USB4的“快”车，你搭不搭？_专栏

衡量一个技术标准的生命力，一个很重要的指标就是其迭代升级的进程，如果一个标准“停更”了，那也就意味着其离终点也不远了。USB在去年9月又迎来了一次大版本更新——USB-IF正式发布了USB4规格，这意味着这个诞生于1996年的标准走入了“4”时代。

速度快、外形小、标准统一、支持热插拔、可传输电力这些优势让USB成为目前应用最为广泛的高速串行接口标准，甚至在有些产品中（如苹果的MacBook Pro）成为了唯一的外接扩展接口。那么USB4作为一个“新物种”有何特殊之处，会给市场和产品开发带来哪些变化？我们今天就一起来看看。

从USB 1.0到USB4

USB传输协议是1994年由Compaq、DEC、IBM、Intel、Microsoft、NEC和Nortel等公司联合研发的串行数据传输技术，并由USB-IF完成标准化和市场推广的工作。二十多年中，历经了几次重要的版本更新。

USB1.0规格是USB-IF在1996年发布的，其传输速率仅为1.5Mbps，只能算是初期的试水之作。USB的规模商用之旅实际上是从1998年9月发布的USB 1.1规范开始的，该版本将传输速率提高到了12Mbps，并且对USB 1.0中的一些技术细节进行了修正，达到了市场的广泛认同，逐渐成为当时如日中天的电脑上的标配。

表1：USB标准发展一览

随着用户胃口越来越高，提速成了USB标准的必由之路， 2000年4月出台的USB 2.0标准没有让人失望，其传输速率达到了480Mbps，是USB 1.1的40倍，该传输标准一直沿用至今，成为最“长寿”的USB标准。

8年之后（2008年11月），USB迎来了3.0时代，USB3.0最大传输速率一跃达到5.0Gbps，同时支持全双工数据传输，且将电力传输能力从USB 2.0之前的5V/500mA提升到5V/900mA，算是一次全面的升级。紧接着2013年7月发布的USB 3.1，进一步将传输速度提升到了10Gbps，同时最高供电功率提升到100W（20V/5A）。值得一提的是，随着USB 3.0/3.1一同升级的，还有全新的USB Type-C接口规范以及升级后的USB-PD电力传输规范，几方合力作用，促成了当前USB接口“一统天下”的大势。

2017年9月USB 3.2发布，虽不是一个大版本更新，但是其充分利用了（且只支持）USB Type-C的特性，支持双10Gbps通道（x2）总计20Gbps传输数据。这样的设计思路，实际上也成为后续USB4的前奏。

图：USB 3.2中引入的双通道（x2）数据传输方法为USB4奠定了基础（图源：安森美半导体）

USB4的新变化

“提速”仍然是USB4的主旋律。在设计思路上，USB4在继续沿用USB 3.2验证过的基于USB Type-C双通道（x2）数据传输架构的基础上，在基础协议上放弃了USB规范而采用了由Intel免费提供给USB-IF的、更高速的Thunderbolt 3（雷电3）规范，此举使得USB4的传输性能翻番，达到了和雷电3比肩的40Gbps！

不过在速度提升的背后，另一层深意就是：从此USB规范和“雷电”标准合体了。“雷电”本是Intel和苹果共同研发的传输标准，由于高额的专利费用，阻碍了其大规模的应用。而Intel免费向USB4开放雷电3，直接的影响是USB4增加了兼容雷电3设备的新特性，而实际上这也是双方生态系统的一次融合，长期看会形成一个双赢的局面。

除了“快”，USB4还有一个很有新意的设计，就是真正实现了“一口多用”。通过隧道（tunneling）协议，USB4可以同时支持数据、视频等多种信息的传输，且可以动态地分配带宽资源，比如40Gbps的总带宽中如果传输1080p的视频需要占用20%的带宽，那么其余的80%的带宽同时可以用来进行数据传输。类似的带宽资源分配，虽然通过USB Type-C中的DisplayPort Alt模式也可以实现，但带宽分割的比例是50:50固定的，无法动态地充分利用带宽资源。这个特性无疑会令USB4的应用更趋多元化，加速USB一统接口江湖的进程。

在其他方面，由于USB4仅支持USB Type-C这一种物理接口规格，这对于USB Type-C的市场渗透和应用升级会起到一个推动作用。此外，兼容性方面USB4宣布向后兼容USB 3和USB 2规格，所以可以支持目前市场上绝大多数USB设备。可见，USB4整体的构架还是很缜密的。

趋势与影响

当然，随着USB4的发布，相关的用户也要开始未雨绸缪，着手做准备了。从中短期看，大家的着力点和关注点会聚焦在以下几个方面：

如此高的传输速率，会给相应的电路设计带来挑战，很多在中低频下无需操心的设计要素（如信号完整性）都可能成为新问题。这需要开发者修炼一些新的技能。
更高的传输速率，也会对连接器和线缆提出更高的要求，相应的产品选型需提早准备。
USB4的出现，也会对USB Type-C和USB-PD等相关规范产生影响，需要相应地升级。考虑到标准演进中的变化，选择一些固件可升级的可编程控制器，应该是一个必要的考量。