USB4/PCIe6/Thunderbolt4持续飙速 高速介面讯号完整性扎马步
业界盛传iPhone 15将正式导入Type-C介面，引爆USB的新一波成长动能。加上5G高速行动通讯、4K8K高画质影音与AI人工智慧的应用持续扩展，数位资料量呈现指数级成长，对于高速传输/互连的频宽需求不见缓和。新兴高速介面如USB 4.0、PCIe 6.0、DisplayPort、HDMI、Thunderbolt频宽持续扩大的同时，高速讯号传输也带来诸多挑战，包括讯号干扰与传输损耗，电路板设计布局、连接器与缆线设计要求更为严谨，必须改善系统化整合设计，强化高速讯号完整性，才能有效解决干扰、衰减、串扰等问题。
高速讯号对开发人员的挑战不容小觑，本次活动锁定USB 4.0、PCIe 6.0、Thunderbolt等热门介面技术进行深入探讨，分享实务开发对策与经验，期协助终端产品製造商缩短导入新介面技术的学习曲线，加快产品上市时程。
USB4整合传输介面与连接埠
USB进入4.0时代，规格演进已累积许多世代，也让消费者眼花撩乱，USB-IF于2022年8月发表全新的整合与简化识别系统，威锋电子产品行销处处长洪乃全表示，包括外包装使用的Packaging Logo、USB设备的Port Logo与USB Type-C Cable Logos(分为支援SPR的60W与支援EPR的240W)。未来标示将以传输速率与充电功率为主要识别，分为5、10、20、40、80Gbps；充电则以60与240W为主。USB 4.0自从问世以来，除了效能的提升之外，「整合」可以说是最主要的任务，洪乃全指出，USB透过Type-C连接埠支援不同的传输介面，包括USB充电、DisplayPort、Thunderbolt等，而过去USB与PCIe、DisplayPort的通道各不相同，USB 4.0之后也可以共用通道，从不同的讯号源到USB4 Host经过共同的USB 4通道(图1)，并可以动态分配频宽，再到USB装置端，最后解成上述各自的讯号。
(相关资料图)
图1 USB 4.0可以整合不同讯号在USB通道中(图片来源：威锋电子)
USB-IF于2022年10月发布最新USB4 Ver 2.0规格，提供USB 80Gbps(40Gbps x2)的超高传输速度，并以USB4 Gen4来表示。电气层採用PAM3(Pulse Amplitude Modulation 3-level)讯号编码，洪乃全说，过去PAM2讯号是两条，产生一个眼，PAM3进化成三条讯号，形成两个眼睛，也将整体传输速率提升到80Gbps。不过USB4 Ver 2.0规格的应用预计要到2025年以后才会普及。
在解决方案部分，威锋于2021年9月发表USB4终端装置控制晶片VL830。在Thunderbolt 4或USB4架构下，VL830可同时提供USB及DisplayPort传输的全效能运行，且相容USB Type-C架构的DP替代模式(DisplayPort Alternate Mode)装置，提供至高两倍的影像传输频宽，最多可同时支援单个8K 60Hz高动态范围(HDR)显示器和多个USB 3.2 Gen2装置。当VL830与DisplayPort多串流传输(MST)搭配时，可支援多个4K或高刷新率的显示器，并同时享有USB高速资料传输。
PCIe 6.0导入PAM4调变传输频宽再翻倍
随著新兴应用如人工智慧(AI)、云端运算、自驾车、边缘运算等需要大量资料也带动传输介面的频宽需求，PCI-SIG自从2003年推出PCIe 1.0版本，至今不断进化，2021发布了PCIe 6.0标准，传输速率从最早的2.5GT/s已经提升至64GT/s，规格维持大约每隔三年升级通道频宽倍增的节奏。在架构上，自PCIe 1.0到5.0，都是採用不归零(Non Return to Zero, NRZ)编码技术，到了PCIe 6.0则出现重大改变，正式导入四阶脉衝振幅调变技术(Pulse Amplitude Modulation 4, PAM4)(图2)，可以持续提升介面的传输速率，但也带来更严苛的技术挑战。
图2 PCIe 6.0採用PAM4调变(图片来源：Keysight)
