USB4 是 USB4 規範中指定的 USB 系統，USB開發者論壇於 2019 年 8 月 29 日發布了其 1.0 版本。

與以往的 USB 協定標準不同，USB4 需要 USB-C 連接器，並且要需要 USB PD 的支援以進行供電。與 USB 3.2 相比，它允許建立 DisplayPort 和 PCI Express 隧道。這種架構定義了一種與多個終端裝置類型動態共享單個高速鏈路的方法，該方法能夠最好地按類型和應用處理資料傳輸。USB4 產品必須支援 20 Gbit/s 的吞吐量，可支援 40 Gbit/s 的吞吐量。但由於進行了隧道傳輸，當傳輸混合資料時，即使只以 20 Gbit/s 的速率傳輸資料，實際的資料傳輸速率可能比 USB 3.2 更高。

USB4 規範基於 Thunderbolt 3 協定規範。

USB4支援如下的隧道傳輸協定：

• USB 3.2（「增強型超高速」）隧道
• 基於DisplayPort 1.4a的隧道
• 基於PCI Express（PCIe的隧道

USB4還需要支援DisplayPort Alternate Mode（備選模式）。因此可以使用USB4隧道或該備選模式傳送DisplayPort訊號。^[9]

USB-C連接器中的專用線始終支援USB 2.0。

資料傳輸模式支援

某些傳輸模式是所有 USB4 裝置都支援的，但 USB4 對其他傳輸模式的支援是可選的。這取決於裝置的類型。

USB4 Gen 2 與 USB 3.2 Gen 2 是不同的。它們僅有傳輸速率（10 Gbps）是相同的，但二者在電氣層上的編碼方式不同。

儘管 USB4 需要支援雙連結模式，但在其雙連結連接的初始化期間仍使用了單連結操作。如果此時發生通道繫結錯誤，單連結連接也可以用作備選模式。

在 Thunderbolt 相容模式下，根據 Thunderbolt 規格的要求，通道以 10.3125 Gbps（Gen 2）或 20.625 Gbps（Gen 3）的更高速率工作。

供電

在 USB4 連接的建立前，需要先完成 USB Power Delivery（USB PD）協商。USB4 電源的每個介面必須提供至少 7.5W（5V，1.5A）的供電。在 USB PD 協商之前，USB4 裝置的耗電需要小於 250mA（預設）、1.5A 或 3A，5V （這取決於 USB-C 的電阻組態）。USB PD 最高可提供 100 W 的功率。^[12]

Thunderbolt 3 相容性

USB4 標準指出，USB4 的設計目標是「保持與 USB 和 Thunderbolt 產品的現有生態系統的相容性」。但是與 Thunderbolt 3 的相容性僅對於 USB4 主機和 USB4 外設是可選的。

USB 介面演進及相對應的 Logo

• USB4™ 新功能 3 個重點

1. USB4 只採用 USB Type-C 連接器。USB4 訊號採雙通道傳輸。而過去的連接器如 USB Type-A 或 Micro-B，僅支援單通道傳輸，無法支援 USB4。

2. USB 傳輸速度最快支援 40G (20Gbps x2)，並可同時傳送 DisplayPort 影音。旨在將多種協議組合到單個物理接口，可以動態共享 USB4 架構的整體速度和性能。

3. 向下相容 USB 2.0 與 USB 3.2 及支援 Thunderbolt 3。

• USB4™ 連接器與線纜 3 個重點

1. USB4 只採用 USB Type-C 連接器。

2. USB4 Cable 被動線纜，可支援的被動線纜長度由 USB 3.2 Gen2 的 1 公尺，降為 USB4 Gen3 的 0.8 公尺。

3. 若需較長的線纜，如連接大尺寸螢幕，或是 VR 應用，可使用主動式線纜。USB4 主動式線纜為含有 Repeater 元件（如 Re-timer，Re-driver 等主動元件）的線纜，及光纖線纜等。可支援的主動式線纜長度最長為 5 公尺, 而光纖線纜最長可以支援 50 公尺。

• USB4™ 架構的 3 個重點

USB4 主要構成元件有 Router (路由器) ，Adapter (適配器)，以及 TMU (Time Management Unit，時間管理單元)。

1. Router 是 USB4 的一個主要建構模塊，Router 將隧道協議轉換成 USB4 封包傳送，並透過 TMU 來作時間同步。主要由 USB Host 內建的 Connection Manager 來偵測及管理。

2. Adapter 是內建在 Router 裡，主要功能為 Router 與外部元件溝通的媒介，進行協定轉換。例如 USB4 Host 在傳輸 USB3 資料（如下圖），由內部 USB3 Host 透過 USB3 Adapter 進行協定封裝成 USB4 Tunneled Packet。一個 Router 內部最多可以支援 64 個 Adapter。

