雖然COVID-19疫情蔓延，但宅經濟卻跟著起飛，有關居家辦公或者居家娛樂的產品前景一片看好。為了因應此波商機，USB4介面產品於2020年底問世；於此同時，4K及8K顯示螢幕也隨著潮流高速發展，在種種的推波助瀾下，疫情反而促成了人們可以在家享受比過往更精緻、刺激的視覺體驗。

於2019年下半年USB開發者論壇（USB-IF），發表新一代USB 傳輸應用規範USB4 (Universal Serial Bus Generation 4)。 USB4只採用USB Type-C連接器，USB4訊號採用Type C特有的雙通道傳輸方式與過去連接器如USB Type-A或Micro-B，僅支援單通道傳輸，差異相當大。(如上圖)

USB4 傳輸率最快可以到達40G (20Gbps x2)，並透過Intel Tunneled相關技術可同時傳送 DisplayPort 影音與PCIE相關訊號,以及支援PD(Power Delivery)快充技術。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。另外向下相容USB 2.0 與 USB 3.2 Gen1/Gen2及支援 Thunderbolt 3/4。

USB4 通道辨識定義

USB4介面可分為單通道或雙通道傳輸模式。當作為單通道運行時，USB4端口使用其中通道0, 而通道1被禁用（如上圖所示）。當作為雙通道運行時，通道0與1整合成單一數據通道。另外Sideband通道(SUB)，在USB 3.2原本被定義為進入Alt-Mode (Alternate Mode) 模式之後提供影像協議溝通的通道（例如：DP Alt-Mode透過Sideband通道傳遞AUX訊號…等）。

在USB4規格中，Sideband通道新增功能用以確認USB4介面是否連接、通道的起始與關閉、通道的初始化，以及進入或離開睡眠模式(如下圖)

USB4 主要架構

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

• 路由器是 USB4 的一個主要建構模組，主要是將Tunneling Packet轉換成 USB4 封包傳送，並透過 TMU做時間同步。最後再由USB Host 內建的 Connection Manager 來偵測及管理。
• 適配器是內建在路由器裡，主要功能為路由器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。
• TMU 是內建在 路由器裡，使用分佈式時間管理單元（TMU），在路由器間做時間同步。

USB4 訊號以功能區分5個層級

• Protocol Adapter Layer：主要是負責 USB4 與不同協議間進行對應，並把不同協議封裝成 Tunneled Packet，在 USB4 介面內做傳遞。
• Configuration Layer：負責處理由 Connection manager 傳送來的控制封包(Control Packets) ，並附加路徑中對應的address，以確保其正確的傳送機制。
• Transport Layer：主要是定義封包格式、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。
• 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，錯誤偵測回報及復原機制，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。
• Electrical Layer：定義 USB4 電氣訊號的特性，如電壓、抖動、編碼等。

USB4 資料傳遞方式

這為USB4 傳輸路徑 USB4 Host 是將原始 USB3.2 封包經由 USB4 PAL (Protocol Adapter Layer) 封裝成 Tunneled 封包再由 USB4 Transport Layer、USB4 Logic Layer、USB4 Electrical Layer 轉 USB4 Link 傳送到 USB4 Hub Electrical Layer。再依上圖順序進行一連串 USB3.2/USB4 轉換，將訊號傳送到 USB4 Device。

透過上圖，可清楚理解DP協議由DP Source到DP Sink傳遞的完整過程。由DP Source端的PHY Electrical Sub-Block傳遞至下層Router的PHY Electrical Sub-Block，並由Router內的PAL轉換成USB4封包，繼續在Router內傳遞，直到底層DP Sink之前，才由前一層的Router將USB4透過PAL (Protocol Adapter Layer)轉換回DP協議，並經過PHY Electrical Sub-Block傳遞到DP Device。

PCIe傳遞過程與USB傳遞的方式類似。當Host內PCIe Controller送出PCIe的協議，由Host內部PAL對應PCIe中Logical sub-block傳遞而來的資料，經實體層Electrical Layer透過USB Type-C介面傳送至Hub。而Hub的上行口與Host下行口透過Electrical Layer對接，Hub裝置內的PCIe Switch同樣透過PAL對應到PCIe Switch的Logical sub-block；PCIe Switch內部分配後，透過Logical sub-block與Hub下行口的PAL對接，經Electrical Layer向Hub下行口的USB Type-C傳送至終端裝置端，最後於裝置端轉換為PCIe協議，送到裝置內需要PCIe訊號的部份。

USB4 / DP / PCIe 訊號連結路徑

USB4 協議產品支援

依據不同的產品應用，對於USB4支援也有所不同，依據下表可以明確知道, USB4 Host/ HUB / Device可以依據需求對於TBT3/4 , DP , PCIe 支援度可以做相對應的刪減

