USB 3.1规格垫高相关设计验证门槛

USB 3.1透过新界面与传输线缆，可取代现有DisplayPort数码视讯传输应用，让USB界面也可跨界传输高分辨率多媒体影音信息。Intel

检视现有已发表数年的USB 3.0界面标准，相关应用已扩散桌上型电脑、笔记本电脑、USBU盘、移动硬盘等周边设备，USB 3.0的强化版本已在2013年由USB 3.0 Promoter Group释出规格，同时改用USB 3.1界面标准标示新一代强化版界面规格，而USB3.1界面规格的升级，也让主控芯片、连接器、线缆、集线器周边设计验证门槛垫高。

全新USB界面架构 可望取代多种高速线缆应用

以USB 3.1的设计架构，传输效能为USB 3.0的一倍、可达到每秒10Gbit传输效能，以往高速数据传输以高分辨率电视视讯、音讯传送会选用HDMI或是DisplayPort界面进行传输，在USB 3.1传输效能大幅升级，可望成为取代HDMI或是DisplayPort热门的高速传输界面，然而目前主控芯片仍需持续优化，高分辨率视讯传输相关应用预估2016年才会相继推出市面。

而USB 3.1极致的10Gbit/s传输效能也不是一步到位，在规格中即定义几个阶段性的规格升级，如运作于5Gbit/s的USB 3.1界面方案属于Gen1标准，而运行于10Gbit/s的全速版本USB 3.1界面则属于Gen2版本，至于规格另外注记的GenX版USB 3.1界面方案，则是标榜可以在10Gbit/s下运行、同时还可回溯支持5Gbit/s的界面规格，也就是同时兼容于Gen2与Gen1的USB 3.1界面标准。而目前2015年推出的Apple MacBook所搭载的USB 3.1 Type-C界面，就是使用Type-C连接器、速度仅有5Gbit/s传输效能的USB 3.1 Gen1版本。

因应不同速率分级 USB 3.1新界面标示略有差异

在产品标示方面，USB 3.1也会将这些速度差异以不同标示方式区隔，也就是说在以10Gbit/s速度进行数据传输的界面，会SuperSpeedPlus标示，至于Enhanced SuperSpeed标示，则是意指该界面可以支持USB 3.1 Gen1或更高速传输效能的界面。另在界面更实体的检视内容来看，新界面导入不外乎在提升效能、提高电能传递两大目的，导入新界面除须考量在现有系统接续开发资源，对应到USB 3.1界面支持就必须检视系统实体层(Physical Layer)、链接层(Link Layer)、协定层(Protocol Layer)等内容细节，相关修改也必须符合USB 3.1新界面的要求规范。

新界面较大的变化其实是在Physical Layer，界面升级最大的技术门槛在于新界面需要支持10Gbit/s高效传输，同时界面仍需兼顾压低运行耗电目的，在实际主控芯片的开发程序上，就必须以更进阶的IC制程优化界面效能与降低运行功耗，不光只是USB 3.1界面架构优化而已，而是从主控芯片的整体设计、技术基础上整个翻新才能达到新界面的要求。在规范中的Gen1界面版本会采行8b/10b编码，对应更进阶的10Gbit/s会采行128b/132b编码，进阶版本使用的编码位元数更多、拥有更好的传输效能、更低的编码损耗表现，自然而然可以达到更高的性能提升。

传输编码损耗降低 增进线缆实际数据传送效能

此外，旧有的USB 3.0界面主控内部采行8b/10b编码信号处理，在实际传输数据时虽然看起来是10bit，实际的传输信号则为8bit造成至少有20%的通讯编码损耗，即便以5Gbit/s进行传输，实际上的界面传输极速也只能飙到4Gbit/s或更低。至于 USB 3.1界面采行128b/132b编码处理信号，以132bit传输过程实际传送的数据为128bit，换算下来通讯的编码损耗仅3%，如果以10Gbit/s传输极限进行数据传送，则实际极速可以达到9.69Gbit/s，两种界面的速度差距最高可差距2.4倍，并不能从USB 3.0极速5Gbit/s与USB 3.1界面极速10Gbit/s简单评估两者只差距一倍效能。

