行動裝置高速匯流排隨著處理器高頻、高速化發展 智慧應用 影音
藍牙
Event

行動裝置高速匯流排隨著處理器高頻、高速化發展

  • DIGITIMES企劃

USB 3.1加入Type-C無方向性連接頭、獨立A/V頻寬後,連Thunderbolt 3.0連接頭也加入,PC/手機周邊介面即將大一統。USB-IF/Intel IDF/Razer/HP
USB 3.1加入Type-C無方向性連接頭、獨立A/V頻寬後,連Thunderbolt 3.0連接頭也加入,PC/手機周邊介面即將大一統。USB-IF/Intel IDF/Razer/HP

從2003年PCIe 1.0,隨後PCIe 2.0、PCIe 3.0(8GT/s),到預計2016年面市的PCIe 4.0(16GT/s),PCIe也衍生出對外連接的USB 3.0、Thunderbolt 1/2、USB 3.1外接周邊介面的爭戰;同時無線傳輸技術正由近/中/遠距離全面提升,從Wi-Fi/WiGig/UltraGig無線區域網路,到手機、IoT裝置慣用的2.4GHz BLE,以及低於1GHz的ZigBee、Z-Wave等低功耗無線網路,為串連各種行動聯網裝置與IoT感測裝置的橋樑。

PC從90年代PCI(傳輸速率100MB/s),後續出現針對伺服器的64bit PCI、PCI-X等擴展規格,傳輸頻寬也加大到266~1GB/s。英特爾也曾在PC推出繪圖加速埠(Accelerated Graphics Port;AGP)規格,是2005年之前顯示卡的主流介面規格,也是平行化匯流排技術的極限。

5G Wi-Fi/WiGig路由器&晶片超高速無線影音/周邊搭接應用。Intel IDF/ASUS/Netgear/D-LINK/TP-LINK

5G Wi-Fi/WiGig路由器&晶片超高速無線影音/周邊搭接應用。Intel IDF/ASUS/Netgear/D-LINK/TP-LINK

各種無線通訊技術/規格比較表。

各種無線通訊技術/規格比較表。

2003年代PC匯流排導入PCI Express序列化技術,跨越到Gbps的傳輸等級。多個位元串流訊號透過不同相位、旋轉向量角度的調變方式,可以在既有頻率下以(2/4/8/16/...)的方式倍增,這也正是串列化技術可以從匯流排、Serial ATA (SATA)磁碟介面,進而對外以USB 3.X、Thunderbolt等介面樣貌,讓電腦繼續High的動力。

PCIe 3.0已成主流

2010年11月的PCIe 3.0已成PC匯流排主流規格。其具備單線道(x1 lane) 8GT/s的傳輸速率,較優異的128b/130b編碼,PCIe 3.0 x1傳輸速率達985MB/s;若採用到16線道(x16 lanes)模式下,可傳輸近16GB/s的資料頻寬,可做為伺服器網路背板、磁碟陣列與旗艦級繪圖卡影像材質高速傳輸之用。

2011年廠商推出PCIe 3.0的主控晶片與切換開關、中繼晶片(Repeater/ReDriver)。Intel自從第三代Core i3/5/7處理器(Sandy-Bridge)開始提供PCIe 3.0匯流排(x16或x8/x8設計)的驅動能力;XEON系列處理器還提供到最多40 lanes(x16/x16/x8)。Intel於2015年Q3正式發表100系列晶片組,其中Z170/H170/B150進化到提供DMI 3.0(等同於PCIe 3.0 x4)的雙向8GB/s傳輸頻寬,最高階的Z170將提供20線道PCIe 3.0,H170與B150則分別提供16、10、8線道PCIe3.0,以供應外接周邊如SSD、GbE網路晶片甚至繪圖晶片(GPU)做x16、x8、x4的頻寬切換。

率先支援PCIe 3.0的是高階顯示卡,從2011年AMD推出Radeon HD 7870到今年(2016)即將推出的Radeon 400(Polaris 10/11 GPU)家族,2012年NVIDIA推出的GeForce GTX680/670到今年推出GeForce GTX 1070/1080顯示卡,均支援到PCIe 3.0 x16(16GB/s)的傳輸頻寬。儲存方面則有Marvell首款支援PCIe 3.0x4的88SS1093 SSD控制晶片,HGST於2014年推出PCIe 3.0(x8)設計的FlashMAXIII PCIe SSD卡。