USB4 Cable

如下圖所示, 傳輸率越高的規格線材應用就越短, 所以各家做Active cable and Electronically Marker廠商 紛紛加入爭取USB4 Logo 行列。另外USB4 也包含PD function , 充電模式(PDO)最高可高達20V / 5A =100W, 為避免線材品質較差傳輸大電流而發生危險, 所以USB IF才會定義Electronically Marker 宣告機制,只要傳輸電流高於3A 如果Cable 沒有Electronically Marker 宣告機制通知Host / Device PD Controller, PDO將會停在3A不會往上提升，如此則可避免燒毀Cable的問題。

USB4 vs USB3.2 主要差異

USB4是基於USB IF Type-C介面所定義的最新傳輸協議，整合了顯示、資料…等各項功能。相較於USB 3.2其傳輸速率不只提高到40Gbps，更加與PCIe、DP , Thunderbolt等協議相容, 並且支援主機到主機之間的溝通傳遞，USB4 and USB3.2 主要差異如上方表格所示。

USB4 支援傳輸率

USB4 支援 USB4 Gen2*2 = 20Gbps 以及 USB4 Gen3*1 = 40Gbps 速度，如果宣告支援 USB4 就一定要支援這兩個速度嗎？ 依據前面的說明,這個答案是”不一定”。 如果是Host design or device design就不一定要支援這兩個速度,這就需要以客戶需求來制訂,可以兩種都可以支援或擇其一即可。對於USB4 Hub 與 USB4-Based Dock 來說，就必須同時支援 20Gbps 及 40Gbps。

USB4 傳輸速率最高可已提升到 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 3/4 以及 Display 度讓桌面能更加簡單。

但是對產品的開發者來說，USB4 是一個相當大的一個挑戰，除了產品設計和以往 USB3.2 的產品在架構上的差異，必需要考慮到高速信號在 PCB 傳遞與連接器上的衰減，需審慎考慮選用高速訊號調整方案(Re-Driver or Re-Timer)來維持訊號強度與完整性, 另外也須更關注高頻阻抗匹配，以達到產品使用上的有效性。

Reference: https://www.macnica.com.tw/node/332

USB4.0 技術剖析

甚麼是USB

USB 全名為 Universal Serial Bus Generation。USB 這個介面在 1996 年發佈 USB 1.0 規格, 傳輸速度支援低速 1.5 Mbps 與全速 12 Mbps，以及之後陸續發表支援速度 480 Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps 等，並在 2019 年 9 月發布最新一代 USB4 規格，支援 20 Gbps 與 40 Gbps。

USB4.0 新功能 3 個重點

USB4.0連接器與線纜 3 個重點

USB4™ 架構的 3 個重點

USB4.0 的產品有 4 種類型

USB4.0 支援的隧道協定

USB4.0 支援的傳輸速率

結論

Reference: https://www.wpgdadatong.com/tw/blog/detail?BID=B4293

英特爾超微帶頭 USB4.0發燒

英特爾於2021年底，推出的新一代Alder Lake桌機及筆電處理器平台，全面支援USB 4.0規格，超微年初發表的Rembrandt筆電處理器，亦開始支援USB 4.0。兩國際大廠全力推動下，USB 4.0搭配USB Type-C介面，同時提供影像、資料、電力傳輸等功能，並平行兼容Thunderbolt高速介面，可望年內進入高速成長期。

英特爾及超微的新處理器，將在今年擴大出貨動能，隨著USB 4.0技術全面導入，法人看好祥碩、創惟、威鋒、偉詮電、鈺創、安格等USB／Type-C概念股表現，可望搶下ODM／OEM廠新訂單，營運一路看旺。

英特爾去年推出的第12代Core處理器Alder Lake，已支援USB 4.0傳輸介面，並與英特爾Thunderbolt高速傳輸介面整合，今年下半年會開始轉向第13代Core處理器Raptor Lake，將擴大支援USB 4.0及PCIe 5.0等高速介面。至於超微今年初發表的Rembrandt筆電處理器已支援USB 4.0，下半年推出的Raphael桌機處理器也會開始支援USB 4.0。

在英特爾及超微新處理器平台的推動下，USB 4.0裝置今年將大量進入市場。目前市場應用以USB 3.2和USB 4.0為傳輸主流技術，並於USB 3.2 Gen2x2開始統一使用Type-C連接埠，以支援雙通道提升資料傳輸速率，同時支援電力傳輸（USB-PD）。

USB 4.0依傳輸速率分為20Gbps和40Gbps兩種規格，而因為數據傳輸量倍增，為了維持訊號穩定，被動式線纜長度縮減至0.8公尺以下，主動式線纜在長度提高至1公尺以上，需要搭載Retimer或Redriver支援，除了線纜長度可拉長到1.5～2公尺，也可解決因傳輸距離而導致訊號衰減的問題。

在關鍵的USB Type-C部份，歐盟於2021年提案通用充電器計畫，目標在2024年前將手機、平板、相機等裝置的充電接頭統一為Type-C，預計將能節省上萬噸電子垃圾與不必要的充電器成本。至於中國近期也開始著手進行連接頭的規格統一，將全面要求電子產品採用Type-C。

Reference: https://www.chinatimes.com/newspapers/20220213000108-260202?chdtv