USB 3.1新登場,速度更快帶來全新應用!

USB 3.1新登場,速度更快帶來全新應用!

文.圖/陳建宏.USB-IF & ELECOM & Intel   2014/11/23 下午10:23:19

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▲原先USB 3.0線材,包括先前只能跑5Gbps的USB 3.0 Type-A、TYPE-B、Micro-B線材,現在可以直接支援USB 3.1,速度直接從原先的5Gbps,飆上10Gbps(圖片來源:PCDIY!歷史資料庫)

今年在中國深圳舉行的IDF 2014(Intel Developer Forum 2014)揭露了Intel大量的新技術,其中也包含USB IF協會(USB Implementers Forum)所推出的新一代的USB 3.1規格及相關應用,稍微有留意的讀者應該都知道USB 3.1頻寬加大為10Gbps,除了速度翻倍外,還帶了新增加了USB 3.1 Type -C連接器、更大的電力供應及影像傳輸應用,雖然對於消費者而言,實際產品還沒推出,應該都只能算是嘴砲階段,PCDIY!在2014年6月初的Computex Taipei 2014,已經看到主機板和晶片廠商展示相關的產品,加上最近已經有日本ELECOM率先全球供貨USB 3.1 Type-C線材,相信新的USB 3.1裝置很快就會來臨!

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▲USB 3.1 SuperSpeed+ 10Gbps LOGO,新提供的SuperSpeed+、SuperSpeed 10Gbps、SuperSpeed+ 10Gbps,則提供10Gbps傳輸速率(圖片來源:USB-IF)

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▲目前,USB 3.0用於外接硬碟,都是使用USB 3.0 Micro-B連接器,未來也可用於USB 3.1上面(圖片來源:PCDIY!歷史資料庫)

USB,外接介面王者

USB(Universal Serial Bus)萬用序列匯流排已經是現在各種電子裝置最常用的外接介面,想當初剛問市時,支援熱插拔的隨插即用特性,真的帶來很大的便利性。不同於PCIe、SATA、mSATA和M.2介面專為內接裝置連接,USB是專門針對外接裝置所設計,應用更加多元和廣泛。以外接介面而言,已經是過去式的IEEE 1394和eSATA,現在已經不重要。PCDIY!常被玩家問到,哪一個比較快的,最常拿來和新的USB 3.0比較的是由Intel所主導的Thunderbolt介面,Thunderbolt的頻寬比USB 3.0還高,而且支援菊鏈式(Daisy-chain)串連應用,Thunderbolt 1.0傳輸頻寬就有10Gbps,Thunderbolt 2.0傳輸速率更達到了20Gbps,不過相信應該有不少讀者根本沒有看過或用過Thunderbolt,目前比較常見的Thunderbolt裝置,除了Apple的電腦外,只有少數高階主機板、外接儲存和顯示器裝置有採用,相較於USB,能見度真的太低。Thunderbolt並沒有像USB那麼普及的原因,除了推出較晚,推廣的時間沒麼長外,最主要的原因可能還是在於Intel晶片組並未原生提供支援,應用廣度就先打個3折,再者,主機板使用Thunderbolt得外加Intel晶片,而且晶片本身也不便宜,使得成本比原生支援的USB貴上許多,想當然爾,Thunderbolt頻寬再大也沒有用,根本就不足以和USB一較高下,USB外接介面王者的地位相當穩固,而且新的USB 3.1介面速度又再翻倍,Thunderbolt速度上的優勢將會愈來愈小。

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▲USB 3.1 Type-C連接器(圖右),讓USB 3.1更具競爭力(圖片來源:ELECOM)

USB 3.1大躍進

PCDIY!對於USB 3.0、USB 3.1是非常期待的,一直密切注意中。2008年11月12日USB 3.0推出之後,SuperSpeed帶來了5Gbps高速傳輸效能,還附加提供5V/0.9A電源。隨著對於傳輸速率的要求,加上也希望能提昇供電,2013年1月6日USB IF協會(USB Implementers Forum)正式宣布要推出新的加強版USB 3.0,2013年4月10日並招集了硬體、連接器、線材業者進行討論,2013年7月31日宣布正式開始研發SuperSpeed 10Gbps,2013年12月3日USB 3.0 Promoter Group正式宣布USB 3.1誕生。到了2014年6月份Computex Taipei 2014,ASMedia第一家正式展示原生USB 3.1晶片,實現SuperSpeed+,也就是SuperSpeed 10Gbps速率,並且,最高允許到支援20V/5A,支援供電100W。

