USB3.0/USB3.1/ThunderBolt高速串行接口速度由什么決定？

上世紀(jì)七八十年代就出來了各種數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議，比如T1/E1載波系統(tǒng)(2.048Mbps)、X.25中繼系統(tǒng)、ISDN(綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng))等，那時(shí)的速度還比較慢的，到了九十年代，SDH(Synchronous Digital Hierarchy，同步數(shù)字體系)和SONET(Synchronous Optical Network同步光纖網(wǎng))標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)，其基本速度就是STM-1 155.520Mbps，STM-4為622.080Mbps，STM-16為2488.240Mbps，到更后來WDM(Wavelength Division Multiplexing, 波分復(fù)用)技術(shù)，再到最新的OTN(OpticalTransportNetwork，光傳送網(wǎng))，這里面最重要的個(gè)概念就是TDM(Time Division Multiplexing, 時(shí)分復(fù)用)。

時(shí)分多路復(fù)用(Time-Division Multiplexing，TDM)是一種數(shù)字的或者模擬(較罕見)的多路復(fù)用技術(shù)。使用這種技術(shù)，兩個(gè)以上的信號或數(shù)據(jù)流可以同時(shí)在一條通信線路上傳輸，其表現(xiàn)為同一通信信道的子信道。但在物理上來看，信號還是輪流占用物理通道的。時(shí)間域被分成周期循環(huán)的一些小段，每段時(shí)間長度是固定的，每個(gè)時(shí)段用來傳輸一個(gè)子信道。例如子信道1的采樣，可能是字節(jié)或者是數(shù)據(jù)塊，使用時(shí)間段1，子信道2使用時(shí)間段2，等等。一個(gè)TDM的幀包含了一個(gè)子信道的一個(gè)時(shí)間段，當(dāng)最后一個(gè)子信道傳輸完畢，這樣的過程將會再重復(fù)來傳輸新的幀，也就是下個(gè)信號片段。

數(shù)字傳輸就像打包裹，最基本單元是一個(gè)小包裹，四個(gè)小包裹打成一個(gè)中的，再四個(gè)中的打成一個(gè)大的，再四個(gè)大的打成一個(gè)更大，然后再特大的。比如SONET的傳輸速度就是STM-1/-4/-16等這樣疊加上去，以2的指數(shù)倍往上翻。其中TDM-16速度為2488.240MBps，就是我們通常說的2.5Gbps。

上面說了堆協(xié)議，那總要具體的物理實(shí)現(xiàn)，一般選用銅線或光纜進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。以光纜為例，數(shù)據(jù)先由電路中的并行數(shù)據(jù)變成串行傳送出去，然后再經(jīng)過光纖接口，變成光信號在光纖里傳輸，接收時(shí)先由光信號變成電信號，再由串行變成并行到內(nèi)部使用。其中由并行到串行/串行到并行經(jīng)過的就稱為SERDES PHY，高速SERDES的技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較高，得由模擬電路實(shí)現(xiàn)，在很多場合就是一塊單獨(dú)的SERDES PHY芯片，那就有專門的公司來做這個(gè)事情，比如在業(yè)界大名鼎鼎的TI德州儀器，其TI芯片就賣得很好。逐漸實(shí)現(xiàn)這樣的產(chǎn)業(yè)鏈：做數(shù)字電路的、模擬電路的、測試設(shè)備的、生產(chǎn)制造的(包括PCB和SERDES PHY、光口、光纖等)，已經(jīng)定了個(gè)基本速率后，再往上的更新?lián)Q代往往是X2地疊加，在數(shù)字電路上最好實(shí)現(xiàn)，在模擬電路上也有這樣的動力，整個(gè)技術(shù)就一直這樣往前走下去。

回到標(biāo)題高速串行接口由什么決定的來，PCI總線由Intel公司于91年提出，之后移交給第三方機(jī)構(gòu)PCI SIG。PCI SIG由多家業(yè)內(nèi)公司組成的聯(lián)盟，別的公司也可以申請加入成為會員，TI也是早期會員之一。就像聯(lián)合國一樣，Intel等公司像常任理事國一樣擁有更大的主導(dǎo)權(quán);USB于94年由帶頭大哥Intel聯(lián)合微軟、HP、NEC等電腦公司組成USB-IF組織，96年推出USB1.0標(biāo)準(zhǔn);(同期還有Apple推出的FireWare火線，也紅火了好多年)由此可見，Intel對PCI/PCIE和USB的建立和發(fā)展一直擁有極大的主導(dǎo)權(quán)。

