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USB 3.0高速傳輸技術產品發展應用趨勢
摘要: 在USB3.0規格底定,號稱傳輸頻寬將一舉拉高至5GBit/sec規格目標越來越近,觀察USB界面發展,其實已經有近10年未有重大升級手段,尤其是規格面的部份也是近來才有大幅變更。
Abstract:
Key words :

  在USB 3.0規格底定,號稱傳輸頻寬將一舉拉高至5GBit/sec規格目標越來越近,觀察USB界面發展,其實已經有近10年未有重大升級手段,尤其是規格面的部份也是近來才有大幅變更,在推展USB 3.0應用的趨勢下,不只是終端產品制造商熱衷參與,各主流芯片業者也積極參與競爭,競相推出旗下的解決方案,芯片業者亦樂觀預期2010年底USB 3.0裝置有機會上看2000萬部。。.

  以往USB界面在導入市場時,通常都是由主流系統芯片業者主導成分居多,例如Intel就是其中一個熱衷推展的業者,在USB持續成為主流界面后,USB的重大改版一直遲遲未出現,直至USB第三版規格底定,USB界面的升級方向才被確認。

  

  USB 3.0傳輸效能大升級,使其認證取得難度大幅增加。USB-IF

  

  Light Peak是USB 3.0傳輸效能極致發展的關鍵技術,但目前相關標準未定。(Intel)

  

  終端業者積極搶攻應用市場

  在以前USB標準確認到市售產品推出認證產品的時間差,一般都要花上15~20個月,而在USB 3.0標準確認到第一款產品問市,已經縮短到僅需要不到10個月時間,顯見相關業者搶攻終端應用的動作相當積極。

  此外,根據USB界面標準過往的發展脈絡進行觀察,以前大力推行的業者多半以產制系統芯片組的業者為多,周邊廠商的動作多半較為被動,或是觀望態度,但這次USB 3.0由于改版幅度相當大,尤其時把USB傳輸頻寬推升到5Gb/sec的水平,讓終端應用多了更多想象空間,在預期消費者接受的速度可能會比以往的需求更為強烈,不只終端業者積極尋求可用的芯片解決方案,同時也加速催生非系統芯片廠商的解決方案必須更早推出,甚至搶先完成驗證,以利終端產品開發時程。

  

  上游芯片業者對USB 3.0控制芯片 抱持積極樂觀看法

  控制芯片解決方案,可以說是USB 3.0終端應用的成敗關鍵,目前有Renesas Electronics、Fresco、TI等芯片業者,積極參與相關規格制定與解決方案開發,相關解決方案均集中在2010年相繼完成驗證、量產與供貨,目前多數仍以小量方式推出的USB 3.0終端裝置,在關鍵控制芯片量產成本合理化的過程,也能逐漸展現界面升級后的性/價比優勢,與現有的舊界面產品同場競爭。

  除芯片業者表現相當積極,搭上Microsoft操作系統Windows 7應用熱潮,消費者對高速傳輸界面的需求日殷,系統業者跟進的腳步也不遑多讓。目前USB 3.0多半選擇搭載于高階筆電或是高階主機板為多,以目前動作較積極的Asus,預期將在筆電、主機板全產品線積極導入USB 3.0界面設計,目前號稱已經持續取得USB Implementers Forum SuperSpeed USB認證,此外Gigibyte也預計將搭載USB 3.0界面的產品份額,以500萬片/季的目標。

  

  速度提升相對也讓設計難度增加

  USB 3.0將傳輸效能理論極限推升到5GBit/sec,引發的技術瓶頸相當多,尤其是信號的傳輸要求必須以更高標準檢視每個細節,設計人員甚至必須確認每一個環節訊號都能維持相同質量與位準,短期內必須以大量額外的元件進行輔助設計,這可能讓初期USB 3.0相關應用裝置的成本壓不下來,甚至造成產品必須經過不斷驗證的額外成本,必須持續透過經驗與設計技術累積,開發出更具效益的設計方式。

  但USB 3.0的高速表現其實實踐規格的技術挑戰相當多,除了主控芯片的設計復雜度多了數倍外,硬件設計需要考量的問題更多,例如,USB 3.0的連接器要求會更高許多,再來就是驅動器、實體元件、Bridge橋接器、Hub集線器、ESD保護元件等,這些元件的質量與是否針對USB 3.0高頻寬應用進行對應最佳化設計,將會影響終端產品甚至是系統主機板、主機的開發難度。

  

  訊號質量是USB 3.0的決勝點

  5GBit/sec的理論極限,看似不容易達成,在USB 3.0的終端應用中,由于使用者的應用環境、搭配方式相對實驗室更為復雜,因此就更容易出現兼容或效能低下問題,此時,針對USB 3.0裝置的驗證標準與是否有USB Implementers Forum SuperSpeed USB認證,就成為產品營銷進入市場的關鍵。

  基本上USB 3.0要能順暢應用其優點,就必須在傳輸的信號盡可能維持最佳狀態與降低可能的衰減問題,新界面的市場導入,也會重新對于技術標準的基礎元件、線材、連接器等元件更為重視,尤其在質量、元件特性與其相關的標準設計方案等,象是若連接器在阻抗無法達到要求,極可能造成信號在連接器部分形成衰減,甚至是連接縣本身的材質問題,讓傳輸時的信號質量無法維持。

  即便是可能在外部出現的干擾或連接器的材質限制,影響了USB 3.0的傳輸信號質量,遇到這種問題也可以藉由外部的驅動器進一步修正傳輸信號,同時提升信號質量,或在主控芯片中已內建信號放大與位準提升的相關設計,簡化外部元件的使用數量、同時改善USB 3.0可能的信號衰減問題。

  以主機板為例,有無USB 3.0界面技術整合,BOM物料清單成本可能會增加15~20美元,因為可能在控制器、驅動器、ESD元件方面的料件增加成本,筆記型計算機的導入成本也是差不了多少,但這些額外的成本未來都可能因主控芯片的整合技術越來越成熟,導入新的USB 3.0解決方案獲得成本進一步壓縮,降低產品導入的成本沖擊。

  

  Light Peak提供USB界面更多想象

  雖然USB 3.0的傳輸效能已有10~15倍大幅提升,但后繼技術目標,也是終端產品、系統業者與主控芯片業者積極關注的目標,目前以Light Peak塑料光纖的技術最為看好,尤其是光纖化的USB 3.0界面技術,屆時要面對的不光是信號的物理電性問題,還必須加上物理光學特性的轉換與抗干擾技術導入,不只是主控芯片可能大受影響,連同連接器、傳輸線、終端裝置與系統業者,沒有一個環節不受此技術趨勢影響。

  Light Peak在線材的轉換下,理論極速可以再將USB 3.0推升到25Gb/sec,比金屬線材的USB 3.0有五倍傳輸效能提升,但在USB Implementers Forum仍未對光纖實作的USB 3.0提出細部規格標準化的同時,而且目前USB Implementers Forum均把資源擺在現有的USB 3.0認證與推廣,看起來短距離光纖傳輸的USB 3.0市場尚未成形,但仍須持續關注其發展態勢。

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