3. TMU 是內建在 Router 裡，使用分佈式時間管理單元（TMU），在 Router 間做時間同步。

• USB4™ 依功能層級分為 5 種

1. Protocol Adapter Layer: 負責 USB4 與不同協議間進行對應.並把不同協議封裝成 Tunneled Packet 在 USB4 介面內傳遞。

2. Configuration Layer: 負責處理由 Connection manager 傳送來的 Control Packets ，並附加路徑中對應的地址 (address)，確保其可靠的傳送機制。

3. Transport Layer: 定義封包格式、路徑、流量控制與時序控制，並產生 link management Packets 以提供時間同步封包 、流量控制封包等。

4. Logical Layer: 負責建立 2 個裝置之間的 USB4 連結，提供資料傳送與接收、編碼與解碼，電源管理，錯誤偵測及復原機制，並且透過 Sideband Channel 進行通道初始化的溝通，包括速度及雙通道溝通。

5. Electrical Layer: 定義 USB4 電氣訊號的特性 如電壓、抖動，編碼等。

如下圖，以 USB3 Tunneling 為例，USB4 Host 透過 USB3 Protocol Adaptor，將 USB3 Protocol 經 USB4 Transport Layer、USB4 Logic Layer、USB4 Electrical Layer 轉 USB4 Link 傳送到 USB4 Hub Electrical Layer。再依下圖順序進行一連串 USB3/USB4 轉換，將訊號傳送到 USB4 Device。

• USB3 隧道協定

USB4 訊號由 PCIe、USB3 及 DisplayPort 隧道協議組成。此篇幅單就 USB3 隧道協議講解。USB3 隧道協議，指的是將原始 USB3 封包經由 Protocol Adapter Layer 封裝成 Tunneled 封包, 藉由以下的圖片可以清楚知道，紅色部分是 USB3 的封包而藍色部分是 Tunneled 封包, UFP 與 DFP 之間會使用 Physical Layer 傳輸。

Note: UFP: Upstream Facing Port，DFP: Downstream Facing Port

• USB4 的產品有 4 種類型

1. USB4 Host: 產品有一個以上 DFP。沒有任何的 UFP。

2. USB4 Hub: 產品有一個 UFP，並且有一個或多個 DFP。

3. USB4-Based Dock: 產品有一個 UFP，並且有一個或多個 DFP，且產品內還有其他 device 的功能，如儲存裝置或網路功能。

4. USB4 Device: 產品有一個 UFP，沒有任何的 DFP。

Note: UFP: Upstream Facing Port，DFP: Downstream Facing Port

• USB4 支援的隧道協定

依據規格，對 Host/ Hub/Dock/Device 必須支援的隧道協定有不同要求，如下圖，打 ”Ｖ” 為必須支援，其餘則是可選擇支援與否。

例如 USB Host 必須支援 USB3、DisplayPort 與 Host-to-Host Tunneling，可以不支援 PCI Express 與 TBT3 Tunneling。

• USB4 支援的傳輸速率

USB4 支援 USB4 Gen2 的 20Gbps 及 USB4 Gen3 的 40Gbps 速度，是不是宣告支援 USB4 就一定要支援這兩個速度？

• 對 USB4 Hub 與 USB4-Based Dock 來說，必須同時支援 20Gbps 及 40Gbps。

• 對 USB4 Host 與 USB4 Device 來說，可以只支援 20Gbps。（40Gbps 可列為額外支援，非必要支援速度）。

結論

        USB4 傳輸速率提升到 40 Gbps，並且可以動態分享頻寬,當使用一條 USB Type-C 連接線就可以相容於市面上 Thunderbolt 3 和 Display Port 產品，對於消費者來說是一個更加便利的介面。但對於產品開發者來說，USB4 是一個比較大的挑戰，除了產品設計和以往 USB3 的產品在架構上的差異，加上高頻信號在 PCB 及連接器上的衰減，須更關注高頻阻抗匹配，在開發階段確保傳輸的信號品質。GRL 在 Thunderbolt 3，USB3，DisplayPort，PCIe 等高速介面累積相當多的經驗，可以協助客戶快速測試及驗證服務。

Reference: https://zh.wikipedia.org/wiki/USB4 & https://graniteriverlabs.com.tw/2021/03/30/grl-an-new-usb4/

USB4大爆發！一條線引爆兆元換機潮 高速傳輸時代

USB4超級周期來臨！IC設計股擺脫晶圓代工漲價陰霾，在法人積極卡位下，股價強力點火。《財訊》617期以一條線引爆兆元換機潮為題，深度解析在USB 4新規格上路後，歐盟、英特爾、蘋果力推知下，USB 4將成為有線傳輸最重要的標準，這是台廠最擅長的主場，下一個股王就在其中！

