在歷經多年推廣後，頻寬可達480Mbit/s的通用序列匯流排2.0版(USB 2.0)無疑已經成為市場上普及度最高的周邊連接介面。有些分析師認為，USB介面家族的全球出貨量可達每年二十六億埠，但事實上這也只是個估算數字，因為USB的運用範圍實在太廣，真正的出貨量根本難以考察。
然而，USB並非從一推出就立刻受到各方關愛。回顧1996年USB 1.0規格草創之際，由於其頻寬僅達12Mbit/s，對於資料通訊應用而言不甚理想，因此並非所有周邊製造商都願意採用。當時，市場上似乎存在一種共識，亦即高速裝置採用頻寬可達400Mbit/s的IEEE 1394介面(日本稱為i.Link、蘋果稱為Firewire)，其他周邊設備採用USB 1.0介面。甚至連USB的主要提倡者英特爾(Intel)也認同此觀點，因此USB 1.0才會出現低速(1.5Mbit/s)與全速(12Mbit/s)兩種版本。
然而，1394介面陣營卻自毀前程，宣布1394介面的晶片製造商與相容產品製造商必須支付權利金，才能使用這項技術。在無法達成協議下，USB陣營才另起爐灶追加一個更高速的介面版本，也因此才有USB 2.0的誕生。
USB 3.0不鳴則已一鳴驚人
由於高中低速規格齊備，USB介面幾乎可以滿足所有的周邊裝置應用。再加上良好的連接器設計及免權利金的優勢，其席捲市場的速度超乎眾人意料之外，接連擊敗規格定義相對嚴謹，效能與可靠度都更高的IEEE 1394介面與小型計算機系統介面(SCSI)，奠定其連接介面的霸主地位。
但不可諱言的是，自USB 2.0問世以來，其他的介面諸如PCI Express、序列式先進附加介面(SATA)、高畫質多媒體介面(HDMI)等都在進化，資料傳輸速度越來越快，甚至動輒超過5Gbit/s大關，唯獨USB規格始終不動如山，終究也顯露出老態，給其他後起之秀可乘之機。
事實上，在高畫質(HD)內容大行其道之際，頻寬僅480Mbit/s的USB 2.0介面已顯得捉襟見肘，因此USB介面的產業生態系統(Ecosystem)要求推出新版超高速USB規格的呼聲逐漸加溫。在業界期盼下，USB 3.0提倡小組(Prompter Group)終於在2007年9月成立。
在英特爾、惠普(HP)、微軟(Microsoft)、恩益禧(NEC)、恩智浦(NXP)、德州儀器(TI)等大廠主導，再加上一百八十多家公司的努力之下，該提倡小組於一年後提出USB 3.0的暫定版本(Version 0.9)，正式版本也隨即在2008年年底推出。
至於在產業生態系統的配合方面，英特爾已經公開控制器必要的0.9版xHCI(Extensible Host Controller)相關資訊(註)，儀器廠商也備妥協定分析儀，晶片開發的環境已接近完備。因此，預計在2009年上半年就可以見到USB 3.0收發器晶片出現。
USB 3.0將傳輸速率一舉提升到5Gbit/s，稱作超高速(Super Speed, SS)USB。以這個速度傳輸一首音樂檔案僅需0.01秒，容量達1GB的快閃隨身碟亦僅需3.3秒即可完整傳送；甚至長達兩個小時的高畫質的影片，也僅需70秒就可以傳送完畢(表1)。
| 表1 USB速度與傳輸時間的比較 |
| 版本 ＼ 資料類型與容量 |
音樂樂曲 |
快閃記憶體 |
標準SD畫質影片
(2小時) |
HD高畫質影片
(2小時) |
| 4MB |
256MB |
1GB |
6GB |
25GB |
| USB 1.1 |
5.3秒 |
5.7分鐘 |
22分鐘 |
2.2小時 |
9.3小時 |
| USB 2.0 |
0.1秒 |
8.5秒 |
33秒 |
3.3分鐘 |
13.9分鐘 |
| USB 30 |
0.01秒 |
0.8秒 |
3.3秒 |
20秒 |
70秒 |
資料來源：作者整理
向PCI Express取經 USB 3.0向下相容挑戰大
為了將頻寬從480Mbit/s一舉提升到5Gbit/s，USB 3.0勢必要在實體層(Physical Layer)進行大幅修改。環顧目前市場上的高速介面技術，PCI Express 2.0是最值得參考的範本，因此USB 3.0提倡小組選擇沿用其部分規範來加速標準的制定 速度。
