USB-IF 在 2022年10月18日發(fā)布最新 USB4 Ver2.0規(guī)格，又再次使USB 帶寬增加一倍，通過(guò) USB Type-C 線纜和連接器提供 80Gbps 性能且支援 DisplayPort 2.1。這將有益于更高性能的顯示器、儲(chǔ)存裝置與 USB 集線器等。為了支持更高傳輸性能，USB-IF 也同時(shí)發(fā)表 USB Type-C 線纜和連接器更新規(guī)格到 2.2 版，以及 USB PD 3.1 規(guī)格到 1.6 版本。

VESA協(xié)會(huì)也在前一日 2022年10月17日發(fā)布最新 DisplayPort 2.1 規(guī)格。同一周內(nèi)，Intel 也展示其與 USB4 Ver2 規(guī)格一致的下一代 Thunderbolt 支持 80Gbps的早期原型。繼 USB-IF 在 2019年9月推出USB4規(guī)格，結(jié)合資料與影像同時(shí)傳輸，將傳輸速度提升至 USB 20Gbps (10Gbps x2) 與 USB 40Gbps (20Gbps x2)，搭配 PD 高達(dá) 240W 的快速充電功能，充分滿足游戲玩家高解析度顯示及快充所需；因應(yīng)全球高效能運(yùn)算 (HPC) 應(yīng)用不斷加速，USB-IF發(fā)布最新USB4 Ver2.0規(guī)格，針對(duì)持續(xù)成長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量與更高解析度的影音規(guī)格，提供USB 80Gbps (40Gbps x2)的超高傳輸速度，使USB4持續(xù)稱(chēng)霸外接總線。

本篇文章將介紹此最新規(guī)格，重點(diǎn)為以下幾項(xiàng)：

USB4 Gen4 介紹

為什么 USB4 Gen4 采用 PAM3？

USB4 Gen4 規(guī)格的「帶寬」優(yōu)化

新增「非對(duì)稱(chēng)傳輸」帶寬可提升至 120 Gbps

新增 USB3 Gen T 優(yōu)化帶寬運(yùn)用

圖1: USB4 PAM3眼圖

USB4 Gen4 介紹

新發(fā)布的 USB4 Ver2.0 規(guī)格，傳輸速率再次倍增，來(lái)到80 Gbps(40G bps x2)，并以 USB4 Gen4來(lái)表示。電氣層采用PAM3(Pulse Amplitude Modulation 3-level) 信號(hào)編碼，如圖 1 所示，利用三個(gè)電壓狀態(tài)進(jìn)行傳輸，所以會(huì)形成上下兩個(gè)眼圖。

每通道以25.6 GBaud進(jìn)行傳輸，傳送端將二進(jìn)制 bit信號(hào)，透過(guò)11-bits to 7-trits (三進(jìn)制) 的映射配置進(jìn)行編碼，以 PAM3 信號(hào)傳輸，達(dá)到雙通道80 Gbps傳輸速度。在接收端部分，Gen4要求在沒(méi)有FEC（Forward Error Correction向前糾錯(cuò)）的條件下，誤碼率 TER (Trit Error Ratio) 須以 1E-8 或更低的誤碼率進(jìn)行接收。

USB4 Gen4 規(guī)格采用不同以往的傳輸方式，下面先介紹幾個(gè)常見(jiàn)的專(zhuān)有名詞。

NRZ vs. PAM3 vs. PAM4

圖2: PAM2/PAM3/PAM4 比較

1.NRZ：Non-Return-to-Zero，也稱(chēng)作 Pulse Amplitude Modulation 2-level (PAM2) 信號(hào)，二進(jìn)制的編碼，使用高低準(zhǔn)位來(lái)代表邏輯 1 與 0。NRZ 每個(gè) Symbol 可以傳送1個(gè)bit ?(log2 2 = 1)。

2.PAM3：Pulse Amplitude Modulation 3-level，3 階脈沖振幅調(diào)變，三進(jìn)制的編碼，通常以 -1，0，+1 或者 0，1，2 來(lái)表示 Ternary（3元的）值，PAM3 每個(gè) Symbol 可以傳送 1.58個(gè)bits (log2 3 = 1.58)。

3.PAM4：Pulse Amplitude Modulation 4-level，4 階脈沖振幅調(diào)變，通常以 00，01，10，11 來(lái)表示。PAM4 每個(gè) Symbol 可以傳送2個(gè) bits (log2 4 = 2)。

