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技术分析:USB3.0/USB3.1/ThunderBolt高速串行接口速度由什么决定?

时间:07-17 来源:半导体行业观察 点击:

上世纪七八十年代就出来了各种数据传输的协议,比如T1/E1载波系统(2.048Mbps)、X.25中继系统、ISDN(综合业务数字网)等,那时的速度还比较慢的,到了九十年代,SDH(Synchronous Digital Hierarchy,同步数字体系)和SONET(Synchronous Optical Network同步光纤网)标准出现,其基本速度就是STM-1 155.520Mbps,STM-4为622.080Mbps,STM-16为2488.240Mbps,到更后来WDM(Wavelength Division Multiplexing, 波分复用)技术,再到最新的OTN(OpticalTransportNetwork,光传送网),这里面最重要的个概念就是TDM(Time Division Multiplexing, 时分复用)。

时分多路复用(Time-Division Multiplexing,TDM)是一种数字的或者模拟(较罕见)的多路复用技术。使用这种技术,两个以上的信号或数据流可以同时在一条通信线路上传输,其表现为同一通信信道的子信道。但在物理上来看,信号还是轮流占用物理通道的。时间域被分成周期循环的一些小段,每段时间长度是固定的,每个时段用来传输一个子信道。例如子信道1的采样,可能是字节或者是数据块,使用时间段1,子信道2使用时间段2,等等。一个TDM的帧包含了一个子信道的一个时间段,当最后一个子信道传输完毕,这样的过程将会再重复来传输新的帧,也就是下个信号片段。

数字传输就像打包裹,最基本单元是一个小包裹,四个小包裹打成一个中的,再四个中的打成一个大的,再四个大的打成一个更大,然后再特大的。比如SONET的传输速度就是STM-1/-4/-16等这样叠加上去,以2的指数倍往上翻。其中TDM-16速度为2488.240MBps,就是我们通常说的2.5Gbps。

上面说了堆协议,那总要具体的物理实现,一般选用铜线或光缆进行远距离传输。以光缆为例,数据先由电路中的并行数据变成串行传送出去,然后再经过光纤接口,变成光信号在光纤里传输,接收时先由光信号变成电信号,再由串行变成并行到内部使用。其中由并行到串行/串行到并行经过的就称为SERDES PHY,高速SERDES的技术实现难度较高,得由模拟电路实现,在很多场合就是一块单独的SERDES PHY芯片,那就有专门的公司来做这个事情,比如在业界大名鼎鼎的TI德州仪器,其TI芯片就卖得很好。逐渐实现这样的产业链:做数字电路的、模拟电路的、测试设备的、生产制造的(包括PCB和SERDES PHY、光口、光纤等),已经定了个基本速率后,再往上的更新换代往往是X2地叠加,在数字电路上最好实现,在模拟电路上也有这样的动力,整个技术就一直这样往前走下去。

回到标题高速串行接口由什么决定的来,PCI总线由Intel公司于91年提出,之后移交给第三方机构PCI SIG。PCI SIG由多家业内公司组成的联盟,别的公司也可以申请加入成为会员,TI也是早期会员之一。就像联合国一样,Intel等公司像常任理事国一样拥有更大的主导权;USB于94年由带头大哥Intel联合微软、HP、NEC等电脑公司组成USB-IF组织,96年推出USB1.0标准;(同期还有Apple推出的FireWare火线,也红火了好多年)由此可见,Intel对PCI/PCIE和USB的建立和发展一直拥有极大的主导权。

2001年PCIE开始制定,决定以串行方式代替并行的PCI总线时,那时产业内2.5G PHY已经比较成熟了,PCI组织PCI-SIG决定直接借鉴此速度就很正常;等到PCIE2.0发布已经是过2007年,就直接X2变成5G了; USB3.0于2008年发布,直接借鉴业界比较成熟的5G方案也就很正常了; 而PCIE3.0发布是2010年时(为什么PCIE3.0是8G而不是10G,这算是个折衷吧,速度越快对PCB走线设计和生产、线缆、测试仪器等要求越高,USB3.0采用64b/66b或128b/130b编码方案,8G*64/66=7.88G,解码后的速度几乎就是2.0的二倍,2.0采用传统的8b/10b编码,解码后速度5G*8/10=4G)。

等到USB3.1发布,也就是最近的事情(2014年),觉得10G PHY也比较成熟了,那也直接采用10G吧,USB3.1采用128b/132b编码,效率与PCIE3.0是等效的,它直接向PCIE借鉴了很多内容。

而ThunderBolt,定位在更高速速度传输,其1.0速度最开始设计时就是一 路10G PHY(大约2011年),而后2.0就成两路10G PHY了,最近的3.0成两路20G PHY,为什么不直接成40G PHY,工艺做不上去啊。

很早前,业界有个传说,铜界质PCB走线最高速度只能到16G,几年前就已经打破了,28G甚至32G以上跑铜界质的高速PHY已经有DEMO演示了,ThunderBolt2.0推出两路10G PHY,自然也是业界有这样能力去推出成熟产品。不出意外的是,ThunderBolt定位在高端,从最先推出1.0接口的MAC电脑(2011年),到现在已经四年过去了,相对来说还很不普及,只在高端电脑上才有配备,其外设产品,比如支持该接口的外接存储和高清显示器见到过报道,但市场上卖得真不太多,比起这几年一下子普及开来的USB3.0还是相差不少。与此类似待遇的是DisplayPort接口,显示器接口从最早的VGA到DVI,到同时支持声音图像传输的HDMI、DisplayPort接口,HDMI逐渐变得常见,尤其是电视接口上,而DisplayPort仍然不太多见。而ThunderBolt在外观上与Mini DP接口兼容,在功能上可认为是图像传输接口DP和数据传输协议PCIE的合体。

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