回顾USB的发展,至今已有14年的历史,而在这十多年的发展中,已让USB 2.0成为全球最普及的介面技术。根据In-Stat的调查,目前全球已有超过60亿个USB的应用,而且每年还新增30亿个,可以说得上是有史以来最成功的一种传输介面。不过,USB 2.0从2002年开始商业化,至今已经八年,其480Mbps的传输率早已不敷使用。
在千呼万唤中,新一代的USB 3.0标准在2008年11月正式完成并公开发布,最大传输率达到5Gbps,比USB 2.0快了十倍,并向下兼容USB 2.0/1.1/1.0。 USB 3.0的正式名称定为SuperSpeed USB,其出现正好因应市场对高速传输介面的热切渴望,In-stat预估到了2013年,USB 3.0将占USB市场三成的市占率。
新规格的优势虽然明显,但在设计开发上也面临着和过去大为不同的挑战。当传输率一下子倍增了十倍,不论是晶片或系统的设计与验证都变得十分严峻。为了协助台湾业界及早跨越这道门槛,零组件科技论坛在2010年5月12日举办了一场「USB 3.0技术规范与设计要领」研讨会,邀请了多位专家分别针对主机端、设备端及验证测试要领进行了深入的剖析。
《图一 睿思林宏晔表示,USB 3.0主控晶片的整合性愈高愈好》 |
十倍速时代需要十倍速技术
「这是一个十倍速的时代,因此我们需要十倍速的传输技术!」睿思科技技术林宏晔行销专员开门见山的指出,今日一片25GB的HD电影,若用USB 2.0来下载,需要用掉14分钟才传得完;但新一代的3.0介面只需70秒就下载完成了。新旧技术的优劣非常明显。
为了达成十倍速的任务,USB 3.0大幅改进了其介面规格,引进了先进的序列传输技术。林宏晔表示,USB 3.0的介面增加了两对SuperSpeed传输数据差分信号线,并采用采用全双工双向高速串列数据传输,以及封包路由技术,允许终端设备在需要发送时才进行传输。在输入电流上,USB 3.0可支援900mA输入电流,而USB 2.0为500mA。此外,USB 3.0也具有2.0的相容性,支援USB2.0 DP/DM讯号传输。
林宏晔进一步剖析USB主机端设计上常见的问题。在笔电方面,由于强调轻薄短小,因此实现USB 3.0功能的收、发端走线要具有弹性,以满足个别设计案的需求。此外,目前市场刚起步,笔电支援3.0的连接埠数量很少,但未来的数量势必会增加,因而相关晶片需有扩充的弹性。如果是介面上的设计,成本会是很大的考量,因此主控晶片的整合性愈高愈好,能够节省外部元件的成本,而且最好也能省下额外的韧体费用。
《图二 富士通李瑞琪表示目前最需要的是桥接转换的功能》 |
设备端是市场关注的焦点
目前USB 3.0发展最快的是主机端的建置,已有不少主机板及笔电导入3.0的功能。这是新传输介面推展的第一步,市场接着关注的会是周边设备端的可行方案。富士通半导体应用技术副理李瑞棋表示,USB 3.0设备端的设计重点在于让开发程序愈简单愈好,这样才能快速推广3.0的市场应用。
要做到这点,关键在于晶片厂商能否提供全方位的解决方案。如果晶片商已将多数的系统整合工作做好,并能提供驱动软体给设备厂商,那会大幅降低他们在开发上的时间与心力。当然,一套解决方案是无法一体适用所有的设备的,因此晶片商也需满足客制化的要求,甚至将原始码提供的系统商,让他们针对需求做出最佳化的设计。
在USB 3.0的应用上,李瑞棋认为USB 3.0会先从USB 2.0既有的市场开始出现替代效应,目前市场上已有华硕、技嘉推出支援USB 3.0的主机板;希捷、西部数据等储存厂商推出了USB 3.0行动硬碟。笔电的市场,目前支援3.0的机种虽不多,但预估到了今年底将会有10~20款以上的USB 3.0 Ready机种出现。未来USB 3.0的硬碟、转接卡、蓝光光碟机将会不断地在市场上涌现。
李瑞棋表示,行动设备市场对3.0的支援会比较慢一些,预估要到明年起才会见到支援USB 3.0的手机、MID、媒体播放器、数位相机、数位录影机等个人手持设备。此外,在车载资通多媒体的市场,也会看到USB 3.0的支援。
此外,在市场应用刚起步的阶段,李瑞棋认为现在最需要地是桥接转换的功能,例如运用USB 3.0 – SATA桥接晶片来支援USB 3.0的各种外接式储存设备,包括HDD硬碟、SSD、DVD、蓝光光碟机等。
《图三 太克黄芳川指出3.0的进入门槛很高》 |
USB 3.0验证难度大幅提升
在USB 3.0的测试验证上,太克量测仪器技术部门黄芳川技术经理表示,虽然同样是USB的规格,但2.0与3.0的传输特性差异很大,因此需要这次的改朝换代要求业者必须具备不同的设计与验证能力。不仅如此,开发USB 3.0的功能还需添购高成本仪器设备,因此进入门槛其实并不低。
针对USB 3.0带来的高速串列传输介面测试挑战,黄芳川指出重要在于设计案的验证与相容性测试。这包括底层的发射器测试及接收器测试,以及互连性测试和连结分析,最后则要进行相容性测试。此外,在上层的应用层则需进行系统整合与数据连结分析。这些测试及分析必须采用特定的量测工具,例如发射器测试需要到示波器,而接收器测试则要用到信号产生器或任意波型产生器。
在测试上,黄芳川强调3.0与2.0的主要差异在于以下几点:3.0的高速传输环境中,接收器测试已成了必要的项目;在通道设计中,必须考量传输线的影响,并需在设计初期即采用软体通道模拟。此外,高速传输造成的挑战还包括长距离传输下的讯号衰减影响、接收端讯号的正确性等等,需要透过一些技巧来加以克服,例如发射端采用De-emphasis,及在接收器采用CTLE等作法。