在2020年第17期的《電腦數(shù)據(jù)最重要的通道總線技術(shù)“古”今談》一文中，我們已經(jīng)涉及到了當(dāng)前的一些外部接口總線，例如USB（Universal Serial BUS）的名字就是“通用串行總線”，一統(tǒng)外設(shè)接口的雄心顯露無遺，而與不斷發(fā)展的PCIe總線關(guān)系更緊密的雷電接口同樣逐漸成熟，潛力無限。再加上新一代顯示系統(tǒng)亟待解決的更大帶寬問題、外部數(shù)據(jù)與內(nèi)部數(shù)據(jù)不斷拉大的速度差等等，都使得外部接口和總線一樣，即將迎來重大而快速的變革。

在這樣的情況下我們應(yīng)該如何理解、利用這些變革，盡量讓自己和手頭的設(shè)備跟上時(shí)代而不是被時(shí)代淘汰，避免走錯(cuò)方向，浪費(fèi)時(shí)間、金錢和精力呢？這就需要對(duì)市場(chǎng)、技術(shù)以及未來的發(fā)展有一個(gè)比較清晰的認(rèn)識(shí)了。

USB4呼之欲出 USB版本亂象終結(jié)

在最近兩年，每次涉及到USB接口的標(biāo)準(zhǔn)，我們都不得不非常麻煩地反復(fù)說明，例如俗稱的USB 3.0就是USB 3.2 Gen1，也曾經(jīng)叫USB3.1 Gen1，而標(biāo)注則有USB3.0（圖1）、USB 3.1、USB 3.2（圖2）、SS（圖3）、SS 5、5Gbps等多種可能性……這還只是一個(gè)接口，再加上后來俗稱的USB 3.1、USB3.2以及更早的USB 2.0，其接口版本名稱、標(biāo)識(shí)、接口類型、需要的線纜（圖4）等都非?；靵y。

①

②

③

⑥

在混亂的USB 3.0/3.1/3.2時(shí)代之后，大家都期待性能更強(qiáng)大，但從名稱到接口都更為簡(jiǎn)潔的USB4登場(chǎng)后徹底結(jié)束這一混亂的情況。不過在標(biāo)準(zhǔn)公布很長(zhǎng)時(shí)間后，仍沒有面向消費(fèi)市場(chǎng)的產(chǎn)品出現(xiàn)，直到近期，作為USB標(biāo)準(zhǔn)的主要推動(dòng)者，英特爾的USB4控制器才終于露出了端倪，讓我們可以一睹USB4的風(fēng)采。

作為核心平臺(tái)廠商，這次英特爾帶來的并不是位于芯片組或處理器的內(nèi)置USB控制器，而是和雷電控制器一樣的獨(dú)立芯片，從目前的信息來看，恐怕在下一代酷睿平臺(tái)中也不會(huì)內(nèi)置USB4控制功能。不過這些獨(dú)立芯片也讓其他平臺(tái)（主要就是AMD平臺(tái)）搭載USB4的前景更加明朗了。要知道USB4的技術(shù)來源之一——雷電3，就因?yàn)檫^于依賴英特爾的獨(dú)家技術(shù)，所有相關(guān)產(chǎn)品都需要英特爾技術(shù)人員參與調(diào)校，因而無法在日益受到歡迎的AMD主板上找到，甚至連最適合雷電3發(fā)揮的高端、專業(yè)向X570主板上都鮮有露面，所以很多人不得不購買雷電3擴(kuò)展卡（圖5）使用。而作為更加開放的標(biāo)準(zhǔn)，USB4就不會(huì)在AMD平臺(tái)上缺席了。當(dāng)然，AMD將這一標(biāo)準(zhǔn)集成進(jìn)芯片組和處理器也不會(huì)很快，預(yù)計(jì)近期大家還是只能使用USB4擴(kuò)展卡或搭載獨(dú)立芯片的主板來體驗(yàn)USB4。

火速鏈接

關(guān)于目前的USB版本、速度等信息，可以參考本期的《USB接口速度排行》一文。

從目前的信息看，USB4將徹底放棄Type-A接口，僅有Type-C一種構(gòu)型，也只有這樣才能支持DP 3.0充電協(xié)議;其理論文件傳輸速率有20Gbps和40Gbps兩個(gè)檔次，且完全兼容雷電3。從這些信息中，大家是否會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問題？沒錯(cuò)，USB4的兩個(gè)速度檔次與USB 3.2（USB 3.2 Gen2×2）標(biāo)準(zhǔn)和雷電3的標(biāo)準(zhǔn)（圖6）完全一致，且完全兼容雷電3，這幾乎可以直接說明USB4實(shí)際上是兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的混合產(chǎn)物。

雷電4定型 新的發(fā)展新的機(jī)會(huì)

