USB 3.0、eSATA高速傳輸介面應用發展趨勢
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前言：隨著娛樂影音素材持續朝HD(High Definition)趨勢發展，周邊的影音光碟、播放設備、儲存裝置所需面臨的第一道難題，就是最根本的資料傳輸需求。在因應全面HD化的發展趨勢下，目前已經相當成熟且使用廣泛的USB介面就顯得有點力有未逮，反而從內接轉外接用途的eSATA、USB 3.0進階傳輸介面，有了更大、更多的導入契機...
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PC產業一向深受娛樂產業所影響，不只是影音娛樂商品，連同遊戲、電玩...等，除不斷考驗電腦平台持續挑戰效能極限，站在應用端第一線的傳輸介面，亦是首當其衝必須面對各式新應用持續改革的關鍵點。因應娛樂應用全面High Definition發展趨勢，最顯而易見的改變就是影音檔案暴增至少四倍，以前一部電影影音光碟需使用4~8GB儲存容量(單張DVD或單面雙層DVD)記錄內容，目前針對HD應用的熱門藍光光碟BD產品，單套影音內容就會耗用20~40GB容量，而單位時間傳輸的資料量也因為畫面記錄的訊息暴增而大幅增加。
在個人應用端方面，影音內容透過數位相機、攝錄影機的擷取、記錄、編輯程序，若所有處理品質均維持在HD(1080p)，產生影音記錄的檔案成長速度，也會因應HD化大幅加速，屆時傳輸效能就成為影響使用體驗的關鍵門檻，這也是為什麼IT、3C產業越來越重視高效傳輸介面技術發展的關鍵。
而在面對高解析、高畫質應用當道，不論是針對數位資料、影像或是其他應用目的設置的傳輸介面，諸如USB、HDMI、DispalyPort、SATA、eSATA(external SATA)或是PCI Express...等介面，都需面對產業需求推出新的規格版本，本文將以目前討論最熱門的USB介面與相關競爭介面技術進行討論。
USB 2.0無法應付高速傳輸需求 USB 3.0新介面延續補位
以USB技術為例，以往在導入USB介面的時間點，可取代USB技術的連接介面相對較多、技術也相對較成熟，在成本更是比導入USB介面低許多，當時也是花了數年才將USB介面技術，透過不斷進階改版至2.0版，發展出480Mb/sec的介面傳輸效能表現。
而直至今日，在USB 2.0介面僅有480Mb/sec的表現下，介面技術以呈現應用於HD操作的傳輸效能瓶頸，於是USB 3.0在2009年才正式釋出完整規範，技術可達5Gb/sec理論傳輸效能極限，對應各式HD應用類型已綽綽有餘，而升級後的USB 3.0，也將直接衝擊同質性相當高的eSATA介面。
USB 3.0的導入契機則延續原有USB的使用基礎，在可回溯相容的前提下，提供架構性的傳輸效能巨幅升級，對於舊有設備用戶不需額外擴充連接設備，即可沿用已投資採購的各類USB裝置，而對於需要高速傳輸奧援的外接式硬碟或是影音裝置，則可透過規格更高的USB 3.0介面進行資料傳輸。
eSATA 持續搶占USB2.0市場
eSATA介面規格為以SATA為基礎的延續性介面規格，基本上SATA為內接高速裝置的介面技術，多用於硬碟、光碟機、甚至是藍光光碟機...等內接式裝置，而eSATA的推出背景，則是著眼於越來越多的大量資料轉移、複製需求，雖然相同的應用模式，也可透過介面普遍性更高的USB 2.0或是IEEE1394介面取代應用途徑，但現實的問題是目前USB 2.0傳輸效能極限為480Mb/sec，IEEE1394的效能也仍差強人意，反觀硬碟機內部的資料傳輸效能已經可以達到將近80MB/sec的水準，此時再回頭檢視USB 2.0和IEEE1394的介面規格，就會發現光是介面的傳輸極限，就已經成為硬碟裝置或是藍光光碟機的外部傳輸資料效能瓶頸。
把時間拉到2004年，當時SATA-IO因應硬碟或光碟機高速裝置外接化的需求，制定了eSATA的高速傳輸介面標準，實現外接介面也能與針對內接目的設計的SATA介面能具備相同的傳輸效能，達到SATA 3Gb/sec的傳輸極致表現(SATA 3Gb/sec可達300MB/sec：SATA 1.5Gb/sec可達150MB/sec)，對比先前提及硬碟內部傳輸已經可以達到接近80MB/sec的傳輸效能，即便初階的SATA、eSATA也都有150MB/sec傳輸效能餘裕，可以輕鬆應付應用需求。