Data Rate 與 Baud Rate

高速總線數(shù)據(jù)傳輸速度 Date Rate，通常以 bps (bit per second) 來(lái)表示，是指每秒傳輸?shù)?bit 數(shù)。但是隨著信號(hào)編碼的改變，如網(wǎng)通常用 50 GBaud PAM4 傳送，可以達(dá)到 100 Gbps Data Rate。

Symbol Rate 以 Baud（波特）來(lái)表示。1 Baud 等于每秒傳輸一個(gè) Symbol。而 Data Rate 再依照每個(gè) Symbol 以不同編碼機(jī)制下所承載的 bit 數(shù)來(lái)計(jì)算。二者換算關(guān)系為：

Date Rate = Baud Rate * Symbol承載比特?cái)?shù)

當(dāng)信號(hào)編碼方式為 NRZ 時(shí)，Baud Rate 會(huì)等于 Data Rate，如 25.6 GBaud 的 NRZ (PAM2) ，Data Rate 為 25.6 Gbps (25.6 GBaud * log2 2)。

當(dāng)信號(hào)編碼方式為 PAM3 時(shí)，25.6 GBaud PAM3 的 Data Rate 為40.575 Gbps (25.6 GBaud * log2 3)。

USB4 Gen4 以 PAM3 信號(hào)，25.6 GBaud 速度傳輸，透過(guò) 11-bits 到 7-trits 的映射配置，以 40.2 Gbps Date Rate (25.6 GBaud* 11/7)，達(dá)到雙通道傳輸 80 Gbps。

說(shuō)明：PAM3 Symbol 乘載比特?cái)?shù)最高為 1.58 個(gè) bits (log2 3= 1.58)，USB4 Gen4 其 Symbol 乘載比特?cái)?shù)為 1.57 (11/7 bits)，充分運(yùn)用 99% PAM3 的傳輸帶寬。

誤碼率 BER vs. TER

在 NRZ 信號(hào)，以 bit 來(lái)傳輸，誤碼率會(huì)以 BER (Bit Error Ratio) 表示。對(duì)于 PAM3 以三進(jìn)制的信號(hào)傳輸，誤碼率則以 TER (Trit Error Ratio) 表示。其中 trit 為 trinary digit（三進(jìn)制數(shù)）的縮寫(xiě)。

為什么 USB4 Gen4 采用 PAM3？

USB4 Gen4 想要達(dá)到 80 Gbps 且沿用與 Gen3 相同的 PCB 線纜，必須采用新的編碼方式如 PAM3 或 PAM4，并且從下列兩大方向考量：

總損耗考量

信號(hào)從 Host的TX 端經(jīng)由連接器、線纜，再到Device的RX端，以 Gen3 相同線纜及 PCB 最大允許損耗下，若采用 NRZ 以 40 Gbps 傳輸，其傳輸損耗在 Nyquist頻率 (20GHz) 將會(huì)超過(guò) 40dB，IC無(wú)法補(bǔ)償此過(guò)高損耗，導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法正確接收，NRZ 無(wú)法符合 Gen4 要求。而 PAM4 與 PAM3 在 Gen4 Nyquist 頻率為 10GHz 與 12.8 GHz，其總傳輸損耗分別約為 23dB 與 28dB，IC可以補(bǔ)償此損耗，納入分析考量。

誤碼率考量

PAM3 傳送眼高為 NRZ 的一半，PAM4 傳送眼高為 NRZ 的 1/3，增加接收端還原信號(hào)困難度，而 PAM3 在信號(hào)噪聲失真比 (SNDR) 優(yōu)于PAM4，經(jīng)由模擬以及實(shí)際線路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，未編碼 BER 分別為 10E-8 與 10E-6，因而選擇采用更適合的 PAM3。

USB4 Gen4 規(guī)格的「帶寬」優(yōu)化

USB4 Gen4 支援「非對(duì)稱(chēng)傳輸」，速度可提升至 120 Gbps

為了維持高影像解析傳輸，在高數(shù)據(jù)傳輸情況下，不降低顯示品質(zhì)，Gen4 新增非對(duì)稱(chēng)傳輸 (Asymmetric Link)。只有 Gen4 可以支援非對(duì)稱(chēng)傳輸，Gen2 與 Gen3 僅支援對(duì)稱(chēng)傳輸。

