移动设备高速汇流排随着处理器高频、高速化发展
- DIGITIMES企划
从2003年PCIe 1.0,随后PCIe 2.0、PCIe 3.0(8GT/s),到预计2016年面市的PCIe 4.0(16GT/s),PCIe也衍生出对外连接的USB 3.0、Thunderbolt 1/2、USB 3.1外接周边界面的争战;同时无线传输技术正由近/中/线上离全面提升,从Wi-Fi/WiGig/UltraGig无线区域网络,到手机、IoT装置惯用的2.4GHz BLE,以及低于1GHz的ZigBee、Z-Wave等低功耗无线网络,为串连各种移动联网装置与IoT传感装置的桥梁。
PC从90年代PCI(传输速率100MB/s),后续出现针对服务器的64bit PCI、PCI-X等扩展规格,传输带宽也加大到266~1GB/s。英特尔也曾在PC推出绘图加速埠(Accelerated Graphics Port;AGP)规格,是2005年之前显示卡的主流界面规格,也是平行化汇流排技术的极限。
2003年代PC汇流排导入PCI Express序列化技术,跨越到Gbps的传输等级。多个位元串流信号透过不同相位、旋转矢量角度的调变方式,可以在既有频率下以(2/4/8/16/...)的方式倍增,这也正是串行化技术可以从汇流排、Serial ATA (SATA)磁碟界面,进而对外以USB 3.X、Thunderbolt等界面样貌,让电脑继续High的动力。
PCIe 3.0已成主流
2010年11月的PCIe 3.0已成PC汇流排主流规格。其具备单线道(x1 lane) 8GT/s的传输速率,较优异的128b/130b编码,PCIe 3.0 x1传输速率达985MB/s;若采用到16线道(x16 lanes)模式下,可传输近16GB/s的数据带宽,可做为服务器网络背板、磁碟阵列与旗舰级绘图卡影像材质高速传输之用。
2011年厂商推出PCIe 3.0的主控芯片与切换开关、中继芯片(Repeater/ReDriver)。Intel自从第三代Core i3/5/7处理器(Sandy-Bridge)开始提供PCIe 3.0汇流排(x16或x8/x8设计)的驱动能力;XEON系列处理器还提供到最多40 lanes(x16/x16/x8)。Intel于2015年Q3正式发表100系列芯片组,其中Z170/H170/B150进化到提供DMI 3.0(等同于PCIe 3.0 x4)的双向8GB/s传输带宽,最高端的Z170将提供20线道PCIe 3.0,H170与B150则分别提供16、10、8线道PCIe3.0,以供应外接周边如SSD、GbE网络芯片甚至绘图芯片(GPU)做x16、x8、x4的带宽切换。
率先支持PCIe 3.0的是高端显示卡,从2011年AMD推出Radeon HD 7870到今年(2016)即将推出的Radeon 400(Polaris 10/11 GPU)家族,2012年NVIDIA推出的GeForce GTX680/670到今年推出GeForce GTX 1070/1080显示卡,均支持到PCIe 3.0 x16(16GB/s)的传输带宽。储存方面则有Marvell首款支持PCIe 3.0x4的88SS1093 SSD控制芯片,HGST于2014年推出PCIe 3.0(x8)设计的FlashMAXIII PCIe SSD卡。
PCI SIG于2011年11月宣布PCIe 4.0规格,虽然速率可达16GT/s,但受限于7~14英寸的布线长度、需搭配高速ReDriver等限制,初期仅会在高端服务器导入,预估2017年才会明朗化。
USB-C将一统USB与Thunderbolt连接头
2008年11月USB-IF协会推出USB 3.0,传输速率达5Gbps(500MB/s, 8b/10b编码),较USB 2.0速率提升了10倍,又具备较高的充电电压。随着AMD与Intel芯片组加入原生USB 3.0规格支持,很快的成为2011年后PC周边界面的主流。
2011年Intel推出Thunderbolt汇流排:结合DisplayPort(DP) + PCI Express + GP I/O三合一传输特色,使用miniDP Port的连接头,可接铜线或光纤连接方式,串接最多6个Thunderbolt周边,并提供10Gbps的双向传输速率。在2013年Q1的Thunderbolt 2.0规格,传输速度提升到双向20Gbps,支持4K输出并向下兼容Thunderbolt 1.0。受限于芯片成本,配置Thunderbolt系统以Apple的桌电/笔记本电脑为最大宗,PC部份则仅有少数强调高端规格的笔记本电脑、AIO一体成型电脑支持。
2013年USB-IF协会发表SuperSpeedPlus USB(USB 3.1),传输速率倍增为10Gbps(USB 3.1 Gen2),并维持跟既有SuperSpeedUSB(USB 3.1 Gen1)兼容,特别是追加A/V独立带宽与DisplayPort(DP)等特点为诉求。USB 3.1使用USB 3.0相同的线材,连接头部份特别增加了可正、反面热插拔一万次的Type-C连接头(又简称为USB-C),要发挥USB 3.1 Gen2的速度,连接线长度限缩在1米以内。
USB 3.1以低成本与既有USB 2.0/3.0周边兼容性的优势,任何手机、平板、笔记本电脑只要使用USB-C连接头,就能藉由一条Type-C连接线,搞定所有数据传输、音讯、视讯、电源以及连接输出入装置的应用。苹果于2015年1月抢先推出的New MacBook,就是这种仅单一USB-C连接埠的轻薄笔记本电脑。随后Google推出机身左右侧各一组USB Type-C埠的ChromeBook Pixel。而NOKIA N1也推出提供一组USB Type-C连接埠(USB 2.0)的7.9寸平板电脑。
