殊途同歸？雷電vsUSB擴(kuò)展塢的歸

OverLord

從USB說開去

USB標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)立就是為了解決外接設(shè)備困擾問題的。早年，電腦分為串口、并口等連接方式，而且不同的設(shè)備使用的接口也不盡相同，如打印機(jī)接LPT、調(diào)制解調(diào)器接RS232、鼠標(biāo)鍵盤更多使用PS/2等（圖2）?？梢宰龅健贝笠唤y(tǒng)“的外接方式，就成為了廠商的努力方向。

于是在1994年，由Compaq、DEC，IBM、英特爾、微軟、NEC以及Nortel等多家公司聯(lián)合研發(fā)制定的全新外部接口協(xié)議誕生了，這便是USB。其全稱為UniversalSerialBus，即通用串行總線，是連接電腦與外部設(shè)備的一種串口總線標(biāo)準(zhǔn)，也是一種輸入輸出接口的技術(shù)規(guī)范。1995年，初創(chuàng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的幾個(gè)公司成立了USB標(biāo)準(zhǔn)化組織USB-IF（USBImplementersForum），并于1995年正式推出了USB1.0規(guī)格。USB1.0規(guī)格的傳輸速率為1.5Mbps，最大輸出電流5V/500mA，可以支持的設(shè)備極為稀少，甚至主板廠商都不愿意將其設(shè)計(jì)在主板之上。到了1998年，USB-IF發(fā)布USB1.1規(guī)范，將USB的技術(shù)規(guī)格提升了一個(gè)檔次，最主要的變化就是傳輸速率躍升到了12Mbps，在當(dāng)時(shí)可以稱之為”高速“了，不過供電沒有改變，依舊是5V/500mA的水準(zhǔn)。

隨之而來的1998年9月，朗科公司發(fā)明了全世界第一款USB閃存盤產(chǎn)品（圖3），并且申請(qǐng)了專利——我們習(xí)以為常的事物，其實(shí)已經(jīng)誕生了23年之久，想不到吧？

當(dāng)然，USB規(guī)格如果就此裹足不前，也不會(huì)有后面的發(fā)展——同一時(shí)期，還有一個(gè)非常著名的IEEE1394接口與之競(jìng)爭(zhēng)。

在2000年的時(shí)候，USB-IF推出了著名的USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率達(dá)到了驚人的480Mbps，是USB1.1的40倍，最大輸出電流依舊為5V/500mA，時(shí)至今日，我們依舊在大量使用USB2.0的相關(guān)設(shè)備（例如無線鍵鼠的USB接收器），是USB接口規(guī)范里最長(zhǎng)壽的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

USB2.0的紙面數(shù)據(jù)雖然非常出色，但面對(duì)IEEE1394還是差了一些。如IEEE1394A標(biāo)準(zhǔn)只有400Mbps的傳輸能力，但是因?yàn)樗鼘?duì)CPU的占用更小，因此實(shí)際使用中的傳輸速度、傳輸穩(wěn)定性是超過USB2.0的，也因此被重視速度與穩(wěn)定性的視頻、專業(yè)領(lǐng)域大量采用，很多電腦不得不額外增加IEEE1394擴(kuò)展卡（圖4）。IEEE1394接口規(guī)范的問題在于需要授權(quán)費(fèi)用，而不是像USB接口規(guī)范那樣免費(fèi)使用，所以最終還是更為開放、靈活且免費(fèi)的USB贏了。

為了更好地區(qū)分USB的不同版本，USB-IF在2003年的時(shí)候作出了調(diào)整，將USB的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)重新命名了：如USB1.0改稱為USBLow-Speed，USB1.1改成為USBFull-Speed，USB2.0改稱為High-Speed（圖5），名義上是為了更好的區(qū)分不同USB之間的差異，同時(shí)簡(jiǎn)化稱謂。