近期英特爾還發(fā)布了雷電4控制器8000系列，包括面向計(jì)算機(jī)制造商的JHL8540、JHL8340主機(jī)控制器和面向配件制造商的JHL8440設(shè)備控制器，支持4個(gè)雷電4接口（圖7）。雷電4也會(huì)集成在最新的英特爾移動(dòng)處理器平臺(tái)（Tiger Lake）上。

不過雷電4沒有任何可以支持其開源的協(xié)會(huì)組織，而是完全由英特爾自主控制。它仍然保持了40Gbps的帶寬，但是規(guī)格全面增強(qiáng)，支持雙4K輸出及4D雷電4擴(kuò)展塢。當(dāng)然40Gbps的帶寬其實(shí)已經(jīng)很高，這相當(dāng)于4通道PCIe 3.0總線，理論上可以讓目前的PCIe 3.0×4固態(tài)硬盤跑到滿速。

雷電4接口的連接能力、兼容性、可靠性及安全性有了明顯的提升。它仍然使用USB Type-C物理接口，可以兼容最新的USB4，直接提供了PCIe通道外聯(lián)，當(dāng)然也仍然支持DisplayPort視頻標(biāo)準(zhǔn)，而且據(jù)稱可以完全兼容前代雷電和USB產(chǎn)品。

相比雷電3，雷電4的傳輸能力其實(shí)還是有了明顯的提升，比如它可在2米線纜上實(shí)現(xiàn)40Gbps的全速傳輸能力，未來傳輸長(zhǎng)度還有望達(dá)到5米甚至50米（圖8）。它還可支持多達(dá)4個(gè)雷電4端口的塢站，支持電腦喚醒，支持基于英特爾VT-d的直接內(nèi)存訪問（DMA）保護(hù)，支持本機(jī)為至少一個(gè)其他電腦充電（受電方為充電功率小于100W的輕薄本）等等（圖9）。

那么為何雷電4的傳輸能力有了提升，卻并沒有體現(xiàn)在速度上呢？其實(shí)這從雷電4的最高性能規(guī)范就可以看出來了。在使用PCIe通道模式時(shí)，雷電4已經(jīng)達(dá)到了PCIe 3.0×4（PCI32Gbps）的水平，這對(duì)于目前的英特爾平臺(tái)已經(jīng)是極限，畢竟顯卡、M.2接口等都需要PCIe通道，再分出4個(gè)通道給外部接口已經(jīng)很勉強(qiáng)，確實(shí)也難以提供更高的速度了。

⑨

USB4與雷電4 江山易主不容易

從速度、兼容性等方面來看，雷電4似乎與USB4非常相似，而且從市場(chǎng)規(guī)劃來看，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在新一代通用數(shù)字接口中，雷電4將更早地成為主流平臺(tái)的標(biāo)配。難道它將替代USB，成為新一代的通用接口嗎？恐怕并沒有那么簡(jiǎn)單。

⒀

⒁

這里我們必須說明的是，對(duì)舊標(biāo)準(zhǔn)的兼容性仍然是雷電系列接口的明顯短板，它對(duì)USB標(biāo)準(zhǔn)的兼容性很可能僅限于USB4（因?yàn)檫@一協(xié)議包含了雷電3技術(shù)），目前最常見的USB 3.x/2.0標(biāo)準(zhǔn)則均不在兼容之列。在這種情況下，USB4的作用就有些不同了，能夠全面兼顧舊產(chǎn)品是它的最大優(yōu)勢(shì)。不管是剛剛開始在一些高端外設(shè)中使用的USB 3.2 Gen2×2設(shè)備（圖10），還是已經(jīng)被很多高端、專業(yè)用戶接受的雷電3設(shè)備，或是更早的USB 3.0甚至USB 2.0設(shè)備，應(yīng)該都可以直接用在USB4接口上，最多只需要加一個(gè)USB Type-A轉(zhuǎn)Type-C接口的轉(zhuǎn)接/轉(zhuǎn)接線而已。

另外，從現(xiàn)在的實(shí)際需求看，雷電3/4接口與PCIe通道相連的設(shè)計(jì)有些過于超前了，這雖然帶來了直接支持外置顯卡等優(yōu)勢(shì)，但也明顯限制了它的發(fā)展。估計(jì)目前的設(shè)備只能提供1個(gè)～2個(gè)雷電4接口，而獨(dú)立芯片提供的4個(gè)雷電4接口應(yīng)該只能存在于PCIe×16擴(kuò)展卡上，對(duì)只有20個(gè)～40個(gè)PCIe通道的消費(fèi)級(jí)電腦來說，不僅無力提供更多的支持能力，甚至在提供這樣的4個(gè)雷電4接口（相當(dāng)于4個(gè)PCIe×4通道）時(shí)也必須犧牲一部分內(nèi)部的接口，例如顯卡插槽減速、M.2或SATA接口失效等。如果需要更多的雷電4接口，就只能選擇半專業(yè)級(jí)的酷睿X（圖11）、線程撕裂者等PCIe通道超多的平臺(tái)了。