eSATA規格釋出，也不是單純僅有介面外接化這麼單純，其實在eSATA介面規範中，也針對外接應用提供更完善的應用機制，例如，eSATA可支援熱插拔 (Hot Plug)、連接埠擴充(Port Multipliers)...等延伸SATA外接化需求的功能。
eSATA搭配USB的Combo Connector
觀察eSATA的介面規格優勢會發現，eSATA介面的應用在桌上型、筆記型電腦中已經成為一股導入趨勢，但eSATA的介面插孔設置勢必會對於現有的USB或是IEEE1394產生排擠效應，因為在筆記型電腦設計介面設計空間寸土寸金、桌上型電腦也朝小型化或是AIO的整合趨勢發展，增設eSATA就必須減少其他介面插孔設計。
eSATA搭配USB的Combo Connector就是在此前提下產生的產物， eSATA搭配USB的Combo Connector同時具備 eSATA與USB介面，主力的高效傳輸介面仍以eSATA為主，輔助性質的中/高速傳輸應用則透過介面的USB 2.0搭配使用，屬於較為折衷的解決方案。由於目前高階筆電或是玩家型桌上型電腦、AIO電腦，大多都以搭載eSATA，不管是不是採折衷的eSATA搭配USB的Combo Connector設置整合介面，或是直接就導入eSATA介面，都已經對USB介面在高速應用上產生排擠效應，加上eSATA為延續SATA外接化的介面技術，基本上相關功能控制晶片的研發技術已趨向成熟、完整，建構應用架構的成本問題較小，在導入應用的難度也較低許多，已經成為高效傳輸介面常見的選項之一。
USB 3.0積極搶進高效傳輸介面應用市場
雖然eSATA在架構應用的成本、成熟度都相對較高，但實際上eSATA仍有其功能應用的限制與應用瓶頸，雖然問題不是出在傳輸效能方面，但實際上eSATA畢竟是內接介面的延續規格，而內接周邊向來沒有電源線路的應用考量(因為在機殼內需要電源可隨即接取)，但若在外接的應用模式下，電源傳輸的考量就相對重要許多。因為eSATA美中不足的地方正是連接介面本身無法供應電源，因此設備本身需要搭配外接電源應用，反而造成外接化實務應用的連接限制。
而由內接轉外接應用的eSATA也有另一個問題，由於內接應用傳輸介面與主板的連接器距離相當近，所以高效傳輸的線材的干擾問題考量較少，線材也相對較短，但外接化後線材的長度可能相對較長，當設備、傳輸線材沒有機殼的電磁波屏障下，就可能讓傳輸線材增加許多雜訊干擾的風險。
然而，USB 3.0在介面規範之初，就以延續USB的電源、傳輸一線搞定的概念下進行規格發展，在釋出的3.0介面規範中，自然在線材長度、供電設計(2.0為500mA：3.0為900mA)，加上USB 3.0的預設傳輸效能即為2.0版的10倍以上，對接受度才逐漸在實際產品持續發酵的eSATA介面而言，已經形成即大的競爭勢力。
在效能表現方面，USB 3.0的5Gb/sec理想傳輸效能，對比SATA第三代的6Gb/sec傳輸效能雖仍有一段小差距，在傳輸效能的表現仍有點略遜於SATA介面，但對外接裝置(硬碟、光碟機)而言，USB 3.0與SATA的規格差異不大，反而是USB 3.0有更多技術條件的餘裕，造成未來介面全面競爭的選擇關鍵。
例如，USB 3.0延續2.0的連接架構，也具備可串接127組裝置的優勢，此部分規格相比SATA僅能連接15組設備的限制而言，應用彈性相對大許多，而纜線設計方面，在官方資料顯示USB 3.0至少能有3~5公尺纜線距離，而eSATA在規範中最常僅2公尺，兩者相比USB 3.0雖在傳輸效能產生些微差距，但在外接裝置的應用實用性表現，規格面的細節差異卻仍遠遠勝出eSATA。
在業界導入USB搭配eSATA的Combo Connector的狀況下，其實可預見的USB 3.0搭配eSATA的Combo Connector設計，其實還是有期整合機會，尤其在一些主力生產外接裝置的業者，為了提升產品的便利性與相容性，原有USB搭配eSATA的Combo Connector將USB升級至3.0版本也不無可能，往後仍是會在終端產品市場看到這類設計產品。
USB3.0產品的相容與穩定性仍是擴展應用考驗
USB 3.0在發展直至公開介面規範過程，其實也歷經USB早期推廣碰到的困難，由於USB 3.0一舉將原有的傳輸效能提升十倍，其設介面、硬體與軔體的搭配開發難度，也提升數倍之多，尤其是在晶片端、介面接頭、連接器、纜線、作業系統...等各個環節，都極容易因些微差異而產生無法連接或應用不穩定的窘境，這些使用體驗即可能致使介面導入與推廣的問題。