PCI SIG於2011年11月宣佈PCIe 4.0規格,雖然速率可達16GT/s,但受限於7~14英吋的佈線長度、需搭配高速ReDriver等限制,初期僅會在高階伺服器導入,預估2017年才會明朗化。

USB-C將一統USB與Thunderbolt連接頭

2008年11月USB-IF協會推出USB 3.0,傳輸速率達5Gbps(500MB/s, 8b/10b編碼),較USB 2.0速率提升了10倍,又具備較高的充電電壓。隨著AMD與Intel晶片組加入原生USB 3.0規格支援,很快的成為2011年後PC周邊介面的主流。

2011年Intel推出Thunderbolt匯流排:結合DisplayPort(DP) + PCI Express + GP I/O三合一傳輸特色,使用miniDP Port的連接頭,可接銅線或光纖連接方式,串接最多6個Thunderbolt周邊,並提供10Gbps的雙向傳輸速率。在2013年Q1的Thunderbolt 2.0規格,傳輸速度提升到雙向20Gbps,支援4K輸出並向下相容Thunderbolt 1.0。受限於晶片成本,配置Thunderbolt系統以Apple的桌電/筆電為最大宗,PC部份則僅有少數強調高階規格的筆電、AIO一體成型電腦支援。

2013年USB-IF協會發表SuperSpeedPlus USB(USB 3.1),傳輸速率倍增為10Gbps(USB 3.1 Gen2),並維持跟既有SuperSpeedUSB(USB 3.1 Gen1)相容,特別是追加A/V獨立頻寬與DisplayPort(DP)等特點為訴求。USB 3.1使用USB 3.0相同的線材,連接頭部份特別增加了可正、反面熱插拔一萬次的Type-C連接頭(又簡稱為USB-C),要發揮USB 3.1 Gen2的速度,連接線長度限縮在1公尺以內。

USB 3.1以低成本與既有USB 2.0/3.0周邊相容性的優勢,任何手機、平板、筆電只要使用USB-C連接頭,就能藉由一條Type-C連接線,搞定所有資料傳輸、音訊、視訊、電源以及連接輸出入裝置的應用。蘋果於2015年1月搶先推出的New MacBook,就是這種僅單一USB-C連接埠的輕薄筆電。隨後Google推出機身左右側各一組USB Type-C埠的ChromeBook Pixel。而NOKIA N1也推出提供一組USB Type-C連接埠(USB 2.0)的7.9吋平板電腦。

大陸樂視集團(LETV Group)推出全球第一隻採USB-C連接頭的智慧手機樂(Le)系列,2016年4月發表樂2/樂2 PRO/樂MAX 2,進而取消耳機輸出孔,改以USB Type-C的數位音訊輸出。宏達電的HTC 10、LG的G5旗艦手機,以及小米(MI)手機5也使用USB-C。

2015年6月Intel推動Thunderbolt 3.0,提供雙向40Gbps的傳輸頻寬(約5GB/s),供電量可達100W。支援HDMI 2.0(4K@60Hz)與DisplayPort1.3(5K@60Hz)規格,具備連接雙4K UHD或單一5K顯示器的能力。最大改變在於Thunderbolt 3.0使用了跟USB 3.1 Type-C連接埠/連接頭大小腳位相容的設計,外觀差別只是多了個閃電符號。當Thunderbolt連接埠接上USB 3.0或USB 3.1 Gen1裝置時,傳輸速率為5Gbps,接上USB 3.1 Gen2裝置時,傳輸速率變成10Gbps,若接上Thunderbolt 3.0裝置時,傳輸速率可提升至40Gbps。

Razer於CES 2016揭露其12.5吋輕薄筆電Razer Blade Stealth,提供4K UHD或2560x1440 QHD的IZGO面板。最大特色是搭配AMD Xconnect——採Thunderbolt 3.0(USB-C)連接埠,以PCIe 3.0x4的雙向4GB/s頻寬,連接到Razer Core內裝頂級繪圖卡的外接顯示盒,提昇筆電的頂級繪圖/遊戲效能到電競等級。