大陆乐视集团(LETV Group)推出全球第一只采USB-C连接头的智能手机乐(Le)系列,2016年4月发表乐2/乐2 PRO/乐MAX 2,进而取消耳机输出孔,改以USB Type-C的数码音讯输出。宏达电的HTC 10、LG的G5旗舰手机,以及小米(MI)手机5也使用USB-C。
2015年6月Intel推动Thunderbolt 3.0,提供双向40Gbps的传输带宽(约5GB/s),供电量可达100W。支持HDMI 2.0(4K@60Hz)与DisplayPort1.3(5K@60Hz)规格,具备连接双4K UHD或单一5K显示器的能力。最大改变在于Thunderbolt 3.0使用了跟USB 3.1 Type-C连接埠/连接头大小脚位兼容的设计,外观差别只是多了个闪电符号。当Thunderbolt连接埠接上USB 3.0或USB 3.1 Gen1装置时,传输速率为5Gbps,接上USB 3.1 Gen2装置时,传输速率变成10Gbps,若接上Thunderbolt 3.0装置时,传输速率可提升至40Gbps。
Razer于CES 2016揭露其12.5寸轻薄笔记本电脑Razer Blade Stealth,提供4K UHD或2560x1440 QHD的IZGO面板。最大特色是搭配AMD Xconnect——采Thunderbolt 3.0(USB-C)连接埠,以PCIe 3.0x4的双向4GB/s带宽,连接到Razer Core内装顶级绘图卡的外接显示盒,提昇笔记本电脑的顶级绘图/游戏效能到电竞等级。
HP亦全面导入USB-C连接头,于今年4月推出的Spectre系列笔记本电脑中,三个USB Type-C连接埠设计,其中一组是USB 3.1 Gen2(10Gbps),另两组是Thunderbolt 3.0规格,支持到(40Gbps)。
移动设备的高速无线技术趋势
1999年IEEE所制定的5GHz、2.4GHz ISM频段的802.11a、802.11b,速率提高至54、11Mbps;2004年定案的802.11g,连线速率提升到54Mbps,且维持跟既有802.11b兼容,让Wi-Fi成为PC/NB,甚至是PDA、PMP、数码镜头到智能手机、平板电脑的主流规格,带动了家庭/企业无线路由器(Wi-Fi Router)产品的发展。
2009年802.11n推出,采用2.4/5GHz ISM频段与最新4x4 MIMO(多重天线收发)技术,单至四数据串流速率达150~600Mbps;2014年定案的802.11ac,以5GHz频段、带宽倍增(wave 1 80MHz, Wave2 160MHz)与QAM256调变、波束成型技术,传输速率达到1.3Gbps(3x3数据串流, Wave 1)至7Gbps(8x8数据串流, Wave 2);当802.11ac网卡/装置无法以802.11ac最高速连接时,会切回5GHz/802.11n模式,甚至降到2.4GHz/802.11n的连线模式。
2006年WirelessHD联盟,以IEEE 802.15.3c规格为基础的60Ghz频谱、纯A/V影音传输,传输速率10~28 Gbps,唯一的芯片厂商SiBEAM于2011年由晶鐌(SiliconImage)所并购。曾针对手机、平板推出UltraGig6400 SIP芯片,也有部份电竞笔记本电脑、投影机、头盔显示器采用。由于未能像WiGig取得跟Wi-Fi规格整合,使得WiHD/UltraGig进展受限,也导致晶鐌于2015年3月被莱迪思半导体(Lattice)所并购。
2009年英特尔、博通、高通、WiLocity等厂商成立WiGig联盟,以60GHz频段的WiGig无线传输技术,单数据串流速度可达7Gbps。由以色列Wilocity供应芯片(随后被高通并购),WiGig积极与Wi-Fi联盟的2.4GHz 802.11n、5GHz 802.11ac整合成三频(2.4/5/60GHz)多模应用方案,IEEE也正式将WiGig定案为IEEE 802.11ad。
博通(Broadcom)于COMPUTEX 2015推出AC3200的规格的三频(Tri-Band)的Wi-Fi路由器架构,也就是支持2.4/5GHz双频x3(3spartial) 40MHz、80MHz操作带宽,与一组5GHz x3(3spartial)、80/160MHz操作带宽,第三季进一步发表BCM4366网通芯片,提供2.4/5GHz双频x4(4Spartial, 40/80MHz)与5GHz x4(4spartial, 80/160MHz)规格,当Tri-Band路由器搭配博通的无线网卡/装置时,可以启动1024QAM载波调变技术提升25%速率,最大网络总带宽达到5400Mbps;但若是遇到不支持1024QAM调变的它厂Wi-Fi装置时,总服务带宽会下降到4066Mbps。
Netgear Nighthawk x8 R8500、友讯(D-Link) DIR-895、华硕(ASUS) RT-5300等无线路由器都是这类旗舰型AC5400产品。均具备可供4个不同速率装置上网的4x4 MU-MIMO能力,让各种不同速率的移动设备联网时都能全速发挥,同时也能无延迟的传送FullHD甚至4K UHD(3840x2160)等级的实时影音串流画面。
至于802.11ad部份,TP-LINK于CES2016首度展出提供2.4GHz、5GHz与60GHz三频段的Talon AD7200无线路由器,802.11ad部份提供4.6GBps带宽(总带宽达7.2Gbps)。而英特尔预计2016年6月推出Tri-Band Wireless-AC18260网卡,提供了2x2 2.4GHz、5GHz以及四频段60GHz 802.11ad连接能力。最大连线速率为300Mbps(802.11n)、867Mbps(802.11ac)与7Gbps(802.11ad)的无线影音传输能力,可搭配无线扩充底座作为周边扩充与传输影音的应用。
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