為了確保介面、周邊從設計到成品的相容特性，USB 3.0的測試方案與認證規範，就成為相當重要的環節。在USB Developer Conference中宣布了USB 3.0的產品測試、認證方案，只要通過USB 3.0認證規範，才能取得 SuperSpeed USB的Logo，始可將此Logo用於產品包裝標示、行銷。目前業者在開發USB 3.0裝置時，需將測試實品送交專責測試事宜的USB-IF PIL (USB Platform Interpretability Lab)實驗室進行相關測試與認證程序，取得正是認證才算是達到產品上市的相容品質最低標準。
USB 3.0推廣前途仍有瓶頸需克服
目前USB 3.0的理想傳輸效能，號稱足以達到USB 2.0的十倍以上表現，雖說如此，在實踐設計至產品、周邊的廣泛導入應用目標，可能還會比預期時程來得更久、更複雜。因為目前在相關晶片的發展上，若要達到量產與整合應用的目的，完善的認證驗證是躲不掉的程序，由於主控晶片仍處於持續改善與強化設計環節，不只是主控晶片的可用解決方案相對較少， 除了關鍵的主控晶片外，在電腦端的系統晶片整合，也需要一段時間，也造成初期投入的業者可能需要付出更多成本，才能將USB 3.0介面導入實際產品設計中。
除了硬體端的問堤外，在軟體端也有近似的問題待解，像是目前使用最普遍的Microsoft視窗作業系統，也必須透過系統端的原生驅動程式，整合USB 3.0的周邊應用支援，但目前的狀況多是由主控晶片開發商自行開發驅動程式，而使用相關解決方案的廠家，再利用公版的驅動程式進行細部微調，儘可能在穩定性與效能表現取得平恆，但如此一來，相關業者的開發成本勢必因此墊高，這些問題都將導致USB 3.0終端產品在初期的售價偏高，這類狀況勢必更不利於高速傳輸介面的應用推廣工作。
而觀察USB 3.0的介面規格設計，會發現原有USB 2.0僅500mA的傳輸電力，在3.0規格提升至900mA，此舉雖有助於外接設備可取得更豐沛無虞的電力供應，但相對也因此讓主控晶片、周邊晶片的運行功耗隨之增加，新技術的導入就系統性評估，大多會較舊系統增加近40%的電源功耗，若在電力應用相對較拮据的行動裝置產品(如筆記型電腦)，也會影響其導入設計的意願。
成本仍是USB 3.0市場發成長關鍵
USB 3.0高傳輸效能的代價，除在功耗、技術難度的限制外，其實關鍵的問題就在成本方面，尤其是當USB自2.0轉換至3.0，由於運行資料傳輸頻寬等於大幅提升，對於信號抗雜訊的設計勢必得著墨更多，原有USB 2.0架構可能很簡單的抗雜訊設計，轉換至USB 3.0架構上，相關的訊號品質維護與保護元件設置，在數量可能就會增加許多，其間產生的額外成本，也會直接影響系統的建構成本。
USB 3.0設計中，因為訊號的傳輸限制，可能在傳輸距離就不能如2.0裝置般可支援較遠距離的傳輸，而在USB 3.0的系統架構對於時脈的精密度要求，也極可能為USB 2.0設計方案的數倍，而初期在相關解決方案的整合度有限的狀況下，除整合設計的難度大增，電子電路也必須搭配更多特製的元件，維持USB 3.0相對更嚴謹的設計要求，而主控晶片的製作複雜度，業者評估也至少搭配90奈米製程才能一次整合更複雜、數量更多的電晶體元件，若無法有效創造產品數量且在製作成本居高不下的狀況下，更能達到推廣的目的。
根據市場研究機構In-Stat的預測指出，市場USB 3.0元件出貨量可望於2009~2013年間產生200%的穩定成長。 即便USB 3.0目前面臨許多技術或是推廣上的挑戰，但業界多半對此技術抱持樂觀看法，因為USB介面的使用習慣畢竟已經花了相當多時間醞釀，其便利性與接受度已經深入使用者的IT產品使用習慣，而要將USB 3.0系統、產品推銷給電腦用戶，若撇除成本與初期周邊數量較少的問題限制，推廣USB 3.0應用會較推廣其他高速傳輸介面更為簡單。
USB 3.0採實線的電子電路進行數據傳輸，有其物理上的傳輸效能提升極限，而以往在機房應用端才會使用的光纖資料傳輸技術，在英特爾開發者論壇(Intel Developer Forum)中也釋出具備10Gb/sec傳輸速度的Light Peak光通訊技術，根據IDF釋出的訊息理解，Light Peak為採取光學技術為基礎的傳輸介面， Light Peak的主控晶片預估今年上市，在Intel的規劃方向裡，勢必會將Light Peak技術以整合到未來桌上型電腦、筆記型電腦設計為目標。