HP亦全面導入USB-C連接頭,於今年4月推出的Spectre系列筆電中,三個USB Type-C連接埠設計,其中一組是USB 3.1 Gen2(10Gbps),另兩組是Thunderbolt 3.0規格,支援到(40Gbps)。

行動裝置的高速無線技術趨勢

1999年IEEE所制定的5GHz、2.4GHz ISM頻段的802.11a、802.11b,速率提高至54、11Mbps;2004年定案的802.11g,連線速率提升到54Mbps,且維持跟既有802.11b相容,讓Wi-Fi成為PC/NB,甚至是PDA、PMP、數位相機到智慧手機、平板電腦的主流規格,帶動了家庭/企業無線路由器(Wi-Fi Router)產品的發展。

2009年802.11n推出,採用2.4/5GHz ISM頻段與最新4x4 MIMO(多重天線收發)技術,單至四資料串流速率達150~600Mbps;2014年定案的802.11ac,以5GHz頻段、頻寬倍增(wave 1 80MHz, Wave2 160MHz)與QAM256調變、波束成型技術,傳輸速率達到1.3Gbps(3x3資料串流, Wave 1)至7Gbps(8x8資料串流, Wave 2);當802.11ac網卡/裝置無法以802.11ac最高速連接時,會切回5GHz/802.11n模式,甚至降到2.4GHz/802.11n的連線模式。

2006年WirelessHD聯盟,以IEEE 802.15.3c規格為基礎的60Ghz頻譜、純A/V影音傳輸,傳輸速率10~28 Gbps,唯一的晶片廠商SiBEAM於2011年由晶鐌(SiliconImage)所併購。曾針對手機、平板推出UltraGig6400 SIP晶片,也有部份電競筆電、投影機、頭盔顯示器採用。由於未能像WiGig取得跟Wi-Fi規格整合,使得WiHD/UltraGig進展受限,也導致晶鐌於2015年3月被萊迪思半導體(Lattice)所併購。

2009年英特爾、博通、高通、WiLocity等廠商成立WiGig聯盟,以60GHz頻段的WiGig無線傳輸技術,單資料串流速度可達7Gbps。由以色列Wilocity供應晶片(隨後被高通併購),WiGig積極與Wi-Fi聯盟的2.4GHz 802.11n、5GHz 802.11ac整合成三頻(2.4/5/60GHz)多模應用方案,IEEE也正式將WiGig定案為IEEE 802.11ad。

博通(Broadcom)於COMPUTEX 2015推出AC3200的規格的三頻(Tri-Band)的Wi-Fi路由器架構,也就是支援2.4/5GHz雙頻x3(3spartial) 40MHz、80MHz操作頻寬,與一組5GHz x3(3spartial)、80/160MHz操作頻寬,第三季進一步發表BCM4366網通晶片,提供2.4/5GHz雙頻x4(4Spartial, 40/80MHz)與5GHz x4(4spartial, 80/160MHz)規格,當Tri-Band路由器搭配博通的無線網卡/裝置時,可以啟動1024QAM載波調變技術提升25%速率,最大網路總頻寬達到5400Mbps;但若是遇到不支援1024QAM調變的它廠Wi-Fi裝置時,總服務頻寬會下降到4066Mbps。

Netgear Nighthawk x8 R8500、友訊(D-Link) DIR-895、華碩(ASUS) RT-5300等無線路由器都是這類旗艦型AC5400產品。均具備可供4個不同速率裝置上網的4x4 MU-MIMO能力,讓各種不同速率的行動裝置聯網時都能全速發揮,同時也能無延遲的傳送FullHD甚至4K UHD(3840x2160)等級的即時影音串流畫面。

至於802.11ad部份,TP-LINK於CES2016首度展出提供2.4GHz、5GHz與60GHz三頻段的Talon AD7200無線路由器,802.11ad部份提供4.6GBps頻寬(總頻寬達7.2Gbps)。而英特爾預計2016年6月推出Tri-Band Wireless-AC18260網卡,提供了2x2 2.4GHz、5GHz以及四頻段60GHz 802.11ad連接能力。最大連線速率為300Mbps(802.11n)、867Mbps(802.11ac)與7Gbps(802.11ad)的無線影音傳輸能力,可搭配無線擴充底座作為周邊擴充與傳輸影音的應用。

議題精選-COMPUTEX 2016