到分岔路口　接口發(fā)展與選擇的困惑

在2020年第17期的《電腦數(shù)據(jù)最重要的通道總線技術“古”今談》一文中，我們已經(jīng)涉及到了當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)外設接口的雄心顯露無遺，而與不斷發(fā)展的PCIe總線關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該如何理解、利用這些變革，盡量讓自己和手頭的設備跟上時代而不是被時代淘汰，避免走錯方向，浪費時間、金錢和精力呢？這就需要對市場、技術以及未來的發(fā)展有一個比較清晰的認識了。

USB4呼之欲出 USB版本亂象終結

在最近兩年，每次涉及到USB接口的標準，我們都不得不非常麻煩地反復說明，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、標識、接口類型、需要的線纜（圖4）等都非?；靵y。

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在混亂的USB 3.0/3.1/3.2時代之后，大家都期待性能更強大，但從名稱到接口都更為簡潔的USB4登場后徹底結束這一混亂的情況。不過在標準公布很長時間后，仍沒有面向消費市場的產(chǎn)品出現(xiàn)，直到近期，作為USB標準的主要推動者，英特爾的USB4控制器才終于露出了端倪，讓我們可以一睹USB4的風采。

作為核心平臺廠商，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立芯片，從目前的信息來看，恐怕在下一代酷睿平臺中也不會內(nèi)置USB4控制功能。不過這些獨立芯片也讓其他平臺（主要就是AMD平臺）搭載USB4的前景更加明朗了。要知道USB4的技術來源之一——雷電3，就因為過于依賴英特爾的獨家技術，所有相關產(chǎn)品都需要英特爾技術人員參與調校，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擴展卡（圖5）使用。而作為更加開放的標準，USB4就不會在AMD平臺上缺席了。當然，AMD將這一標準集成進芯片組和處理器也不會很快，預計近期大家還是只能使用USB4擴展卡或搭載獨立芯片的主板來體驗USB4。

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關于目前的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兩個檔次，且完全兼容雷電3。從這些信息中，大家是否會發(fā)現(xiàn)一些問題？沒錯，USB4的兩個速度檔次與USB 3.2（USB 3.2 Gen2×2）標準和雷電3的標準（圖6）完全一致，且完全兼容雷電3，這幾乎可以直接說明USB4實際上是兩個標準的混合產(chǎn)物。

雷電4定型 新的發(fā)展新的機會

近期英特爾還發(fā)布了雷電4控制器8000系列，包括面向計算機制造商的JHL8540、JHL8340主機控制器和面向配件制造商的JHL8440設備控制器，支持4個雷電4接口（圖7）。雷電4也會集成在最新的英特爾移動處理器平臺（Tiger Lake）上。

不過雷電4沒有任何可以支持其開源的協(xié)會組織，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，支持雙4K輸出及4D雷電4擴展塢。當然40Gbps的帶寬其實已經(jīng)很高，這相當于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)，當然也仍然支持DisplayPort視頻標準，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的傳輸能力其實還是有了明顯的提升，比如它可在2米線纜上實現(xiàn)40Gbps的全速傳輸能力，未來傳輸長度還有望達到5米甚至50米（圖8）。它還可支持多達4個雷電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，支持本機為至少一個其他電腦充電（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，雷電4已經(jīng)達到了PCIe 3.0×4（PCI32Gbps）的水平，這對于目前的英特爾平臺已經(jīng)是極限，畢竟顯卡、M.2接口等都需要PCIe通道，再分出4個通道給外部接口已經(jīng)很勉強，確實也難以提供更高的速度了。

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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，而且從市場規(guī)劃來看，我們會發(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的標配。難道它將替代USB，成為新一代的通用接口嗎？恐怕并沒有那么簡單。

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這里我們必須說明的是，對舊標準的兼容性仍然是雷電系列接口的明顯短板，它對USB標準的兼容性很可能僅限于USB4（因為這一協(xié)議包含了雷電3技術），目前最常見的USB 3.x/2.0標準則均不在兼容之列。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。不管是剛剛開始在一些高端外設中使用的USB 3.2 Gen2×2設備（圖10），還是已經(jīng)被很多高端、專業(yè)用戶接受的雷電3設備，或是更早的USB 3.0甚至USB 2.0設備，應該都可以直接用在USB4接口上，最多只需要加一個USB Type-A轉Type-C接口的轉接/轉接線而已。

另外，從現(xiàn)在的實際需求看，雷電3/4接口與PCIe通道相連的設計有些過于超前了，這雖然帶來了直接支持外置顯卡等優(yōu)勢，但也明顯限制了它的發(fā)展。估計目前的設備只能提供1個～2個雷電4接口，而獨立芯片提供的4個雷電4接口應該只能存在于PCIe×16擴展卡上，對只有20個～40個PCIe通道的消費級電腦來說，不僅無力提供更多的支持能力，甚至在提供這樣的4個雷電4接口（相當于4個PCIe×4通道）時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)級的酷睿X（圖11）、線程撕裂者等PCIe通道超多的平臺了。

