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        接口的終極 淺析快似“雷電”的新一代USB

        2020-07-29 08:59:26
        電腦愛好者 2020年11期
        關(guān)鍵詞:功能

        雷電接口的前世

        雷電(Thunderbolt,在蘋果設(shè)備上又稱為雷靂)接口最早誕生于2009年,是英特爾倡導的一種高速I/O接口,只是當年它長期處于實驗室狀態(tài),直到2011年才以Mini DisplayPort(下文簡稱為miniDP)接口的形態(tài)集成在蘋果旗下的Mac設(shè)備中。

        雷電的本質(zhì)

        沒錯,雷電在本質(zhì)上只是一種技術(shù)協(xié)議,它需要“寄生”在某個具體的接口標準上,而miniDP就是它的第一個“宿主”(圖1)。2015年,隨著USBType-C接口標準的出現(xiàn),它很快就被最新的雷電3技術(shù)盯上,至今網(wǎng)上也仍在流傳“雷電3一定是USB Type-C,但USB Type-C卻不一定支持雷電3”的科普內(nèi)容。

        和傳統(tǒng)的USB接口相比,雷電技術(shù)最大的特色就是更快。比如第一代雷電就擁有10Gbps的傳輸速率,而且最多可以串聯(lián)4部設(shè)備,和它相比同期的USB3.0(5Gbps)簡直“弱爆”了。2013年,USB-IF(USB推廣組織)發(fā)布USB3.1技術(shù)規(guī)范,好不容易才將理論傳輸速率提升到10Gbps,英特爾卻已攜手蘋果推出了雷電2,依舊是采用miniDP接口形態(tài),但傳輸速率卻實現(xiàn)了翻倍,20Gbps再度讓傳統(tǒng)的USB“羨慕嫉妒恨”。

        2015年誕生的雷電3,哪怕用今天的眼光來看也是一眾I/O接口中的“皇帝”,它擁有高達40Gbps的傳輸速率,而且這還是在全雙工狀態(tài)下的,如果是單向傳輸,其理論速度最高可達80Gbps,與2019年才剛剛定下標準的DisplayPort 2.0(DP 2.0)標準相當。此外,雷電3還兼容你所熟悉的各種多媒體傳輸協(xié)議,可以擴展出幾乎所有接口,甚至還能用于接駁外置顯卡,讓1kg重的輕薄本也能通過桌面版RTX 2080顯卡玩上最新的3A游戲大作(圖2)。

        雷電的融合

        雷電與USB之間的戰(zhàn)爭終于在2019年迎來曙光,當年3月初,英特爾將雷電技術(shù)協(xié)議開放給了USB推廣組織,USB—lF隨后便發(fā)布了USB4,它在底層就實現(xiàn)了雷電和USB協(xié)議的融合,增強基于USB Type-C接口的產(chǎn)品之間的兼容性(圖3)。

        可惜,直到今天就連USB3.2標準還沒普及,USB4更是成為了傳說中的存在。就在這個大背景下,英特爾第十一代酷睿Tiger Lake平臺將帶來全新的“雷電4”,而USB-IF的代表在CES 2020上也確認了雷電4其實就是英特爾“全功能USB4”的品牌名稱。在正式介紹這一全新接口之前,我們還需回顧一下當前最熱門的雷電3接口的生存現(xiàn)狀。

        火速鏈接

        如果你想了解USB接口的各種標準以及發(fā)展史,請參考本刊2019年第9期《混亂伊始 搶先認識未來的USB接口》這篇文章。

        雷電接口的今生

        我們都知道雷電3是眾多接口中的“皇帝”,無論是實用性還是用于宣傳上的噱頭都是一等一的存在。但是,縱觀移動和桌面領(lǐng)域,只有極少數(shù)高端筆記本和設(shè)計師主板才有所涉獵,絕大多數(shù)筆記本身上的USB Type-C別說支持雷電3了,就連傳輸速率還停留在USB3.1Gen1(5Gbps)的水平上(圖4)。

        那么,是什么原因?qū)е铝死纂?難以普及呢?

        雷電的荊棘之路

        在過去,一款筆記本要想支持雷電3,需要購買并安裝額外的雷電3控制器芯片,而且英特爾也需要收取不菲的授權(quán)費用。這些額外的開銷對本就昂貴的蘋果MacBook來說根本不算啥(圖5),但對講究“薄利多銷”的Windows筆記本而言就是難以承受之重了。

        此外,雷電3想要獲得40Gbps的滿速性能,需要占用4個滿速的PCI-E 3.0通道(即PCI-E 3.0×4)。問題來了,在第八代酷睿(移動版)以前,整套平臺的PCI-E 3.0通道只有16條,在搭配高性能獨顯和高速PCI-E 3.0×4 M.2 SSD硬盤之后,如果再加上雷電3可能就會引起“搶帶寬”的問題了。

        在現(xiàn)實中,很多支持雷電3的筆記本只為該接口準備了2個PCI-E 3.0通道(即PCI-E3.0×2),在業(yè)內(nèi)又稱為“半速雷電3”,其理論傳輸速率只有20Gbps,雖然功能不受影響,但在連接外置顯卡時的性能耗損卻較為明顯。因此,在無數(shù)發(fā)燒玩家眼中,只有滿速的雷電3才是真正的雷電3。

        到了2019年,這些問題“貌似”得到有效的解決。

        想當然的原生機制

        正如前文所述,2019年英特爾開放了雷電3的授權(quán),相關(guān)的授權(quán)費用被變相減免了。此外,傳說第十代酷睿處理器平臺全部“原生支持”雷電3,以Ice Lake為代表的平臺還將PCI-E 3.0通道數(shù)增加到了32條,從種種跡象來看,如果新品不配雷電3都沒有天理了!