過去，USB 2.0匯流排是雙向共用的，但USB 3.0改採SSTX±傳送對以及SSRX±接受對等四條訊號線(圖1)，使傳送與接收皆有其各自的單向傳輸通道，藉由這個方式來實現5Gbit/s的傳輸頻寬。但這樣的架構變革，意味著USB 3.0的實體層將無法與既存的USB 2.0、甚至USB 1.0相容。因此，為了達成向下相容的目標，USB 3.0實體層元件的電路設計必須額外設計一套可支援USB 2.0實體層功能的電路，才能使新的超高速裝置連接到現有的USB 2.0主機端時仍能正常運作，反之亦然。
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資料來源：IDF(2008)
圖1 USB 3.0匯流排 |
除了必須實作兩套實體層電路外，USB 3.0還有其他規格變動給實體層設計帶來新挑戰。首先，為了縮短可攜式裝置透過USB介面充電的時間，USB 3.0將供電的額定電流由原本的500毫安培提升至750毫安培，但在進入低功率模式時，則將電流調降至150毫安培。
因此，USB 3.0的電源管理元件必須更強大，也更有效率；至於在編碼部分，由於現有的輪詢(Polling)與共通時脈機制將對介面的速度提升造成阻礙，因此USB 3.0將改採8b/10b編碼方式，同時將時脈訊號直接嵌入到通訊訊號中。此外，USB 3.0還導入了展頻時脈技術來解決高速電路所造成的電磁干擾(EMI)問題，並加入訊號等化(Signal Equalization)功能，以確保訊號波形能在傳輸3公尺後仍維持一定的一致性。
從上述規範可知，USB 3.0沿用了不少PCI Express的實體層規範，但USB 3.0與PCI Express之間的實體層還是有差異的。主要的不同點在於，USB 3.0沒有用共通時脈的方式；USB 3.0在兩端皆須要展頻時脈；USB 3.0在接收端須進行訊號等化；訊號抖動的容許量(Jitter Budget)有差異；USB 3.0沒有邊頻(Sideband)訊號連接腳等。
USB 3.0連接器規格明朗 纜線型態未明確規範
由於USB 3.0在實體層部分作出不少變動，再加上必須維持向下相容性，因此在連接器部分也有許多新標準。從2007年就被提出來討論的USB 3.0 Standard-A/B與Micro-B連接器(圖2)，到2008年底已經明朗許多，此外，Micro-A、Micro-AB連接器也開始出現一些實驗性的產品。還展示有連接線的試作品。其中，針對手機等可攜式裝置所設計的Micro-B連接器，為了將高度限制在1.8公分以下，將USB 2.0與USB 3.0的端子橫排成一直線，算是最特殊的設計，此連接器是由日商Hirose電機所提案，該公司稱之為SideCar。
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資料來源：IDF(2008)
圖2 USB 3.0所使用的各種連接線 |
雖然在連接器部分，業界已經有了初步共識，但在訊號纜線方面，目前仍有許多不同意見。由於接腳數量增加，訊號的速度又提升了十倍，USB 3.0使用對絞線似乎是理所當然的事情，但若採用對絞線的話，USB 3.0的纜線直徑可能會和乙太網路線一樣粗，消費者似乎很難接受這麼粗的纜線，特別是在小型的可攜式裝置如MP3播放器或手機，如果要搭配這麼粗的纜線，實在是不相稱又不方便。因此，目前有人提出應研發更細的纜線。不過，在縮減纜線直徑後，USB 3.0的訊號傳送距離是否能夠達到標準所要求的3公尺，將是個問號。有些廠商的觀點認為，以個人電腦連接周邊設備的應用來看，纜線長度只要達到1公尺就已經非常實用了。事實上，USB 3.0正式版並未嚴格規定纜線的長度，只要訊號品質能符合規範，廠商的纜線長短不影響其規格認證。
專用路徑有助提升傳輸效率
過去USB 2.0的資料載送方式相當簡單，就依著命令-資料-交遞(Token-Data-Handshake)的順序逐次進行。以裝置對主機端傳送為例，主機端會對裝置送出命令，接收到命令的裝置，立即送出資料。但由於USB 2.0的雙向傳輸匯流排是共用的，因此若USB 2.0裝置對主機端進行傳輸(In傳輸)時，主機端若要對裝置下達新的資料需求命令，必須要先轉換彼此的收發狀態才能進行。但在USB 3.0的架構下，由於封包的收發各自有專屬的路徑，因此裝置不必改變其收發狀態，所以USB 3.0的轉返時間(Turn Around Time)會比較短(圖3)。