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▲USB 3.0 SuperSpeed LOGO,新的SUPERSPEED模式,提供5Gbps傳輸速率(圖片來源:USB-IF)
USB 3.1傳輸速率衝上10Gbps

USB 3.1、SuperSpeed 10Gbps、SuperSpeed+這三個詞指的是同一件東西,在新的USB 3.1 logo上,您也會看到有SuperSpeed+和10Gbps字樣。因應各種裝置的高速應用,USB的頻寬從1.0版本(1.5Mbps)、1.1版本(12Mbps)、2.0版本(480Mbps)到3.0版本(5Gbps),速度已經有很大的進步了,而面對將來的需求,新的USB 3.1介面將把頻寬再翻倍,提升至10Gbps,同時值得注意的是,編碼率也再度提升,USB 3.0為8b10b編碼,也就是每傳送10bit資料中,只有8bit是真實的資料,剩餘的2bit是做為檢查碼,因此整個頻寬會有高達20%(2/10)的損耗,而新的USB 3.1則是使用128b130b編碼,在130bit的資料中,只需使用4bit做為檢查碼,傳輸損耗率大幅下降為3%(4/132),所以USB 3.1不單只是提升頻寬而已,連傳輸效率也增進不少。另外,相較於Thunderbolt,USB 3.1和Thunderbolt 1已同樣擁有10Gbps的速度,而Thunderbolt 2雖然提供20Gbps,但只是把原本的Thunderbolt 1中兩條獨立的10Gbps合併,變成單向傳輸20Gbps,而非雙向,而此看來,只要USB 3.1裝置正式問市後,頻寬速度和應用廣度上仍相當具有優勢。

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▲速度提升至10Gbps的USB 3.1將提供各種高速裝置的應用(圖片來源:Intel)
USB 3.1新增USB Type-C連接器

智慧型手機可以說是繼電視、電腦和網路之後,改變人類生活習慣最重要的東西了。隨著智慧型手機成為生活中不可或缺的一部分,USB在手機上的應用和便利性也更加受到關注,不過以現行USB 3.0的TYPE-A或Micro-B規格的連接器對於手機而言,其實有點太大了,連平板電腦也不適合,因此新的USB 3.1除了一樣有TYPE-A和Micro-B連接器向下相容外,還新增USB 3.1 Type-C連接器,線材兩端皆為相同的Type-C型式,連接器採用比USB 2.0 Micro-B還小的設計,尺寸為8.3mm x 2.5mm,可插拔達1萬次,同時也加強了EMI和RFI防護,標準線材即能提供3A的電流傳輸,同時連接器也特別改成正反兩用的格式,如此設計和Apple Lightning介面一樣,連接器不用分正反面都能直接插入,使用更加方便,整體的設計更加符合行動裝置的應用需求。

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▲USB 3.1 TYPE-C連接器是一個很大的突破,連接器不用分正反面都能直接插入,插反也沒關係,可以正常使用!(圖片來源:ELECOM)

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▲USB 3.1除了既有的TYPE-A和Micro-B連接器來提供相容性外,還新增USB 3.1Type-C連接器,線材兩端為同樣型式,連接器體積更小,而且不分正反面都可插入使用,設計更加符合智慧型手機和平板電腦等行動裝置(圖片來源:Intel)

USB 3.1增加USB Power Delivery電力供應

USB 3.1也帶來新的電力供應規範 – USB Power Delivery(USB PD),設計上相容現有的USB 2.0和USB 3.0線材和連接器,新的USB 3.1 Type-C連接器也適用。USB PD支援更高的電壓和電流,以滿足不同的應用裝置,同時也相容現有的USB Battery Charging 1.2充電規格。USB PD為埠對埠的架構,USB和電力溝通訊號分開,電力的供應是透過主機端和裝置端的VBus通訊協定來溝通,如果裝置支援,則可依組態(Profiles)的電壓和電流,提供更高的瓦數供應。USB PD依裝置不同分成5個組態(Profiles),皆需要使用新的可偵測線材,才能提供大於1.5A或5V的電力。組態1針對手機,為5V/2A(10W),基本的電力輸出,已比USB 3.0的5V/0.9A(4.5W)還多; 組態2為5V/2A或12V/1.5A(最大18W),可為平板和筆電充電;組態3為5V/2A或12V/3A(可提供較大的筆電最大36W的電力);組態4為最大為20V/3A(60W),但限制Micro-A/B連接器,組態5為最大為20V/5A(100W)的電力供應,但限TYPE-A/B連接器。PCDIY!認為USB 3.1供電的提升,以及支援充電的應用是非常重要的,這將會讓USB 3.1有望可以大一統手機、平板、電腦傳輸介面。

