視訊、音訊傳送會選用HDMI或是DisplayPort介面進行傳輸，在USB 3.1傳輸效能大幅升級，可望成為取代HDMI或是DisplayPort熱門的高速傳輸介面，然而目前主控晶片仍需持續優化，高解析度視訊傳輸相關應用預估2016年才會相繼推出市面。

而USB 3.1極致的10Gbit/s傳輸效能也不是一步到位，在規格中即定義幾個階段性的規格升級，如運作於5Gbit/s的USB 3.1介面方案屬於Gen1標準，而運行於10Gbit/s的全速版本USB 3.1介面則屬於Gen2版本，至於規格另外註記的GenX版USB 3.1介面方案，則是標榜可以在10Gbit/s下運行、同時還可回溯支援5Gbit/s的介面規格，也就是同時相容於Gen2與Gen1的USB 3.1介面標準。而目前2015年推出的Apple MacBook所搭載的USB 3.1 Type-C介面，就是使用Type-C連接器、速度僅有5Gbit/s傳輸效能的USB 3.1 Gen1版本。

因應不同速率分級 USB 3.1新介面標示略有差異

在產品標示方面，USB 3.1也會將這些速度差異以不同標示方式區隔，也就是說在以10Gbit/s速度進行數據傳輸的介面，會SuperSpeedPlus標示，至於Enhanced SuperSpeed標示，則是意指該介面可以支援USB 3.1 Gen1或更高速傳輸效能的介面。另在介面更實體的檢視內容來看，新介面導入不外乎在提升效能、提高電能傳遞兩大目的，導入新介面除須考量在現有系統接續開發資源，對應到USB 3.1介面支援就必須檢視系統實體層(Physical Layer)、鏈接層(Link Layer)、協定層(Protocol Layer)等內容細節，相關修改也必須符合USB 3.1新介面的要求規範。

新介面較大的變化其實是在Physical Layer，介面升級最大的技術門檻在於新介面需要支援10Gbit/s高效傳輸，同時介面仍需兼顧壓低運行耗電目的，在實際主控晶片的開發程序上，就必須以更進階的IC製程優化介面效能與降低運行功耗，不光只是USB 3.1介面架構優化而已，而是從主控晶片的整體設計、技術基礎上整個翻新才能達到新介面的要求。在規範中的Gen1介面版本會採行8b/10b編碼，對應更進階的10Gbit/s會採行128b/132b編碼，進階版本使用的編碼位元數更多、擁有更好的傳輸效能、更低的編碼損耗表現，自然而然可以達到更高的性能提升。

傳輸編碼損耗降低 增進線纜實際數據傳送效能

此外，舊有的USB 3.0介面主控內部採行8b/10b編碼訊號處理，在實際傳輸資料時雖然看起來是10bit，實際的傳輸訊號則為8bit造成至少有20%的通訊編碼損耗，即便以5Gbit/s進行傳輸，實際上的介面傳輸極速也只能飆到4Gbit/s或更低。至於 USB 3.1介面採行128b/132b編碼處理訊號，以132bit傳輸過程實際傳送的數據為128bit，換算下來通訊的編碼損耗僅3%，如果以10Gbit/s傳輸極限進行數據傳送，則實際極速可以達到9.69Gbit/s，兩種介面的速度差距最高可差距2.4倍，並不能從USB 3.0極速5Gbit/s與USB 3.1介面極速10Gbit/s簡單評估兩者只差距一倍效能。

然而，在USB 3.1介面高塑化方向下，也代表著主控晶片設計難度門檻墊高，因為在USB 3.1的高效傳輸物理特性下也帶來訊號更易衰減、干擾與反射等現象，在USB 3.1的Gen1版本上，5Gbit/s版本自Host晶片端至Device晶片端，USB協會的認證要求為在12吋PCB上搭配3m的傳輸纜線進行功能驗證，但換成USB 3.1進階的10Gbit/s版本認證要求，PCB走線長度已縮小至8吋、纜線長度為1m，此舉除是面對物理現實下的規格要求限縮外，讓主控晶片的開發不至於因為驗證過於嚴苛而增加開發成本。