2020年，在家工作從應變措施，變成每天的生活日常；許多人發現，自己手上的電腦速度已經不符需求，一波由USB4標準帶動的高速傳輸升級潮，已經蓄勢待發，最快今年底就將爆發。

從事網路影音拍攝工作的阿澤，就是其中的一個例子。疫情期間，他也在家工作，利用PC剪接攝影機拍下的影片，再放上網路；但是，現在影片檔案動輒以10GB、15GB計算，光是把剪好的影片從電腦存到記憶卡裡，一個簡單的動作，就要花上5分鐘，傳輸大量檔案，一次可能就要花掉半天時間。

資料處理量激增 推升高速傳輸

阿澤並不是唯一遇到這個問題的人，當我們每天處理的資料愈來愈多，高速傳輸的需求就變得愈來愈大。

9月23日，台積電董事長劉德音在半導體論壇上說：「我們對資料的需求，持續增加。」他秀出一張表格：現在一般網路使用者，每天接收1.5GB的資料；一輛自駕車，每天要接收4TB（相當於4096 GB）的資料量；而一座智慧工廠，每天要消耗一PB的資料，這是一般網路使用者每天消耗資料量的69萬倍！如果資料就是新的石油，我們對資料的需求正在快速增加。

在台灣，USB供應鏈上的廠商早已賺到手軟；像是祥碩，2020年前8個月營收較2019年成長76%，創下歷史新高。祥碩總經理林哲偉難掩得意：「我們USB3.2最新規格裝置的控制晶片市占率，是99%」

另一家高速傳輸晶片大廠譜瑞，專長是確保高速傳輸的資料完整，傳輸速度愈快，愈需要譜瑞的晶片；2020年前8個月，譜瑞營收也較2019年同期成長2成。另一家IC設計公司聯陽，也因為在高速傳輸晶片、USB晶片布局，成為法人追捧的明星。台灣USB供應鏈，有完整的生態系統，因此一有最新的規格，USB標準協會（USB-IF），就會到台北舉辦大會。

第四代USB 速度達2.7萬倍

USB（Universal Serial Bus）的中文名為「通用匯流排」，剛推出時，原本傳輸的速度只有每秒1.5MB，而2020年底推出的USB4，傳輸速度最高可達每秒40GB，是第1代的27000倍。

USB標準協會介紹USB4的文件第1頁就寫道：USB的願景就是要用一個簡單的連接介面串聯各種形式的電子產品，從手機、電腦到螢幕，現在都有USB Type-C（簡稱USB-C）端子；另一個重點是，USB要把各種傳輸需求「聲音、影像、資料、電力傳輸」一網打盡。簡單來說，以前要電源線、音源線、影像傳輸、網路訊號線，現在只要1條USB-C就能取代。

而USB4更是厲害，未來靠這1條線，就能提供最高每秒40GB的傳輸速度，連上螢幕，就能傳輸8K影像，甚至連電源線都省了。當你的筆電連上螢幕，傳輸資料的時候，這條線還能同時幫你的筆電充電，以後USB連充電電源線的工作也要搶！

2020年，幾股力量融合力拱USB4標準，成為未來的超級傳輸介面，也帶來巨大的換機潮；市場都在期待，未來台灣的USB供應鏈，也將因應這波的升級潮，出現一波銷售榮景。

啟動第一股力量是英特爾。2019年9月，英特爾把旗下的傳輸技術Thunderbolt 3捐給了USB協會。

Thunderbolt是目前最高階的有線傳輸標準，但被視為是價格昂貴的特規產品，多半是蘋果電腦的使用者在使用；然而，從2019年開始，Thunderbolt 3變成USB協會會員都可用的開放標準。

勢力融合 台廠供應鏈榮景可期

「英特爾第一個提出的連線標準，就是USB，英特爾也是USB協會的創始會員，」英特爾產品經理盧進忠表示，英特爾希望趕快實現一條線解決所有傳輸問題的願景，「USB是產業標準組織，你不能改他太多東西」，才生出「2兒子」，另一個高速傳輸標準，Thunderbolt。

2019年，英特爾卻把Thunderbolt 3捐給了USB標準組織，意思是，以後所有人都可以使用這樣技術，英特爾2020年底推出的Tiger Lake處理器，直接支援USB4和Thunderbolt 4，兩者完全相容，等於直接把平台塞到消費者手上，未來USB也有機會像「2弟」Thunderbolt一樣，只要用1條線，完成高速傳輸資料、影像，甚至充電和供電的工作。

另一股融合力量，則來自歐盟。2020年1月，歐盟議會以580票對40票，通過決議，要求歐盟在6個月內採取行動，規範電子公司採用統一的充電器標準，「擺明衝著蘋果的Lightning而來」。