PCIe 6.0架构进行大幅升级，PAM4讯号複杂度提升，产生杂讯的机率也升高，是德科技技术专案经理刘宗琪解释，PCIe 6.0传输通道造成的损耗预算Channel Loss Budget也从PCIe 5.0的36dB降为32dB，所以未来高速讯号的应用会越来越需要仰赖Redriver与Retimer，协助进行讯号的放大或重整，以维持讯号完整性。
相较于PCIe 5.0，新版本的PCI 6.0因为讯号複杂度提升，刘宗琪进一步说明，在量测时需要增加新的项目，主要就是讯号杂讯失真比(Signal-to-Noise and Distortion Ratio, SNDR)、48-Edge Jitter边缘抖动、电平分离失配比(Level Separation Mismatch Ratio)等，整体而言PAM4讯号要注意的讯号细节更多，以了解杂讯的成因并找到消除的方法。
下世代Thunderbolt传输速率上看120Gbps
Thunderbolt是Intel于2009年所研发高速I/O介面，主要目的是用来做为电脑与其他设备的传输线材。2020年推出的Thunderbolt 4，介面採用USB Type-C，虽然最高传输速度维持40Gbps，但支援PCIe的频宽则从Thunderbolt 3的16Gbps升级到Thunderbolt 4的32Gbps。
与Thunderbolt 3相较，Thunderbolt 4提供了许多改进和新功能。英特尔客户端连接事业部市场开发经理蓝昕暐提到，Thunderbolt 4传输速率与Thunderbolt 3一样维持在40Gbps，但是，最低PCIe资料率提升到32Gbps，代表储存装置和外接显示晶片等高速外部PCIe装置效能能获得显著提升。安全性部分，VT型DMA防护能透过重新对应来自外部装置的要求，并检查适当权限来协助防止安全威胁。新增从睡眠唤醒功能，让电脑能透过基座连接的周边装置退出休眠模式。
随著USB4 Ver2问世，传输速率提升到80Gbps，蓝昕暐直言，新版Thunderbolt将提供80Gbps的双向传输能力，维持相对于USB更为领先的规格，Thunderbolt 5是基于USB 4 Ver2及DisplayPort 2.1规格所设计，支援最新的DisplayPort 2.1，也有两倍的PCIe资料吞吐量，相容于既有的1米被动缆线，也相容于前一代的Thunderbolt、USB及DisplayPort，另对于密集影片的使用，最高频宽则可达到120Gbps。
USB 4 Ver2测试验证助攻讯号完整性
USB4 Ver2解决方案预计在2024年底到2025年陆续问世，目前相关厂商除了电路设计之外，还要透过不断在内部进行讯号测试与验证，以让自家的设计可以符合规格要求，最后在上市前需要送到认证实验室获得认证，取得产品上市前的「门票」。GRL台湾技术总监张静宜说明，USB4 Ver2讯号主要是从NRZ的PAM2讯号提升为PAM3讯号调变，所以讯号变成三个形成两个眼，与PCIe 6.0的测试一样，讯号杂讯失真比SNDR也是重要的观察项目。
张静宜强调，一般而言，测试认证失败最常出现的问题有几个，SNDR可能的原因是串扰(Crosstalk)与印刷电路板布线。抖动最主要是资料相依性时脉抖动(Data Dependent Jitter, DDJ) 与符码间干扰(ISI)，原因可能是PCB板衰减、阻抗，SMT元件选择和尺寸以及摆放位置。再者，IRL的原因可能是PCB走线阻抗变化，SMT元件选择和尺寸以及摆放位置同样也可能是原因。
不只晶片需要认证，在高速讯号的环境下，线缆同样需要认证，张静宜说，Linear Re-Driver(LRD)线缆内建Redriver(图3)，拥有低複杂性、低功耗、低成本的特性。LRD线主要元件包括Rx Equalizer与Output Driver，分别负责补偿线缆Cable Loss、调整DC Gain，以及调整输出Pre-emphasis与讯号的大小。LRD Cable因不具备CDR(Clock Data Recovery)，线缆输入端接收到的抖动以及杂讯会转嫁到线缆的输出端；同时Rx EQ也有可能会将高频杂讯放大；Paddle Card因加入主动元件，会有阻抗不连续的问题；以及较长的线缆，在生产过程中容易造成长度不匹配，P-N skew大，导致AC Common mode超过规范等，设计时也要更加注意。
图3 LRD线缆架构(图片来源：GRL)
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2021-09-18