2001年P(guān)CIE開始制定，決定以串行方式代替并行的PCI總線時(shí)，那時(shí)產(chǎn)業(yè)內(nèi)2.5G PHY已經(jīng)比較成熟了，PCI組織PCI-SIG決定直接借鑒此速度就很正常;等到PCIE2.0發(fā)布已經(jīng)是過2007年，就直接X2變成5G了; USB3.0于2008年發(fā)布，直接借鑒業(yè)界比較成熟的5G方案也就很正常了; 而PCIE3.0發(fā)布是2010年時(shí)(為什么PCIE3.0是8G而不是10G，這算是個(gè)折衷吧，速度越快對PCB走線設(shè)計(jì)和生產(chǎn)、線纜、測試儀器等要求越高，USB3.0采用64b/66b或128b/130b編碼方案，8G*64/66=7.88G，解碼后的速度幾乎就是2.0的二倍，2.0采用傳統(tǒng)的8b/10b編碼，解碼后速度5G*8/10=4G)。

等到USB3.1發(fā)布，也就是最近的事情(2014年)，覺得10G PHY也比較成熟了，那也直接采用10G吧，USB3.1采用128b/132b編碼，效率與PCIE3.0是等效的，它直接向PCIE借鑒了很多內(nèi)容。

而ThunderBolt，定位在更高速速度傳輸，其1.0速度最開始設(shè)計(jì)時(shí)就是一 路10G PHY(大約2011年)，而后2.0就成兩路10G PHY了，最近的3.0成兩路20G PHY，為什么不直接成40G PHY，工藝做不上去啊。

很早前，業(yè)界有個(gè)傳說，銅界質(zhì)PCB走線最高速度只能到16G，幾年前就已經(jīng)打破了，28G甚至32G以上跑銅界質(zhì)的高速PHY已經(jīng)有DEMO演示了，ThunderBolt2.0推出兩路10G PHY，自然也是業(yè)界有這樣能力去推出成熟產(chǎn)品。不出意外的是，ThunderBolt定位在高端，從最先推出1.0接口的MAC電腦(2011年)，到現(xiàn)在已經(jīng)四年過去了，相對來說還很不普及，只在高端電腦上才有配備，其外設(shè)產(chǎn)品，比如支持該接口的外接存儲和高清顯示器見到過報(bào)道，但市場上賣得真不太多，比起這幾年一下子普及開來的USB3.0還是相差不少。與此類似待遇的是DisplayPort接口，顯示器接口從最早的VGA到DVI，到同時(shí)支持聲音圖像傳輸?shù)腍DMI、DisplayPort接口，HDMI逐漸變得常見，尤其是電視接口上，而DisplayPort仍然不太多見。而ThunderBolt在外觀上與Mini DP接口兼容，在功能上可認(rèn)為是圖像傳輸接口DP和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議PCIE的合體。

這不，Intel一琢磨，那ThunderBolt3.0改成USB3.1 Type-C接口兼容吧，這樣支持ThunderBolt3.0的外設(shè)既可以連接對應(yīng)的ThunderBolt3.0 host，享受40G的高速，也可以接在USB3.1 Type-C上，盡管只能跑USB3.0 5G速率(注意，資料顯示所兼容的控制器是USB3.0，而不是最新的USB3.1; 也有人指出Intel推出的控制器是支持10G速度的。無論如何PHY通道是支持的，這主要取決于控制器部分)，其實(shí)這樣對于外設(shè)廠商也是一大利好，用戶也可以放心地買，不用擔(dān)心接口不支持。

最后做個(gè)總結(jié)：高速串行接口速度由什么決定?當(dāng)時(shí)協(xié)議公布時(shí)前代技術(shù)的積累與影響和已成熟技術(shù)，二者占重要因素。比如2.5G速率和STM-1 155M的關(guān)系，比如不同年代PHY技術(shù)的成熟度，再者還有業(yè)界領(lǐng)先公司在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的號召力及技術(shù)前瞻性，如Intel在多種協(xié)議上的主導(dǎo)力。