在USB標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷史上，USB4可能是USB自從問(wèn)世以來(lái)，重要性僅次于Type-C 接頭的發(fā)展里程碑。由于USB4 整合了Thunderbolt 3協(xié)定，不僅介面頻寬的極限值一口氣拉高到40Gbit/s，支援其他協(xié)定的方法也更優(yōu)雅、更有效率，為USB介面開(kāi)拓了更多潛在應(yīng)用市場(chǎng)。

　　USB4性能全方位提升　性價(jià)比遠(yuǎn)超Thunderbolt

　　威鋒電子新市場(chǎng)開(kāi)發(fā)部總監(jiān)Terrance Shih（圖1）指出，提到USB4，一般都會(huì)想到更快的傳輸速率，但與先前的USB版本相比，USB4不只是速度更快而已，在傳輸機(jī)制方面，也有很明顯的改良。

　　圖1　威鋒電子新市場(chǎng)開(kāi)發(fā)部總監(jiān)Terrance Shih指出，由于傳輸機(jī)制改良，USB4的整體性能有了十分明顯的突破

　　在USB3.x介面，藉由Alternative Mode，USB可以支援Displayport或HDMI等影音介面的訊號(hào)格式，進(jìn)而讓USB介面可以當(dāng)作影音傳輸介面來(lái)使用。但Alternative Mode會(huì)占用一條專屬通道，如果用USB3.x介面同時(shí)連接Displayport跟其他資料儲(chǔ)存裝置，即便Displayport沒(méi)在使用，分配給Displayport的專屬通道也不會(huì)釋放給其他資料傳輸應(yīng)用，降低資源運(yùn)用的效率。

　　針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，USB4採(cǎi)用穿隧（Tunneling）協(xié)議的作法。例如在USB、Displayport跟PCI Express三種協(xié)定同時(shí)存在的情況下，USB4的主控端（Host）會(huì)把這三種不同協(xié)定的封包匯聚起來(lái)，在一條共通的通道上傳輸；到了裝置端再把不同協(xié)定的封包分離，配送到對(duì)應(yīng)的周邊設(shè)備。

　　由于傳輸機(jī)制的改良，USB4介面的資源使用變得更有效率，不同協(xié)定的資料在傳輸時(shí)彼此拖累的情況大有改善，讓USB4變成一個(gè)更理想的多用途介面。這對(duì)于筆記型電腦擴(kuò)充基座（Docking）這類需要連接多樣化周邊的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，是相當(dāng)關(guān)鍵的。

　　而且，雖然USB4跟Thunderbolt4使用一樣的協(xié)定，具有相同的傳輸效能，但因?yàn)槟玫袅藇Pro這類高階功能，驗(yàn)證跟取得Logo授權(quán)的成本也低很多，因此，支援USB4的產(chǎn)品會(huì)比Thunderbolt4要便宜得多，有利于市場(chǎng)推廣跟普及。

　　測(cè)試工作繁重　自動(dòng)化將成關(guān)鍵

　　在USB4的相容性測(cè)試跟合規(guī)測(cè)試方面，由于頻寬增加，又強(qiáng)化了對(duì)多種協(xié)定的支援性，因此USB4產(chǎn)品的設(shè)計(jì)驗(yàn)證跟測(cè)試工作，變得更為複雜。

　　是德（Keysights）科技技術(shù)專家邱柏勝（圖2）指出，由于頻寬增加，因此USB4對(duì)電氣特性的要求，變得更為嚴(yán)謹(jǐn)。因此，工程師需要更精準(zhǔn)的抖動(dòng)（Jitter）跟雜訊分析工具，測(cè)試設(shè)備也必須支援更先進(jìn)的等化（Equalization） 與數(shù)學(xué)運(yùn)算功能。而在協(xié)定分析方面，因?yàn)閁SB4是一個(gè)主打多協(xié)定融合的介面，所以工程師所使用的工具除了要能涵蓋USB4，還必須支援Displayport 等其他協(xié)定。

　　圖2　是德科技技術(shù)專家邱柏勝表示，為降低USB4測(cè)試的人力作業(yè)負(fù)擔(dān)，測(cè)試工具的自動(dòng)化將是必然的趨勢(shì)

　　但除了儀器本身的訊號(hào)擷取跟協(xié)定分析功能外，邱柏勝認(rèn)為，自動(dòng)化測(cè)試能力，將是儀器廠商能否真正協(xié)助USB4開(kāi)發(fā)者解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。USB4的測(cè)試規(guī)范十分嚴(yán)謹(jǐn)，又要支援多種協(xié)定，意味著工程師需要執(zhí)行的測(cè)試項(xiàng)目將大幅增加，且其中有些測(cè)試項(xiàng)目需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才能完成。因此，更強(qiáng)大的自動(dòng)化功能，將是USB4測(cè)試方案中不可或缺的一環(huán)。

　　確保介面性能表現(xiàn)　USB-IF要求線纜品質(zhì)

　　作為承載訊號(hào)的介質(zhì)，線纜的品質(zhì)是決定介面真實(shí)性能表現(xiàn)的重要因素，尤其是對(duì)于像USB4 這種高速界面來(lái)說(shuō)，線纜的好壞，更會(huì)對(duì)介面的傳輸性能造成極大影響。為確保線纜的品質(zhì)合乎規(guī)范，USB-IF對(duì)USB4的線纜設(shè)計(jì)，也提出了對(duì)應(yīng)的規(guī)范與測(cè)試要求。