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資料來源：IDF(2008)
圖3 USB 3.0的IN傳輸(a)與Out傳輸(b) |
牽一髮動全身 USB 3.0整體架構隨連結層大改
由於USB 3.0實體層採用收發通道獨立的架構，因此實體層之上的連結層(Link Layer)也必須做出對應的修改。USB 3.0與PCI一樣，傳送與接收都有各自的傳輸通道，此時連結層要做的工作是一致的。大致上有連結的互通條件確立或連結調訓(Link Training)、封包格式(Packet Formatting)以及錯誤處理(Error Handling)機制。
此外，USB 3.0由於必須採用更嚴謹的電源管理機制，因此USB 3.0的連結層規畫了U0、U1、U2、U3四種模式，以關閉鎖相迴路(PLL)與讓晶片進入休眠狀態等機制來節省待機時的消耗電力。至於在協定層(Protocol Layer)方面，USB 3.0大致上沿用USB 2.0的傳送模式，可支援傳統的控制傳輸(Control Transfer)、大容量傳輸(Bulk Transfer)、中斷傳輸(Interrupt Transfer)、等時傳輸(Isochronous Transfer)四種傳輸模式。
當裝置端接收到主機端送來的OUT傳輸命令時必須，裝置端必須立即接收資料，並回應ACK交易封包。裝置對主機端的IN傳輸命令也必須即刻反應傳送資料。這將對傳送端與接收端帶來更大的緩衝區需求(Buffer)。
在等時傳輸方面，USB 3.0依然維持125微秒的微框(Microframe)概念，只是把SOF(Start of Frame)拿掉。時間印記(Timestamp)的資訊就放在資料封包的標頭裏。
USB 3.0角逐高速介面霸主
長達8年未曾有大幅演進的USB介面，雖然是各種周邊介面技術中的王者，但隨著新技術不斷出現，已經漸漸難以跟得上時代，淪為一頭沉睡的獅子。
現在，隨著USB 3.0的到來，這頭介面雄獅已經再度醒來，若USB 3.0真的在市場上取得成功，哪些現有的介面技術會淪為這頭猛獅的獵殺對象？是外接式序列先進附加介面(eSATA)？HDMI？2009年下半年到2010年這段期間高速介面市場的變化值得密切觀察。
註：USB 1.1的晶片控制器介面規範是UHCI/OpenHCI，USB 2.0為EHCI，USB 3.0為xHCI；以上皆是英特爾制定的規格。USB 1.0/1.1/2.0/3.0規格才是USB-IF所策畫與公開的。
| 參考資料暨延伸閱讀 |
1. http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/Keyword/20080129/ 292362/。
2. http://journal.mycom.co.jp/articles/2007/09/27/idf01/ menu.html。
3. http://www.maximumpc.com/article/features/everything_ you_need_know_about_usb_30_plus_first_spliced_cable_photos。
4. http://www.gizmodo.jp/2008/08/usb_30_2.html。
5. http://pc.watch.impress.co.jp/docs/2008/0823/ idf07.htm。
6. http://pc.watch.impress.co.jp/docs/2008/link/idf.htm。
7. http://www.en-genius.net/site/zones/testmeasurement-ZONE/product_reviews/tmp_090808。
8. http://www.frescologic.com/。
9. http://journal.mycom.co.jp/articles/2008/10/09/idf13/ menu.html。
10. http://www.intel.com/technology/usb/spec.htm。
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