歐盟的理由是，各家廠商推出互不相容的裝置，1年產生5000萬噸的電子垃圾，而且並不方便，「當你的手機沒電時，你的朋友可能也幫不了你，因為你們用的充電器不一樣。」歐盟甚至還拍過一個影片，「當所有人都用湯匙吃飯，很多事變得簡單多了」。

走一趟蘋果專賣店，就能看到蘋果正在改變。現在，蘋果的頂級MacBook Pro，只留下兩個圓圓的插孔，筆電產品幾乎都已是USB-C介面的天下。2020年9月蘋果發表會上，新發表的iPad Air，首次放棄Lightning介面，改裝上扁圓型的USB-C插槽；另一款iPad，雖然仍採用Lightening介面，但也附了一條USB-C轉接線。

一位業界人士觀察，蘋果已為全面轉向USB-C做準備，它意味著台灣的USB供應鏈，有更多機會攻進蘋果市場。

蘋果新手機 不一樣的傳輸線

這個市場有多大？根據市場研究機構 Market Research Future 2020年9月的報告，2018年全球USB裝置市場規模為190億美元（約合新台幣5586億元），並以每年13.9%以上的速度成長，到2025年將達到460.8億美元（約合新台幣1.3524兆元）。

另一家市場研究機構IndustryArc則指出，如果光看USB3.0的市場，從2020~2025每年將有20%的速度成長，2025年時達到67億美元規模（約合新台幣1969億元）。

一位業界人士觀察，在台廠猛攻下，最新的USB傳輸介面降價速度非常快，「價格才是這項技術普及的關鍵」；現在最新的USB3.2規格，硬碟外接盒現在只要幾百塊台幣，「打開來裡面是滿滿的祥碩晶片」，上台灣拍賣網站觀察，USB3.2的固態硬碟，2000元台幣就能買得到，價格只有韓系產品的1/6。

刺激換機潮 零組件迎來大成長

舊的USB3.2無法達到的高傳輸速度，高畫質傳輸，更快的充電速度，都會在USB4上實現，憑藉台廠控制成本的能力， USB4很有機會再掀起一波大成長。

祥碩總經理林哲偉表示，祥碩正在全力衝刺，2021年中之後，祥碩的USB4晶片即將推出。USB協會的文件也顯示，台灣的連展科技和鴻海旗下的鴻騰，也都已取得USB4充電裝置認證。

這項新技術對台灣產業影響面非常廣，上從提供晶片設計IP的智原、創意，到設計晶片的祥碩、譜瑞、威鋒、創惟、鈺創，就連聯發科，因為設計手機快充裝置和車用裝置，也是USB協會成員。

USB4出現後，線材會變得非常多元，因為同樣是USB4的線，有的只能傳資料，有的是傳資料加影像顯示，有的是3種功能都能執行，要高速傳輸又能傳得遠，還要買有附晶片的主動式線材。「以後USB線材可能會按功能賣，能用10G、20G、40G速度傳輸的線價錢都不一樣」盧進忠說。在這個領域，從製作連接器的鴻海集團、鈺創、正崴、廣寰科、佳必琪、嘉澤、廣穎，都在其中。

「充電是USB介面的重要創新。」業界人士觀察，能為外部裝置充電是新介面的重要訴求，在這個領域，立錡、僑威、偉詮電、通嘉都專攻供電技術。有意思的是，像康舒、台達電等電源廠也是USB標準協會成員，原因恐怕是，在歐盟政策下，未來統一採用USB介面，會是行動裝置電源供應器的趨勢。

「轉接器的生意也會很好。」業界人士觀察，因為消費者不可能因為新規格出現，就把原有的設備丟掉，最簡單的方法就是買轉接器，或是多功能擴充座。這些領域也都是連接器廠商的主場，現在走進賣場，到處都是台廠生產的轉接器產品。

新技術出現 受益廠商搶卡位

2020年，最早推出USB4產品的公司，會是華碩、宏碁、微星等筆電廠商，新傳輸介面已是輕薄筆電和手機無法忽視的主流。業界人士指出，為了搭配手機，市面上也早已出現只有 USB介面的可攜式螢幕。另一群會受益的族群，是和大量資料傳輸有關的廠商，像記憶體模組廠威剛、群聯、慧榮、創見、宇瞻一定都會推出高速傳輸的儲存產品。

現在，只要人們對資料的需求再提高，這波高速傳輸的風潮就不會停止，未來不只人要看愈來愈精細的圖片，AI也要靠更多的資料來完成任務，無線通訊在安全性和速度上，仍比不上有線通訊。最重要的是，PC的生態系統仍是台灣耕耘多年的主場；2020年底開始，USB將主導高速傳輸市場發展，這一條線的商機，將創造出更多的股王與股后。

Reference: https://www.wealth.com.tw/articles/1ce91999-14e0-4f67-87b9-3df66adfde07