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

此外在對比中我們還會發(fā)現(xiàn)雷電3/4接口與USB4標準的設備的最小供電需求不同，這一點看似并不起眼，但很可能決定了兩個接口的發(fā)展方向。比如鍵鼠、閃存盤、攝像頭、無線網(wǎng)卡等低功耗設備仍將以USB接口為主，主要強調更多的同時連接數(shù)量;而雷電4應該會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為連接對象，而且更強調對外設的通用性。比如用戶的另一臺輕薄本需要充電、臨時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“一個頂十個”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，在選擇外設時，我們應該可以放心地選擇價格雖然有一定松動，但仍然相對比較昂貴的USB 3.2 Gen2×2與雷電3設備，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時，已經(jīng)擁有前述高端、高速設備的用戶則應該特別關注USB4接口，它很可能會快速取代分立的兩種接口，成為最適合這些外部設備的接口。而面向未來應用的用戶則可將重點放在雷電4接口的支持能力上，因為它內(nèi)置多種標準、支持多種外設的能力很可能是未來“通用接口”的發(fā)展方向。

其實在主機平臺上，我們還發(fā)現(xiàn)了另一個具有高速數(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），從設計到能力都非常像雷電3/4?？紤]到這款主機使用的AMD平臺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，它是否會發(fā)展為AMD平臺上的“雷電”接口呢？也許在之后的一兩代平臺上就會看到答案了。

4K高刷新 視頻接口的選擇

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關于這兩種新版本視頻接口，本文更多的是其應用能力、購買選擇方面的討論，它們的具體發(fā)展、對比，以及和雷電接口的關系等，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主要解決的是外設的數(shù)據(jù)傳輸速度與電腦內(nèi)部計算、存儲速度不匹配的問題，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。

從目前的趨勢來看，中高端游戲為4K優(yōu)化已成為一種潮流，連《帝國時代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。但在顯卡日益強大、4K畫面處理已經(jīng)不是夢的今天，4K與高刷新率卻不可兼得，這對于已經(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。

當然4K高刷新率的實現(xiàn)，主要基于顯卡的強大計算能力和4K高刷新率顯示器的支持，但在兩者早已達到標準時，我們會發(fā)現(xiàn)目前的瓶頸出現(xiàn)在接口上?，F(xiàn)在消費市場上的最強視頻傳輸標準——HDMI 2.0和DisplayPort（以下簡稱DP）1.4，都是為2K游戲和4K視頻設計的，并不適合即將到來的4K游戲/8K視頻時代。

至于解決方案，當然就是早已正式公布的HDMI 2.1和DP 2.0兩個新視頻接口標準。其中HDMI 2.1因為得到了新一代游戲主機PS5（圖16）和Xbox Series X的支持，應該會更早地來到我們面前。

HDMI 2.1相對于HDMI 2.0的帶寬升級非常驚人，甚至超過了從HDMl 1.x到HDMI 2.0的變化。同時它在很多重要功能上也有大幅改進，比如現(xiàn)在越來越常見的HDR圖像，因為多了亮度數(shù)據(jù)，所以在HDMI 2.0標準里要擠占帶寬，在HDMI 2.1里就干脆給它加了一條單獨的通道，可以更好地傳輸動態(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的自動低延遲模式ALLM等新技術也能提升游戲畫面的刷新和響應速度。

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相關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），預計在新一代游戲主機正式開賣前后，就能很容易地從市場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準，在電腦上使用存在一些限制，例如支持的高刷新率是120Hz、HDMI接口相對龐大，以及很可能是普及的最大限制——價格高昂的線纜。

相對來說，雖然DP 2.0接口肯定會來得更晚一些，但它對電腦需求、設計的適應性遠高于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式機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。至于線纜的價格，目前來看，DP 2.0兼容線纜必然也會更貴一些，但因為DP標準、USB Type-C接口設計的前瞻性（圖20），估計其價格還是會比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的情況下，我們到底應該偏向于哪一種標準呢？筆者的建議是：已經(jīng)確定會入手新一代游戲主機的話，應該優(yōu)先更換HDMI 2.1電視機;而電腦玩家則必須考慮未來一段時間的升級需求，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，因為這一標準應該也會更早出現(xiàn)在顯卡中;但有機會得到DP 2.0的支持能力的話，那么寧可略微加點錢也要選擇DP 2.0顯示器，如果是同時支持HDMI 2.1和DP 2.0就更好了。在未來升級顯卡后，DP 2.0顯示器能展現(xiàn)出更適合電腦平臺的高分辨率、高刷新率游戲畫面。

小知識

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，因為帶寬的限制，在啟用4K高刷新率時實際上也是靠犧牲色彩的方式來節(jié)約帶寬運行的，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)無法達到面板的最佳狀態(tài)。