時(shí)間轉(zhuǎn)眼來到了2008年，USB2.0顯然依舊不能滿足用戶的使用需要，傳輸速率成為了瓶頸，新版本的標(biāo)準(zhǔn)迫在眉睫，于是USB3.0，即USBSuperSpeed誕生了。USB3.0最大傳輸速率達(dá)到5.0Gbps，即640MB/s（理論值）（圖6），遠(yuǎn)超USB2.0的480Mbps，而且一直沒有變化的供電也作出了設(shè)計(jì)修改，最大輸出電流5V/900mA，超過以往的5V/500mA。它向下兼容2.0，支持全雙工數(shù)據(jù)傳輸（即可以同時(shí)接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)，USB2.0是半雙工）。為了在接口規(guī)格不變的情況下實(shí)現(xiàn)更大的傳輸速率，USB3.0的針腳由USB2.0的4針增加至9針（圖7），其中4針和USB2.0保持一致，增加的5針針腳則是用來提升傳輸數(shù)據(jù)的能力。

也是從這個(gè)時(shí)候開始，外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸需求也爆發(fā)式增長(zhǎng)，很快USB3.0也出現(xiàn)了“性能瓶頸”，USB3.0發(fā)布后的5年，也就是2013年USB-IF更新USB接口規(guī)范至USB3.1，也被稱之為USBSuperSpeed+。USB3.1的最大特點(diǎn)是傳輸速度提升到了10Gbps的水準(zhǔn)，同時(shí)供電規(guī)格也作出了巨大的修改，不再堅(jiān)守5V電壓，提高到了20V之多，供電電流也允許提升到5A的水平——顯然，這是為了應(yīng)對(duì)更加龐雜的外部設(shè)備供電使用，而且需要芯片控制也增加了成本（圖8），但無疑也進(jìn)一步拓寬了USB接口規(guī)范的應(yīng)用范圍（圖9）。

USB3.1對(duì)比USB3.0的變化還是比較大的，可能也是因?yàn)檫@個(gè)原因，USB-IF又開始改名活動(dòng)了。USB3.0被修改為USB3.1Gen1，USB3.1則改名為USB3.1Gen2。無論出于什么目的，這樣的修改其實(shí)并不合理，尤其是給消費(fèi)者造成了不小的困擾，很多廠商開始借用新命名方式模糊視線，例如產(chǎn)品只標(biāo)注USB3.1，但是不提及究竟是Gen1還是Gen2（同樣的問題在HDMI2.1身上也出現(xiàn)了）。

接下來的發(fā)展，USB3.2于2017年誕生，不同于以往的是USB3.2在使用USBType-C接口時(shí)，第一次提供了雙10Gbps的傳輸速率，極速為20Gbps，理論值為2.5GB/s，最大輸出電流還是保持在20V/5A的水平，顯然，它是對(duì)USB3.1Gen2的完善。

毫不意外的，USB-IF在觀察一番后，2019年又祭出改名策略，USB3.1Gen1再次改名為USB3.2Gen1（原USB3.0），USB3.1Gen2改名為USB3.2Gen2（原USB3.1），USB3.2改名為USB3.2Gen2×2（圖10）——不知道出于什么樣的目的，USB-IF總是在改名，顯然會(huì)給用戶造成更多的困擾，雖然初衷是為了簡(jiǎn)化、方便識(shí)別。

在USB4來臨之前，亂的不止是標(biāo)準(zhǔn)名稱，接口也在不斷變化——因此我們不得不認(rèn)真的“學(xué)習(xí)”USB的各種名稱，甚至是接口名稱。

USB Type A～C你認(rèn)全了嗎？

在談及USB 4標(biāo)準(zhǔn)之前，我們還有必要先了解一件事情：USB接口的樣式。我們現(xiàn)在都熟知USB Type-C，殊不知最“常規(guī)傳統(tǒng)”的USB接口正式名稱是USB Type-A（圖11）。所謂的Type-A全稱為Standard Type-A USB，即標(biāo)準(zhǔn)USB接口的意思。在此規(guī)范下，所有的USB設(shè)備都按照此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)。