　　優(yōu)力國(guó)際安全認(rèn)證（UL）專案工程師葉建緯（圖3）指出，USB-IF 已經(jīng)發(fā)布USB4 Gen 3線纜以及連接器標(biāo)準(zhǔn)及需求，規(guī)定線纜跟連接器必須支援15GHz頻寬，測(cè)試時(shí)的頻寬則為20GHz。目前USB-IF正在著手制定USB4 Gen 4相關(guān)規(guī)格，就目前可以掌握的消息，對(duì)裸線的設(shè)計(jì)沒(méi)有太大的變化。

　　圖3　優(yōu)力國(guó)際安全認(rèn)證專案工程師葉建緯表示，為確保USB4的性能表現(xiàn)，USB-IF對(duì)線纜有明確的規(guī)格要求跟測(cè)試規(guī)范

　　但因?yàn)閁SB4必須搭配Type-C 連接器，因此USB4線纜設(shè)計(jì)還是須符合Type-C的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，如圖4所示。此外，除了訊號(hào)線以外，USB4線纜還須包含其他功能性芯線，如VBUS VCONM SBU等。針對(duì)這些芯線的設(shè)計(jì)規(guī)格，USB-IF均有對(duì)應(yīng)的規(guī)定，且USB-IF規(guī)定線纜結(jié)構(gòu)直徑不可超過(guò)4.8mm+/- 0.2，所以使用長(zhǎng)度上必定會(huì)有所限制。

　　圖4　Type-C纜線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

　　葉建緯指出，整體線徑的規(guī)范是使用便利性跟效能、成本妥協(xié)后的結(jié)果。線徑變粗固然可以讓線纜具有更好的性能，但同時(shí)也會(huì)讓線纜變得難以彎折，對(duì)使用者造成許多不便，更會(huì)增加生產(chǎn)成本。

　　基本上，對(duì)于USB4纜線這類電纜而言，同軸線的設(shè)計(jì)及製程，會(huì)決定線纜特性及品質(zhì)的好壞。成纜、編織以及外被押出，對(duì)于同軸線來(lái)說(shuō)都是損耗，所以在各製程的機(jī)臺(tái)選擇、參數(shù)設(shè)計(jì)及製程能力都需加以驗(yàn)證及設(shè)計(jì)。

　　加工方式也會(huì)直接或間接的影響同軸線的生產(chǎn)。大多數(shù)加工廠使用光學(xué)鏡頭對(duì)焦及雷射切割，因此芯線本身的顏色，也會(huì)是影響製程穩(wěn)定性的主要因素之一。遮蔽材料的包覆也會(huì)影響加工的便利性，加工時(shí)導(dǎo)體及絕緣長(zhǎng)度，則會(huì)直接影響線纜的所有特性。

　　USB PD3.1配套還需醞釀

　　除了頻寬跟協(xié)定的改良外，更大的功率傳輸能力，也是USB介面的重要發(fā)展方向。在USB進(jìn)入4.0時(shí)代之后，專門規(guī)范USB 供電能力的USB PD也進(jìn)入了3.1 時(shí)代，將功率傳輸?shù)臉O限提高到240W。

　　偉詮電子資深處長(zhǎng)羅汶光（圖5）指出，USB PD3.1規(guī)范最重要的變動(dòng)，在于增加了EPR（Extended Power Range）跟AVS（Adjustable Voltage Supply）兩個(gè)機(jī)制。EPR 讓USB PD的供電電壓可以提高到48V，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)240W供電能力；AVS則是考量到電壓變化范圍加大，既有PPS模式?jīng)]有規(guī)范到20~48V這個(gè)區(qū)間，所做出的電壓調(diào)節(jié)補(bǔ)充規(guī)范。

　　圖5　偉詮電子資深處長(zhǎng)羅汶光指出，雖然USB PD3.1將供電能力的上限提高到240W，但受到電路拓?fù)涞南拗疲?20W以下的應(yīng)用產(chǎn)品會(huì)發(fā)展得比較快

　　但羅汶光也指出，雖然PD3.1 將供電能力的極限提高到240W，但因?yàn)槭峭高^(guò)將供電電壓提高到48V來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以在充電器設(shè)計(jì)、受電端的安全防護(hù)方面，都需要做好對(duì)應(yīng)的配套。

　　在充電器設(shè)計(jì)方面，目前最大的挑戰(zhàn)在AC/DC電路拓?fù)涞倪x擇。目前已經(jīng)很成熟的QR、ACF拓?fù)?，?8V條件下的效率表現(xiàn)不是很理想，因此業(yè)界正在探索使用混和式拓?fù)涞目赡苄?，讓充電器的AC/DC電路在低壓跟高壓工作條件下，都能有良好的效率表現(xiàn)。

　　在受電裝置的安全性方面，由于電壓提高到48V，所以在Type-C接頭被拔出受電裝置時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生電弧火花。這會(huì)帶來(lái)相當(dāng)大的安全疑慮，故受電裝置的製造商，例如NB廠商，必須導(dǎo)入對(duì)應(yīng)的保護(hù)機(jī)制，才能降低意外事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。