手機/筆電需求強勁 終端裝置介面速率步步高升

2019-05-29
為了因應5G和AI趨勢所產生的大資料量,需一路打通裝置端到基礎建設各個環節,以形成一條互通有無的最佳通道,而本文將以終端裝置看起,深入探討手機與筆電傳輸介面的發展樣貌及挑戰。
Asus

在消費性市場,USB傳輸介面可說是無所不在,大量滲透於手機、筆電、PC,甚至是各類型的智慧裝置(如智慧音箱)當中,加上2014年推出的USB-C標準,正式為影音、資料與電力傳輸帶來嶄新的統一局面,尤其在5G高傳輸速率、低延遲的要求,為傳輸介面規格帶來更上層樓的需求。在傳輸速率追求更快速傳輸的過程,對於終端裝置耗電也相對提升,使其PD發展的演進也將同步發生。

迎向10Gbps 高階手機邁入USB 3.1

從資料傳輸的角度來看,目前手機即便採用USB-C連接器,但實際傳輸的速率還大多停留在USB 2.0的階段,不過現已出現轉折,包含三星(Samsung)、Sony、Nokia、LG與華為的高階機種相繼晉級到USB 3.1,正式邁入10Gbps的里程碑。

然而走入10Gbps目前仍有許多訊號干擾的挑戰有待克服。岱煒科技研發中心技術長鍾軒禾(圖1)表示,業界在解決射頻干擾的同時,除了克服高頻與低頻傳輸干擾的之外,還有一部分干擾問題亟待解決,也就是高低頻「混波」狀況。當高頻傳輸形成射頻干擾,而低頻傳輸路徑剛好也不匹配時,就會導致串音(Crosstalk)現象,容易影響高低頻雜訊導致混波狀況發生。

圖1 岱煒科技研發中心技術長鍾軒禾解釋,混波干擾是USB與手機無線傳輸過程中,非常值得重視與探討的議題。

現今常見干擾頻段落於2.4GHz、GPS (1575.42MHz)、3G(1,800MHz、1,900MHz、2,100MHz)、4G(700~2,700MHz),在頻率這麼寬的頻段下,倘若形成混波,將會導致雜訊能量增加,使無線訊號出現蓋台、干擾現象。也基於此,混波議題會比解決純高頻問題更為重要。

鍾軒禾談到,高頻、低頻、電源、時脈傳輸正負、時脈傳輸差動訊號,還有音源傳輸差動訊號,就容易產生輻射問題;再者,只要電壓所到之處,其相對應的負極若沒處理好,仍會形成干擾問題,但上述這些干擾大多都能透過線路或是遮蔽(Shading)的方式將之耦合處理,此做法亦即正負耦合法(或稱差動耦合法)。

干擾/耗電接著來 5G手機設計挑戰大

當高速介面與5G手機相遇,干擾與耗電量的問題更是接踵而來。舉例來說,無論是5G無線傳輸基頻,或者USB介面的基頻設計,只要走入越高頻,就越容易互相干擾。事實上,現在Sub-6GHz就已有干擾問題,也因如此現今大多手機還停留在USB 2.0,而一些導入USB 3.1的機種,通常透過軟體自動降規,故使用上還須要經由類似APP的應用程式,方能啟動高速傳輸功能。

鍾軒禾分析,以傳統作法,倘若中間有干擾就用Shading材質蓋住,或用共模扼流圈(Common Mode Choke)解決,但雜訊同時也會影響正常傳輸的訊號。換言之,為了解決雜訊採用共模扼流圈將使原本可以傳1公尺的訊號,縮短到40~60公分左右,雖然能以增加多層板的方式克服訊號縮減問題,但每增加一層,無疑是墊高一個成本,故在不增加成本的狀況下,解決干擾可說是一項艱難的設計挑戰。

另一方面,立錡科技PS行銷處專案副理黃少軍(圖2)表示,5G手機在高速傳輸過程中,容易產生耗電問題,然而手機本身卻無法透過增加電池大小或仰賴電路設計(大多電路用來支援5G傳輸)方式降低功率,使得快充需求不斷提升,對5G手機而言,快充設計有直接加分的效果。

黃少軍談到,雖然手機USB有支援PD快充的協定,但實際使用上,手機商不見得會都採用USB PD協定,主要因為充電與裝置安全息息相關,當使用USB PD協定互通各類型裝置時,難以保證手機不會因為其他周邊裝置產生影響,故現階段大多數的廠商在快充部分,大多採取專屬性(Proprietary)協定。

圖2 立錡科技PS行銷處專案副理黃少軍表示,為了因應更高速傳輸,5G手機本身就存在耗電問題,而為了縮減電力不足的因素,手機快充需求也隨之而增。

黃少軍指出,USB PD協定是一個裝置間溝通的語言,作為溝通傳輸功率分配問題不大,但對於在溝通過程中,當裝置發生異常時,能否即時反應保護機制這項功能,尚有需待補強之處。無論是手機、周邊裝置或充電器彼此間都需具備即時反應保護機制,但這項機制在PD協定中,定義並未非常完整,細節上還有進一步改善空間。

據了解,接下來即將登場的Computex展會上,USB-IF將發布的USB 4規格,預期也將針對USB PD有進一步的強化,期能補足現階段USB PD的限制與缺口。

由於市面快充協定多樣化發展,因此設計考量也就複雜些,需要從整體平台架構與充電效率上做評估。黃少軍表示,以該公司的觀點,是基於整體平台架構設計做為考量,主要搭配聯發科的手機平台,使客戶進行產品設計時,無須考慮電源管理問題,可針對不同充電架構、充電效率,提供對應的解決方案。