Type-A主要作為數(shù)據(jù)和電源的下行端口，比如2.5英寸移動(dòng)硬盤、閃存盤、接收器等等。那么USB Type-B又是什么呢？從造型上看，它采用“凸”形外觀設(shè)計(jì)（圖12），作用很“單純”，只傳輸數(shù)據(jù)，不提供供電能力，例如打印機(jī)、3.5英寸硬盤盒等。不過，USB Type-A和USB Type-B在電氣特性上是完全一致的，沒有任何區(qū)別，只不過它在外形上有所區(qū)別罷了。

此外，在USB Type-A之下，還衍生出了Mini USB-A和Mico USB-A（圖13）;在USBType-B之下，還衍生除了Mini USB-B和MicoUS B-B。他們僅僅是對(duì)應(yīng)的將外觀尺寸進(jìn)行修改，本質(zhì)上的電氣特性毫無區(qū)別。其中，MiniUSB-A、Mini USB-B率先于USB 3.0時(shí)代之前就別淘汰，取代者就是Micro USB-A、MicroUSB-B（圖14）。而且，因?yàn)轶w積原因，它們也無法承載USB 3.0之后的9針針腳。

實(shí)際上Micro USB-A、Micro USB-B也面臨同樣的問題，但是在Type-C出現(xiàn)之前，MicroUSB-A、Micro USB-B必須“撐住”，所以才會(huì)有了拓展型Micro USB-A、Micro USB-B接口，它比傳統(tǒng)接口寬了不少（圖15），就是為了容納更多的針腳。

這樣的設(shè)計(jì)顯然又違背了“Micro”的含義，新接口必須快速推出。2014年，USB Type-C（圖16）出現(xiàn)，時(shí)至今日，幾乎所有的設(shè)備都和USB Type-C密不可分，手機(jī)、相機(jī)、平板、乃至很多其他設(shè)備的充電接口，都變成了USB Type-C形式。

誠(chéng)然，USB Type-C這種接口形式是在USB 3.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范后推出的，也確實(shí)是以USB 3.1為依托設(shè)計(jì)的，但是USB Type-C≠USB 3.1！因?yàn)槊幕靵y以及部分產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要，Type-C接口（圖17）可能是支持USB 3.1 Gen1的，也可能是USB 3.1 Gen2規(guī)格的，或者是USB 3.1Gen2×2的，乃至于雷電3、4接口，甚至是USB4，都有可能，具體還是要看使用的是哪種協(xié)議，但是絕不可以將其劃為等號(hào)。

還有一點(diǎn)，USB Type-C這種接口形式之所以會(huì)迅速成為主流，小巧固然是一個(gè)方面，更重要的是，它可以實(shí)現(xiàn)正反盲插的安裝方式，而不是像Type USB-A、Type USB-B那樣需要分清正反方向！最后，別看USB Type-C接口個(gè)頭小巧，實(shí)際內(nèi)部最高可以容納最多24個(gè)針腳（圖18），對(duì)于新協(xié)議的支持，冗余度足夠。

雷電來襲 殊途同歸？

筆者在前文中提及了一個(gè)與USB競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)議規(guī)范IEEE1394，它倒下的原因是專利授權(quán)費(fèi)用更高，而不是技術(shù)不夠好。IEEE1394實(shí)際是是由蘋果、英特爾公司等開發(fā)的一種高速傳送接口，但是它在當(dāng)時(shí)要收取1美元至2美元左右的專利費(fèi)（每個(gè)接頭）！這樣高昂的專利授權(quán)費(fèi)甚至連“同盟”的英特爾公司都難以接受。不過不可否認(rèn)，這個(gè)在蘋果電腦上被稱作“FireWire”火線（圖19）的IEEE1394確實(shí)在技術(shù)規(guī)格上非常先進(jìn)，只是失敗的商業(yè)政策導(dǎo)致其無力競(jìng)爭(zhēng)。