然而，在USB 3.1界面高塑化方向下，也代表着主控芯片设计难度门槛垫高，因为在USB 3.1的高效传输物理特性下也带来信号更易衰减、干扰与反射等现象，在USB 3.1的Gen1版本上，5Gbit/s版本自Host芯片端至Device芯片端，USB协会的认证要求为在12寸PCB上搭配3m的传输缆线进行功能验证，但换成USB 3.1进阶的10Gbit/s版本认证要求，PCB走线长度已缩小至8寸、缆线长度为1m，此举除是面对物理现实下的规格要求限缩外，让主控芯片的开发不至于因为验证过于严苛而增加开发成本。

抗噪设计难度大增 10Gbit/s验证条件放宽

实际使用环境中，以1m的传输缆线验证通过，在实用上肯定会有许多使用长度限制，使用弹性也会因为传输缆线限制而限缩，例如，桌上型电脑主机与屏幕或是周边很容易就超过1m长度，若使用17寸以上的大型笔记本电脑，设备连接也很容易超过1m长度，此外，大型笔记本电脑大多会在主机左/右两侧都设置USB界面，在做USB实体界面PCB的线路布局就会有困难，因为Host主控芯片不管放在哪一侧都对另一边的界面造成影响，影响其设计弹性。

为解决实作设计上的困扰，USB 3.1规格中也追加了USB Re-timing Repeater规范方案，选用Re-timing Repeater芯片来放大与还原USB的高速信号，同时也能运用Re-timing Repeater芯片改善PCB走线长度不能太长的设计限制，甚至开发整合Re-timing Repeater芯片的USB 3.1传输缆线Active Cable(主动式传输缆线)，能使USB缆线长度增至3m以上，甚至能达到10m的长度。

优化节能与管理效能 USB 3.1集线器设计更为复杂

另USB 3.1在Hub集线器设计也在架构上与往例不同，对SuperSpeedPlus界面支持的Hub来说会变得更为复杂，集线器设计难度会较以往高许多，以SuperSpeed的集线器的架构来看，其中的Hub的Repeater/Forwarder为处理界面向上/向下传输行为，也必须对两向的数据封包进行缓冲处理，SuperSpeed Hub控制器处理主控端与Hub之间的沟通联系。而SuperSpeedPlus的Upstream 控制器为处理上行传输埠行为、缓冲接收来自向上传输的数据封包，SuperSpeedPlus Downstream控制器负责下行传输数据处理，缓冲向下传输埠的数据封包。

有趣的是，SuperSpeedPlus Hub提供了Store and Forward机制，这种模式可以针对数据封包进行先储存、再传送方式传输，这可以让主控芯片的传输工作进行更有效率的排程，提升Hub集线器的带宽使用率，同时优化集线器与传输过程的电源管理。另外，SuperSpeedPlus Hub的仲裁机制也是新的重点，如交易封包在权重上会优于数据封包、同步传输数据的封包传送优先权重也会优于非同步数据封包，而传输过程还会以加权之后的非同步封包进行后续传输处理，透过这些新架构与数据传输控制机制，集线器也能在USB 3.1规格升级同时变得更智能、有效率，甚至达到更为节能的设计目标。

电能输出最高达100W 实体设计难度更高

至于在这波USB规格升级中，USB Power Delivery规范也是备受周边厂商关注的重点，透过主控芯片与USB 3.1设备间的通信机制、透过阶段式提升界面输出供应外接设备的电压/电流，进而突破原有USB界面输出电能过小问题。USB 3.0原有USB埠的电力输出，可以达到4.5W水准，而在USB Battery Charging 1.2(USB BC 1.2)规范中，以5V/1.5A可以达到7.5W电力输出，但USB 3.1界面透过不同的模式设计，甚至可以将USB界面的输出电能一举提升至100W。USB界面的电能输出若能有效提升至100W，这代表着以往电脑外设周边所必需的AC/DC变压器可以被USB界面本身的电能输出取代，甚至简化连接方式。

若乐观角度检视USB界面取代各种电脑设备变压器的趋势，若以USB 2.1可以支持到MP3、蓝牙耳机、智能移动电话的充电设备；USB 3.0界面可输出达4.5W即可支持高端智能手机、移动电源充电使用；USB BC 1.2界面支持高达7.5W输出已可提供数码镜头、平板电脑高速充电应用需求，至于USB 3.1的若以64W输出就能应付笔记本电脑需求；100W输出的USB界面电力供应，已具备驱动如大尺寸LCD屏幕设备的电力需求，而便利应用的同时，也会带来较原有USB 2.0/3.0界面验证更为繁琐、难度更高的问题发生，尚待相关控制芯片业者优化产品设计。