影音傳輸刺激需求 英特爾CPU內建Thunderbolt 3

除了手機介面對於高速傳輸與電源快充需求外,筆電端在影音傳輸市場蓬勃發展下,對於更快速傳輸速率要求更甚以往,尤其在USB 4將採用Thunderbolt 3規格後,將加速各類型終端裝置,導入40Gbps速率發展,尤其是針對影音傳輸需求類型的產品。看準高速影音傳輸帶來的影響性,英特爾(Intel)於2019 CES大展宣布未來代號為Ice Lake的10奈米處理器將首度整合Thunderbolt 3。

英特爾電腦通訊事業群產品經理盧進忠(圖3)表示,在主控裝置(Host)已預計將Thunderbolt 3整合到SoC處理器當中,將可望擴充Thunderbolt 3市場的普及率。不過,影響層面較廣的還是在裝置端(Device),若周邊裝置未同步升級,即便再多的支援Thunderbolt 3接口也無濟於事。

圖3 英特爾電腦通訊事業群產品經理盧進忠指出,Thunderbolt技術將有助於高解析度影像顯示的傳輸更為順暢。

盧進忠談到,2018~2019年間該公司發現顯示器廠商規格正朝更高解析度發展,如採用高動態範圍成像(HDR)、4K、5K,甚至是8K技術,尤其在2020年東京奧運的帶動下,8K顯示螢幕的發展將更加值得期待,而要支援4K以上高解析度的傳輸介面,採用40Gbps或以上的傳輸規格,將有助於提升精進其傳輸效能。

整體來看,Thunderbolt 3已經被超過400款PC所採用,周邊裝置的數量也不斷以每年倍增的速度成長,每年有超過450個周邊裝置通過認證,包括底座、顯示器、儲存設備和外接顯示卡在內。

如同前一篇文章所述,Thunderbolt 3將會納入在USB 4的規格,並採用USB-C,對於Thunderbolt 3發展將更上層樓。另一方面,以USB來說,該協定一直以來持續朝更高速、雙向供電的特性前進,而Thunderbolt 3即兼具這兩項功能,同時傳輸速率又是USB 3.1 Gen 2的2倍提升,在這個時間點上,兩個標準得以融合可說是創造雙贏局面。

內部介面以PCIe 3.0為主 筆電傾向輕薄短小設計

此外,在筆電內部傳輸的PCIe設計上,盧進忠指出,現階段還是以PCIe 3.0為主流,短期內英特爾沒有升級PCIe 4.0的計畫。主要原因在於筆電設計朝越來越輕薄短小為主,而提升傳輸介面規格,強化其傳輸速率則會增加CPU本身的耗能。換言之,PCIe 4.0每增加一個Lane,就意味著提高CPU的功耗,考量現階段電腦對於PCIe 4.0需求狀況與成本的問題,目前在電腦設計重點會以系統平衡為考量。

盧進忠表示,筆電內部傳輸設計大多是從外部需求帶動。舉例來說,USB發展歷經十年,而從USB第一代走到USB 3.0花費不到五年時間,而從USB 3.0到USB 4也不過三年光景,意味著傳輸介面演進速度越來越快,當外部傳輸達某種極限時,就會帶動內部傳輸升級需求。否則即便內部傳輸使用更高規格的技術,但對外部傳輸助益不大也是徒勞一場。

實現VirtualLink標準 USB轉換器扮要角

除了USB 4和Thunderbolt 3之外,新興VirtualLink標準更是為了滿足更高速影音串流服務的VR應用量身打造而成。威鋒電子產品行銷副總許錦松(圖4)表示,VirtualLink是基於USB協定所開發出來的新標準,採用USB-C連接器作為傳輸接口,其設計不同於過往USB-C設計,DP(DisplayPort)與USB 3.0各占兩條高速通道(Lane),調整為四條Lane皆支援DP規格,同時將原本支援USB 2.0的Lane調整為USB 3.0,以獲得雙倍以上的傳輸速率,而實現VirtualLink背後的核心元件就是USB轉換器。

圖4 威鋒電子產品行銷副總許錦松說明,USB轉換器是實現VirtualLink規格重要的元素,得以藉此提供更高傳輸速率,滿足虛擬實境的體驗。

許錦松談到,USB 2.0時代,USB-IF制定一個TT的軟體,作為USB 1.1轉成USB 2.0橋梁,然而發展到USB 3.0卻已無這項功能,為了彌補這項缺憾,該公司開發了USB轉換器,內建U3TT技術,補足當USB 2.0線材受局限時,可轉為使用USB 3.0光纖傳輸,這項技術也不謀而合成為實現VirtualLink的必備元素。

通常在USB規格的轉換,大多使用集線器(Hub)切換。不過USB轉換器與集線器不同的地方在於,集線器內部架構是將USB 2.0與USB 3.0分別設計,因此本身協定有多少傳輸速率,就僅能傳多少速度無法作更換。相較之下,USB轉換器則是透過外掛的方式,在裝置內使用同一條通道直接轉換USB 2.0和USB 3.0數據,過程中不會產生降速問題,在設計方式與難度皆有所不同。許錦松強調,若要實現VirtualLink標準,USB轉換器是不可或缺的存在,放眼全球目前也只有威鋒能提供這樣的解決方案。

值得一提的是,許錦松透露,接下來USB 4似乎也想朝VirtualLink的設計方向發展。過去USB規格動態調變範圍有其限制,高速傳輸通道所能提供的速率是固定的,未來USB 4可能採用類似VirtualLink動態調整的方式,讓高速通道的調整能更有彈性,支援更高傳輸速率。

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