相對(duì)來說，USB4接口的數(shù)量更自由一些，如今的中高端平臺(tái)普遍能提供4個(gè)～8個(gè)USB 3.2，這應(yīng)該也是未來USB4的配置水平。

此外在對(duì)比中我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)雷電3/4接口與USB4標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備的最小供電需求不同，這一點(diǎn)看似并不起眼，但很可能決定了兩個(gè)接口的發(fā)展方向。比如鍵鼠、閃存盤、攝像頭、無線網(wǎng)卡等低功耗設(shè)備仍將以USB接口為主，主要強(qiáng)調(diào)更多的同時(shí)連接數(shù)量;而雷電4應(yīng)該會(huì)主要以大容量外置硬盤（圖12）、外置顯卡、顯示器等高功耗外設(shè)為連接對(duì)象，而且更強(qiáng)調(diào)對(duì)外設(shè)的通用性。比如用戶的另一臺(tái)輕薄本需要充電、臨時(shí)連接到顯示器上等需求都可以使用雷電4接口，這樣在功能上“一個(gè)頂十個(gè)”但數(shù)量并不多的接口，在很多電腦，特別是筆記本電腦上還是非常需要的。

從這些信息看，在選擇外設(shè)時(shí)，我們應(yīng)該可以放心地選擇價(jià)格雖然有一定松動(dòng)，但仍然相對(duì)比較昂貴的USB 3.2 Gen2×2與雷電3設(shè)備，它們未來的兼容性還是有一定保障的。而在選擇未來的平臺(tái)時(shí)，已經(jīng)擁有前述高端、高速設(shè)備的用戶則應(yīng)該特別關(guān)注USB4接口，它很可能會(huì)快速取代分立的兩種接口，成為最適合這些外部設(shè)備的接口。而面向未來應(yīng)用的用戶則可將重點(diǎn)放在雷電4接口的支持能力上，因?yàn)樗鼉?nèi)置多種標(biāo)準(zhǔn)、支持多種外設(shè)的能力很可能是未來“通用接口”的發(fā)展方向。

其實(shí)在主機(jī)平臺(tái)上，我們還發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)具有高速數(shù)據(jù)傳輸能力的接口，即Xbox Series X采用的Storage Expansion接口，它的速度估計(jì)在PCIe×2～PCIe×4之間，基于直連處理器的PCIe通道（圖13），可以插入一塊1TB的高速SSD（圖14），從設(shè)計(jì)到能力都非常像雷電3/4?？紤]到這款主機(jī)使用的AMD平臺(tái)很可能仍然無法搭載雷電4接口，那么Storage Expansion的意義就很大了，它是否會(huì)發(fā)展為AMD平臺(tái)上的“雷電”接口呢？也許在之后的一兩代平臺(tái)上就會(huì)看到答案了。

4K高刷新 視頻接口的選擇

⒂

火速鏈接

關(guān)于這兩種新版本視頻接口，本文更多的是其應(yīng)用能力、購買選擇方面的討論，它們的具體發(fā)展、對(duì)比，以及和雷電接口的關(guān)系等，可參考本刊2020年第17期《視頻輸出的秘密淺析最新的雷電、HDMI和DP接口》一文。

如果說USB4和雷電4主要解決的是外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸速度與電腦內(nèi)部計(jì)算、存儲(chǔ)速度不匹配的問題，那么新的視頻接口就是專門解決顯卡處理能力和輸出能力的不匹配。

從目前的趨勢(shì)來看，中高端游戲?yàn)?K優(yōu)化已成為一種潮流，連《帝國時(shí)代2：決定版》這樣炒冷飯的游戲都可以憑借4K畫面（圖15）帶來的沖擊力再次大賣，可見其優(yōu)勢(shì)。但在顯卡日益強(qiáng)大、4K畫面處理已經(jīng)不是夢(mèng)的今天，4K與高刷新率卻不可兼得，這對(duì)于已經(jīng)被高刷新率的超穩(wěn)定畫面寵壞了眼睛的高端玩家有些難以接受。

當(dāng)然4K高刷新率的實(shí)現(xiàn)，主要基于顯卡的強(qiáng)大計(jì)算能力和4K高刷新率顯示器的支持，但在兩者早已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)目前的瓶頸出現(xiàn)在接口上?，F(xiàn)在消費(fèi)市場(chǎng)上的最強(qiáng)視頻傳輸標(biāo)準(zhǔn)——HDMI 2.0和DisplayPort（以下簡(jiǎn)稱DP）1.4，都是為2K游戲和4K視頻設(shè)計(jì)的，并不適合即將到來的4K游戲/8K視頻時(shí)代。