抗噪設計難度大增 10Gbit/s驗證條件放寬

實際使用環境中，以1m的傳輸纜線驗證通過，在實用上肯定會有許多使用長度限制，使用彈性也會因為傳輸纜線限制而限縮，例如，桌上型電腦主機與螢幕或是周邊很容易就超過1m長度，若使用17吋以上的大型筆記型電腦，設備連接也很容易超過1m長度，此外，大型筆記型電腦大多會在主機左/右兩側都設置USB介面，在做USB實體介面PCB的線路佈局就會有困難，因為Host主控晶片不管放在哪一側都對另一邊的介面造成影響，影響其設計彈性。

為解決實作設計上的困擾，USB 3.1規格中也追加了USB Re-timing Repeater規範方案，選用Re-timing Repeater晶片來放大與還原USB的高速訊號，同時也能運用Re-timing Repeater晶片改善PCB走線長度不能太長的設計限制，甚至開發整合Re-timing Repeater晶片的USB 3.1傳輸纜線Active Cable(主動式傳輸纜線)，能使USB纜線長度擴增至3m以上，甚至能達到10m的長度。

優化節能與管理效能 USB 3.1集線器設計更為複雜

另USB 3.1在Hub集線器設計也在架構上與往例不同，對SuperSpeedPlus介面支援的Hub來說會變得更為複雜，集線器設計難度會較以往高許多，以SuperSpeed的集線器的架構來看，其中的Hub的Repeater/Forwarder為處理介面向上/向下傳輸行為，也必須對兩向的資料封包進行緩衝處理，SuperSpeed Hub控制器處理主控端與Hub之間的溝通聯繫。而SuperSpeedPlus的Upstream 控制器為處理上行傳輸埠行為、緩衝接收來自向上傳輸的資料封包，SuperSpeedPlus Downstream控制器負責下行傳輸資料處理，緩衝向下傳輸埠的資料封包。

有趣的是，SuperSpeedPlus Hub提供了Store and Forward機制，這種模式可以針對資料封包進行先儲存、再傳送方式傳輸，這可以讓主控晶片的傳輸工作進行更有效率的排程，提升Hub集線器的頻寬使用率，同時優化集線器與傳輸過程的電源管理。另外，SuperSpeedPlus Hub的仲裁機制也是新的重點，如交易封包在權重上會優於數據封包、同步傳輸資料的封包傳送優先權重也會優於非同步資料封包，而傳輸過程還會以加權之後的非同步封包進行後續傳輸處理，透過這些新架構與資料傳輸控制機制，集線器也能在USB 3.1規格升級同時變得更智慧、有效率，甚至達到更為節能的設計目標。

電能輸出最高達100W 實體設計難度更高

至於在這波USB規格升級中，USB Power Delivery規範也是備受周邊廠商關注的重點，透過主控晶片與USB 3.1設備間的通信機制、透過階段式提升介面輸出供應外接設備的電壓/電流，進而突破原有USB介面輸出電能過小問題。USB 3.0原有USB埠的電力輸出，可以達到4.5W水準，而在USB Battery Charging 1.2(USB BC 1.2)規範中，以5V/1.5A可以達到7.5W電力輸出，但USB 3.1介面透過不同的模式設計，甚至可以將USB介面的輸出電能一舉提升至100W。USB介面的電能輸出若能有效提升至100W，這代表著以往電腦外設周邊所必需的AC/DC變壓器可以被USB介面本身的電能輸出取代，甚至簡化連接方式。

若樂觀角度檢視USB介面取代各種電腦設備變壓器的趨勢，若以USB 2.1可以支援到MP3、藍牙耳機、智慧行動電話的充電設備；USB 3.0介面可輸出達4.5W即可支援高階智能手機、行動電源充電使用；USB BC 1.2介面支援高達7.5W輸出已可提供數位相機、平板電腦高速充電應用需求，至於USB 3.1的若以64W輸出就能應付筆記型電腦需求；100W輸出的USB介面電力供應，已具備驅動如大尺寸LCD螢幕設備的電力需求，而便利應用的同時，也會帶來較原有USB 2.0/3.0介面驗證更為繁瑣、難度更高的問題發生，尚待相關控制晶片業者優化產品設計。