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▲USB 3.1規格裡面,USB PD依裝置不同分成5個組態(Profiles),最大可提供100瓦的電力(圖片來源:Intel)

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▲USB 3.1規格裡面,USB PD電力和USB訊號獨立傳送,USB PD為埠對埠的架構(圖片來源:Intel)

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▲USB 3.1規格裡面,USB PD主機端和裝置端以VBus通訊協定來溝通(圖片來源:Intel)

USB 3.1新增USB A/V影音傳輸

使用USB來傳輸畫面其實有很大的便利性,除了USB介面本身就相當廣泛外,還能省去一條電源線,直接以USB供電,例如ASUS MB168B+ 15.6吋可攜式顯示器,就是以一條USB 3.0來連接顯示,不過它最多只支援到Full HD等級。新的USB AV 3.1提供9.8Gbps頻寬,最高支援4096 x 2304 @ 30FPS的4K顯示畫面,4K顯示的規格已和HDMI 1.4一樣,同時USB AV也支援HDCP影像加密技術,搭配更大的電力供應,較大尺寸的顯示器可望也能藉由USB AV 3.1來顯示4K解析度。另外,現有的裝置和顯示器可透過USB AV轉接器,以USB線來傳送影音。USB AV若能加以普及,勢必能為生活帶來很多便利性,USB線也可能取代其它顯示介面,成為最實用的影音傳輸線材。

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▲USB AV 3.1具備9.8Gbps頻寬,最高支援4096 x 2304 @ 30FPS的4K顯示畫面(圖片來源:Intel)

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▲現有的裝置可透過USB AV轉接器,以USB線來傳送影音(圖片來源:Intel)

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▲USB AV也支援HDCP影像加密技術(圖片來源:Intel)

ASMedia第一家推出USB 3.1主機端、裝置端晶片

2014年6月初Computex Taipei 2014,PCDIY!調派了所有記者、技術編輯進行採訪,就已經發現,不少廠商展出USB 3.1相關的產品,msi和ASUS攤位中,各有展出USB 3.1的主機板,不過此為測試版本,主機板上沒有確切的型號,msi上宣稱是世界第一款USB 3.1主機板,另一邊廂,ASUS在玻璃櫥窗中靜態展示的大小兩張主機板則秀出大大USB 3.1 10Gb/s標誌。此外,USB 3.1晶片一樣需要主機板和應用裝置兩邊同時支援,USB IF協會(USB Implementers Forum)中的ASMedia,也就是我們台灣的祥碩,是第一家提供USB 3.1實測數據的廠商,USB 3.1模式下,它的讀取為792MB/s、寫入為805MB/s,效能具有一定的水準; USB 3.1晶片方面,ASMedia預計推出的主機端為ASM1142和ASM1141晶片,裝置端為ASM1352R、ASM1352、ASM1351晶片,就目前的情報來看,ASMedia的USB 3.1晶片目前還在測試、樣品階段,實際正式量產應該在今年底、明年初,只要等USB 3.1晶片就位,應該很快就能看到主機板率先採用才是。

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▲msi在2014年6月初Computex Taipei 2014,已經有展出USB 3.1的主機板,相信量產販售的產品應該很快就會出現(圖片來源:PCDIY!歷史資料庫)

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▲ASUS也在2014年6月初Computex Taipei 2014展出USB 3.1的主機板(圖片來源:PCDIY!歷史資料庫)

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▲ASMedia的USB 3.1效能有達讀取792MB/s、寫入805MB/s,效能具有一定的水準(圖片來源:PCDIY!歷史資料庫)

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▲ASMedia的USB 3.1晶片的主機端為ASM1142和ASM1141晶片,裝置端為ASM1352R、ASM1352、ASM1351晶片(圖片來源:PCDIY!歷史資料庫)

USB 3.1新登場,速度更快帶來全新應用!

USB 3.1是新一代手機平板電腦共通介面,除了速度可快,傳輸速率飆上10Gbps,附加供電更為強大,加上全新USB 3.1 Type-C連接器,無疑讓USB 3.1成為最強的外接介面,將大一統未來手機、平板、電腦傳輸介面,也將讓我們更方便來做數位資料的傳輸,以及提供影音應用,讓我們一起迎接USB 3.1的來臨吧,PCDIY!也將替玩家們密切注意未來的發展。

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