對(duì)稱(chēng)傳輸指的是 TX 通道數(shù) (Lane) 與 RX 通道數(shù)一致。USB4 Gen4 必須為雙通道傳輸，只有 Gen2 與 Gen3 可以是單通道傳輸 (1*TX/1*RX)，也就是在 Lane 0 傳輸、Lane 1 停用的狀態(tài)下傳輸；而雙通道對(duì)稱(chēng)傳輸 (2*TX/2*RX) 可以在 Gen2、Gen3、Gen4 任何速度運(yùn)行。Gen4 除了支持對(duì)稱(chēng)雙通道傳輸外，為了可以支持高解析度影像 DP 2.1 傳輸，且同時(shí)高速傳輸數(shù)據(jù)，Gen4 新增非對(duì)稱(chēng)傳輸，也就是將其中的一對(duì) TX/RX 通道，作為影像傳輸通道，以 TX/TX 或 RX/RX 傳送，如下圖 3。也就是一邊傳輸 “3*TX/1*RX”，而另一邊為 “1*TX/3*RX”。使得其在一個(gè)方向提供高達(dá)120Gbps (40Gbps x3)，同時(shí)在另一個(gè)方向保持 40Gbps的速率。對(duì)稱(chēng)傳輸轉(zhuǎn)換到非對(duì)稱(chēng)傳輸，是由連接管理 (Connection Manager) 負(fù)責(zé)控制。

圖3: Symmetric and Asymmetric USB4 Link

USB4 Gen4 新增 USB3 Gen T 優(yōu)化帶寬運(yùn)用

USB4新增支持 USB3 Gen T 隧道協(xié)議，主要是讓USB3隧道傳輸可以更充分利用USB4傳輸帶寬。USB3 Gen X 與 USB3 Gen T 是在 USB4 Ver2 中新增的定義，說(shuō)明如下：

USB3 Gen X：使用現(xiàn)有 USB 3.2 協(xié)議的 USB3 隧道架構(gòu)。

USB3 Gen T：使用修改的 USB 3.2 協(xié)議的 USB3 隧道架構(gòu)，以允許使用 USB4 可用最大帶寬。

USB4 需向下相容 USB3，所以在 USB4 Gen2/Gen3 路由器內(nèi)部，必須配備有 USB3 協(xié)議適配器 (USB3 Protocol Adaptor)，將原生的 USB3 協(xié)議數(shù)據(jù)流量和 LFPS 封裝在 USB4 數(shù)據(jù)包中，在 USB4 Ver2 最新規(guī)格中將此定義為 USB3 Gen X 隧道協(xié)議。

USB3 Gen X 隧道協(xié)議下，Hub 只有一個(gè)上傳的 Embedded SS Hub，即使 Hub 下接裝置多通道同時(shí)傳送，也會(huì)被上傳 Hub 的帶寬限制。如圖 4 左，無(wú)法充分利用 USB4 更高的帶寬。

圖4: USB3 Gen X and USB3 Gen T Tunneling Compare

USB3 Gen T 隧道協(xié)議使用 USB 3.2 協(xié)議的修改版本，主要透過(guò)新增USB3 Gen T 協(xié)議適配器來(lái)達(dá)成，如圖4右，若主機(jī)和設(shè)備都支持 USB3 Gen T，例如 Hub 下接兩個(gè)裝置，且都運(yùn)行在 20 Gbps (USB3 10G x2)，下接帶寬共為 40 Gbps，在 Hub 運(yùn)作，上傳與下傳會(huì)直接通過(guò)（無(wú)需經(jīng)由 USB3 embedded SS hub），使得上傳帶寬亦可為 40 Gbps，不會(huì)受限于原 USB3 Gen X 上傳 20 Gbps 限制，讓 USB3 Tunneling 可以更有效地利用 USB4 的帶寬。對(duì) Host、Hub、Device 來(lái)說(shuō)，USB3 Gen T Tunneling 都是可以選擇性支持的功能。

結(jié)論

USB4 Gen4 傳輸速度提升到 80 Gbps 并采用 PAM3 編碼，新增USB Gen T 與支持非對(duì)稱(chēng)傳輸；測(cè)試上由原本只要測(cè)試兩對(duì) TX/RX，變?yōu)?對(duì)TX/RX，不只增加了測(cè)試時(shí)間也增加了測(cè)試復(fù)雜度。

對(duì)于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，PAM3 編碼是新的挑戰(zhàn)，眼高只有原先 NRZ 一半的狀況下，信號(hào)噪聲失真比 (SNDR) 相形重要，更復(fù)雜的眼圖及抖動(dòng)測(cè)試分析，需要更多時(shí)間去摸索。

參考文獻(xiàn)

1. Universal Serial Bus 4 (USB4) Specification, Version 2.0, October 2022

編輯：黃飛

?