至于解決方案，當(dāng)然就是早已正式公布的HDMI 2.1和DP 2.0兩個(gè)新視頻接口標(biāo)準(zhǔn)。其中HDMI 2.1因?yàn)榈玫搅诵乱淮螒蛑鳈C(jī)PS5（圖16）和Xbox Series X的支持，應(yīng)該會(huì)更早地來到我們面前。

HDMI 2.1相對(duì)于HDMI 2.0的帶寬升級(jí)非常驚人，甚至超過了從HDMl 1.x到HDMI 2.0的變化。同時(shí)它在很多重要功能上也有大幅改進(jìn)，比如現(xiàn)在越來越常見的HDR圖像，因?yàn)槎嗔肆炼葦?shù)據(jù)，所以在HDMI 2.0標(biāo)準(zhǔn)里要擠占帶寬，在HDMI 2.1里就干脆給它加了一條單獨(dú)的通道，可以更好地傳輸動(dòng)態(tài)HDR數(shù)據(jù)等等（圖17）。另外其音頻通道也提升了帶寬，可以直接傳輸無損5.1聲道和7.1聲道音頻，無論是玩游戲還是欣賞大片，都能獲得更好的聽覺享受。

在純粹的游戲能力方面，HDMI 2.1的VRR刷新同步功能（圖18）目前已經(jīng)被RTX 20顯卡兼容，不會(huì)再出現(xiàn)HDMI 2.0刷新雖快，卻不能開啟畫面同步，只能接受碎裂畫面的尷尬。此外，HDMI 2.1的自動(dòng)低延遲模式ALLM等新技術(shù)也能提升游戲畫面的刷新和響應(yīng)速度。

⒄

⒇

相關(guān)的需求同樣也被電視和顯示器廠商注意到，目前各大廠商已經(jīng)發(fā)布了不少支持HDMI 2.1的電視和顯示器（圖19），預(yù)計(jì)在新一代游戲主機(jī)正式開賣前后，就能很容易地從市場(chǎng)上買到這些匹配的電視和顯示器了。

不過作為HDMI家族的一員，HDMI 2.1仍然是偏向于家電標(biāo)準(zhǔn)，在電腦上使用存在一些限制，例如支持的高刷新率是120Hz、HDMI接口相對(duì)龐大，以及很可能是普及的最大限制——價(jià)格高昂的線纜。

相對(duì)來說，雖然DP 2.0接口肯定會(huì)來得更晚一些，但它對(duì)電腦需求、設(shè)計(jì)的適應(yīng)性遠(yuǎn)高于HDMI 2.1。比如DP 2.0兼容Type-C接口，這一接口形態(tài)很可能是未來筆記本甚至臺(tái)式機(jī)和顯示器的主流外部接口，可以更好地支持144Hz等顯示器規(guī)格的能力就更不在話下了。至于線纜的價(jià)格，目前來看，DP 2.0兼容線纜必然也會(huì)更貴一些，但因?yàn)镈P標(biāo)準(zhǔn)、USB Type-C接口設(shè)計(jì)的前瞻性（圖20），估計(jì)其價(jià)格還是會(huì)比HDMI 2.1線纜便宜一些。

那么，在下一代游戲和顯卡、顯示器眼看就要出場(chǎng)的情況下，我們到底應(yīng)該偏向于哪一種標(biāo)準(zhǔn)呢？筆者的建議是：已經(jīng)確定會(huì)入手新一代游戲主機(jī)的話，應(yīng)該優(yōu)先更換HDMI 2.1電視機(jī);而電腦玩家則必須考慮未來一段時(shí)間的升級(jí)需求，所以在不增加成本的情況下可以考慮選擇支持HDMI 2.1的顯示器，因?yàn)檫@一標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該也會(huì)更早出現(xiàn)在顯卡中;但有機(jī)會(huì)得到DP 2.0的支持能力的話，那么寧可略微加點(diǎn)錢也要選擇DP 2.0顯示器，如果是同時(shí)支持HDMI 2.1和DP 2.0就更好了。在未來升級(jí)顯卡后，DP 2.0顯示器能展現(xiàn)出更適合電腦平臺(tái)的高分辨率、高刷新率游戲畫面。

小知識(shí)

也許有些讀者覺得奇怪，4K高刷新率顯示器早已出現(xiàn)，在沒有HDMI2.1和DP 2.0的時(shí)代，它們是如何工作的呢？我們以Predator X27為例，即使使用它要求的DP 1.4接口，因?yàn)閹挼南拗?，在啟?K高刷新率時(shí)實(shí)際上也是靠犧牲色彩的方式來節(jié)約帶寬運(yùn)行的，也就是用4：2：2的色度抽樣顯示游戲畫面（圖21），色彩表現(xiàn)無法達(dá)到面板的最佳狀態(tài)。