        我們都知道,第十代酷睿包含10nm Ice Lake(輕薄本)和14nm Comet Lake(輕薄本和游戲本)兩大平臺。從底層架構(gòu)來說,Ice Lake將雷電3控制器整合進了CPU內(nèi)核中,而且原生就支持4個雷電3(圖6),其PCI-E 3.0通道數(shù)量高達32條。雖然這些通道中有16條(4×4)是僅供雷電3專屬使用,但卻再也不會占用CPU提供的PCI-E總線數(shù)量或者與PCH一起搶奪原本就已擁擠不堪的總線資源。

        來自英特爾官網(wǎng)的價格和參數(shù)信息

        但是,你以為Ice Lake“原生支持”雷電3,搭載這一平臺處理器的筆記本就一定能標配雷電3接口嗎?

        答案自然是你想多了,現(xiàn)階段雷電3接口需要支持USB PD協(xié)議充電,這就需要額外的PD電源管理芯片。此外,像Ice Lake的這種設(shè)計也意味著雷電3接口與(集成控制器的)CPU之間距離較遠,存在一定的信號衰減問題。為此,Ice Lake平臺筆記本想要支持滿血的雷電3,還需要搭配名為JHL8040R Retimer的信號增強器(圖7),雖然一顆Retimer芯片就能直連2個滿速(40Gbps)的雷電3接口,但它畢竟也是需要2.4美元的(圖8),而且背后還存在為PCB主板的優(yōu)化布局等研發(fā)費用。

        再來看看Comet Lake平臺,它在底層架構(gòu)上和英特爾早期平臺沒有什么差異,雷電3功能依舊被掛在了PCH(傳統(tǒng)意義上的北橋)芯片組中(圖9)。換句話說,搭載CometLake平臺的筆記本,想支持雷電3還是需要搭配額外的雷電3控制器芯片,并不是傳說中的“原生支持”,不僅成本更高,還存在與其他設(shè)備搶PCI-E 3.0通道和擠占DMI3.0總線資源的問題。

        如果說Ice Lake平臺的雷電3功能是以“CPU(集成雷電主控)→Retimer→接口”路徑實現(xiàn),那Comet Lake平臺就是“CPU→DMI→PCH→雷電主控→接口”,步驟更多,成本、性能和功耗損失也就更大。

        現(xiàn)在,大家知道為什么那怕是Ice Lake平臺的第十代酷睿筆記本,能配備雷電3接口的產(chǎn)品也少之又少了吧?

        雷電接口的未來

        有消息稱第十一代酷睿Tiger Lake平臺的發(fā)布時間會被英特爾從8、9月份提前到6月份,而該平臺還會采用優(yōu)化的10nm+工藝、全新的CPU和GPU微架構(gòu)而備受期待。那么,Tiger Lake所支持的雷電4又有了哪些改變(圖10)?

        變與不變的雷電4

        從已有的消息來看,USB4存在20Gbps傳輸速率的“半速版”,用來取代現(xiàn)有的USB3.2Gen2×2標準(圖11)。而雷電4,則可視為“全功能USB4',不僅需要擁有40Gbps的滿速,還需同時兼容USB PD充電和原雷電3的全部功能。沒錯,你可以用滿速四通道的雷電3的“馬甲”來看待雷電4。

        需要注意的是,我們現(xiàn)在也不能排除英特爾會對雷電4進行升級優(yōu)化。Tiger Lake平臺支持PCI-E 4.0,理論上只需一半的PCI-E通道數(shù)量就能獲得和雷電3等同的帶寬。此外,雷電3的40Gbps用于數(shù)據(jù)傳輸和視頻傳輸?shù)膸挿謩e約為22Gbps和18Gbps,如果雷電4能增加智能帶寬分配的功能就更完美了,比如視頻傳輸?shù)膸捲陂e置時動態(tài)分給數(shù)據(jù)傳輸,外接顯卡時無疑可以進一步減少性能耗損。

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        如果你想了解全功能USB Type-C和雷電3能擴展出哪些外設(shè),請參考本刊2020年第10期《接口底蘊很重要筆記本擴展塢別亂買》這篇文章。

        普及還待成熟生態(tài)

        隨著第十代酷睿平臺的普及,特別是以Ice Lake平臺(以及未來的Tiger Lake)為主的輕薄本,增加雷電3(以及未來的雷電4)功能的成本其實已經(jīng)不算太高了,完全可以成為4000元~5000元價位的主流產(chǎn)品的標配。真正阻礙雷電功能普及的因素,其實還是缺少殺手級的應(yīng)用環(huán)境。

        比如,現(xiàn)在全功能USB Type-C(支持USB PD充電和PD視頻輸出)就足夠滿足絕大多數(shù)用戶的使用需求了,為何還要再多花錢配雷電37很多玩家特別在意的外置顯卡擴展塢雖然算是雷電3的專屬賣點,但相關(guān)擴展塢的價格非常昂貴,它與筆記本之間也存在各種兼容性問題,在體驗上并不完美。

        對筆記本廠商來說,雷電3成本較高,在應(yīng)用范圍不大時沒必要強行列裝;對軟件和外設(shè)廠商來說,雷電3的普及度不高,沒必要為它開發(fā)更多的產(chǎn)品和功能。最終,就是我們面臨的現(xiàn)狀:雷電3太貴,而且沒啥用。那么,Tiger Lake平臺和最新的雷電4技術(shù)能否終結(jié)這種死循環(huán)呢?讓我們拭目以待吧。

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