但隨著時(shí)間的推移，蘋果、英特爾等公司依舊認(rèn)為有必要設(shè)計(jì)一個(gè)高速的外部設(shè)備傳輸協(xié)議規(guī)范，最終的結(jié)果就是雷電！雷電接口即Thunderbolt，2011年由英特爾與蘋果聯(lián)合發(fā)布，它最大的特點(diǎn)是融合了PCI-E和DisplayPort兩種協(xié)議，它是當(dāng)時(shí)僅有的可以支持同時(shí)高速傳輸數(shù)據(jù)、影音傳輸?shù)慕涌?，直白的講就是可以同時(shí)具備USB、DP/HDMI/DVI/VGA的輸入輸出功能，而且第一版雷電的速度就達(dá)到了驚人的10Gbps，兩年后也就是2013年USB-IF才推出了10Gbps的USB 3.1，且只能作為數(shù)據(jù)傳輸使用。而在接口外形方面，第一代雷電接口采用了MiniDP接口形式（圖20），第二代亦是如此（需要獨(dú)立的控制器）。也是在2013年，雷電第二代接口規(guī)范推出，帶寬達(dá)到了驚人的20Gbps，是同時(shí)期USB 3.1的兩倍，這是十分驚人的。

不過，它固然擁有傲人的傳輸性能和多元的功能性，但是普及程度甚至連USB的“零頭”都不到——擁有第一代、第二代雷電接口的設(shè)備幾乎只限于蘋果的MacbookPro筆記本上（電腦產(chǎn)品上蘋果擁有一年的專利獨(dú)享權(quán)），在MiniDP接口處標(biāo)有閃電箭頭的圖標(biāo)才是雷電接口，除此之外僅僅是寥寥幾家主板廠商生產(chǎn)過具備雷電2接口的產(chǎn)品。根本的原因，其實(shí)還是在于專利墻，USB協(xié)議規(guī)規(guī)范免費(fèi)，且性能不差，誰還會(huì)多花錢呢？

顯然，從第一代雷電到第二代雷電，都只不過擁有一個(gè)“昂貴的名字”，真正讓大家能夠熟悉起來的，還是第三代雷電。2015年，第三代雷電協(xié)議規(guī)范推出，并且摒棄了MiniDP接口，轉(zhuǎn)而使用了USB Type-C接口樣式，這樣一下子就拉近了與普通用戶的距離——畢竟USB Type-C太常見了。不過，它和USB Type-C并不能劃等號(hào)，即雷電3的物理接口必然是USB Type-C，但是USB Type-C的未必是雷電3接口（圖21）。

雷電3引以為傲的首先就是傳輸速度達(dá)到了驚人的40Gbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過USB同時(shí)期的能力，達(dá)到了USB 3.1的4倍。此外，在供電上，雷電3支持最高100W的雙向供電能力，這是USB很久之后才擁有的功能（基于PD協(xié)議）。不僅如此，它可以連接兩個(gè)4K分辨率、60Hz刷新率的顯示器或者一個(gè)5K分辨率、60Hz刷新率的顯示器使用（圖22），這是USB 3.2都不具備的。更為獨(dú)特的是，由于它融合了PCI-E協(xié)議，雷電3支持外接顯卡塢站（圖23），這也是雷電和USB最大的區(qū)別。

阻礙它普及的一個(gè)重要原因是控制器，雷電1、雷電2時(shí)代，英特爾的處理器并沒有集成雷電控制器，而USB控制器一直以來就存在于PCH芯片中，所以都需要一個(gè)獨(dú)立的控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電的驅(qū)動(dòng)控制。到了第十代移動(dòng)端酷睿處理器時(shí)（10nm的Ice Lake構(gòu)架處理器），直接在處理器內(nèi)部集成了雷電3的控制器（圖24），這就進(jìn)一步降低了雷電的使用門檻。

2020年，英特爾再次推出雷電4，相比之下，雷電4更像是雷電3的完善補(bǔ)充——它們的傳輸速率最高仍然是40Gbps，但進(jìn)行了一定程度的優(yōu)化，雷電3為DP視頻輸出預(yù)留了18Gbps的傳輸帶寬，數(shù)據(jù)傳輸帶寬則為22Gbps，在雷電4中，DP視頻輸出帶寬預(yù)留改為8Gbps，數(shù)據(jù)傳輸帶寬則提升到了32Gbps，這樣其他外接設(shè)備的連接速度（極速）會(huì)更快。

除了視頻信號(hào)、數(shù)據(jù)傳送外，雷電4還支持電力傳輸。規(guī)格上，雷電4最高支持20V/5A，也就是100W，協(xié)議兼容USB PD快速充電標(biāo)準(zhǔn)。筆記本可以方便地使用雷電4接口，連接擴(kuò)展塢、顯示器、充電器、鼠標(biāo)鍵盤、U盤等外設(shè)，享受一線通所有的便捷體驗(yàn)。此外，雷電4雖然和雷電3同樣采用了USB Type-C的接口，但是針腳的功能定義和其完全不同，也有別于后來者USB4（圖25）。

不可否認(rèn)，從雷電3開始，英特爾就想辦法在降低它的使用門檻，只是對(duì)比完全沒有專利制約的USB，雷電還是棋差一著，現(xiàn)在是時(shí)候作出改變了。

時(shí)間回到2019年，USB-IF發(fā)布了最新的USB規(guī)范USB4，這恐怕是USB有史以來最大的改變，而不是升級(jí)、再升級(jí)，因?yàn)閁SB4規(guī)范基于雷電3協(xié)議規(guī)范！是不是似曾相識(shí)？沒錯(cuò)，雷電4也是基于雷電3的優(yōu)化而生——并且，二者皆以USB Type-C形式出現(xiàn)，某種程度上講，雷電4和USB4是“有著一脈相承的血緣關(guān)系”。究其原因，就在于英特爾開放了雷電3的專利授權(quán)，它將成為免費(fèi)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)（雷電4依舊有專利授權(quán)問題）。

這也意味著，USB 4和USB 3.x有著本質(zhì)的差異，它已經(jīng)從USB走向了雷電（圖26）。這表現(xiàn)在它需要使用USB PD協(xié)議進(jìn)行供電，同時(shí)擁有了USB以往一直不曾擁有的PCIe和DisplayPort兩種協(xié)議，這正是雷電的核心特質(zhì)。這種架構(gòu)定義了一種與多個(gè)終端設(shè)備類型動(dòng)態(tài)共享單個(gè)高速鏈路的方法，該方法能夠最好地按類型和應(yīng)用處理數(shù)據(jù)傳輸。

要注意，USB4只支持USB Type-C接口，傳統(tǒng)的USB Type-A、USB Type-B被排除在外，因?yàn)檫@些接口無法支持10Gbps及以上的傳輸速度。當(dāng)然，USB4依舊向下兼容，包括USB 2.0、USB 3.x，這一點(diǎn)不需要擔(dān)心。USB4將分為兩種規(guī)格，第一種是20Gbps帶寬，第二種是40Gbps帶寬，它們的名稱可以標(biāo)識(shí)為USB4 Gen2×2、USB4Gen3×2。其中，USB4 Gen3×2是全雙工工作狀態(tài)，即每個(gè)通道同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。剛剛也談到了，USB4和之前USB版本的區(qū)別還有一點(diǎn)，就是供電，USB4設(shè)備在連接后，其供電機(jī)制產(chǎn)生了變化，首先要完成USB Power Delivery（PD供電協(xié)議）協(xié)商，它的每個(gè)接口必須至少能夠提供5V/1.5A的供電能力，最高支持100W PD供電（亦可反向供電），這和之前的USB標(biāo)準(zhǔn)并不一樣。

顯然， USB經(jīng)過多年的升級(jí)、改變，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了和雷電的融合（圖27），可以說USB4是雷電3的衍生品，雷電4則是雷電3的升級(jí)版。得益于雷電天生的技術(shù)規(guī)格特性，USB4將實(shí)現(xiàn)更多元的應(yīng)用方式——記住不僅僅是傳輸速度，在功能上USB4也將大幅度提升。尤其是當(dāng)下移動(dòng)端設(shè)備的外接擴(kuò)展需求越發(fā)旺盛（超薄機(jī)身的代價(jià)），如何能夠?yàn)橐苿?dòng)設(shè)備（筆記本電腦）提供更多元、更具效率的擴(kuò)展方式，將是未來的重中之重，這也是為什么USB在USB4上作出如此巨大改變的根本原因之一。