复杂的 USB4 新标准

USB4™ 是 USB 开发者论坛 （USB-IF） 制定的一种新的连接标准。USB4 支持多种高速接口协议，包括 USB4、DisplayPort、PCI Express 和 Thunderbolt 3，可通过单根 USB Type-C 电缆高效地传输数据并同时传递电源和高分辨率视频。USB4 实现高达 40Gbps 的速度，是USB 3.2 Gen 2x2 标准的两倍。本文将给大家简要介绍复杂的 USB4 新标准，包括电缆和连接器，以及片上系统 （SoC） 构建块。

USB4定义全新电缆

USB4 可以使用与 USB 3.2 相同的无源 Type-C 到 Type-C 电缆，但是电缆长度可能不同。USB 3.2 在最长 2 米的电缆上可以保持 5 Gbps 的超高速，同样的电缆USB4 可达到 20 Gbps 的速度。USB 3.2在最长 1 米的电缆上可达到10 Gbps - 20 Gbps 的超高速，同样的电缆USB4 可达到 20 Gbps 的速度，而在0.8 米长的电缆上， USB4 传输速度可达到40 Gbps。因此，我们预计使用 USB 3.2 的 1 米电缆将被淘汰，取而代之的是使用新的 USB4 标准的 0.8 米电缆。除 DisplayPort 切换模式外，这些 0.8 米的电缆还适用于 USB 3.2 和 USB4。

当USB4 40 Gbps 的电缆长度大于 0.8 米，USB4 20 Gbps 的电缆长度大于 2 米时，需要使用有源电缆。有源电缆的设计很复杂。

USB4有哪些规范？

USB4 规范描述了不同 USB4 产品类型的特性和功能。USB4 双总线系统架构，其中 USB 2.0（用于向后兼容）与 USB4 分开布线。USB 主机“下游端口”连接到 USB4 集线器、USB 扩展坞（图 1 中未显示）和 USB4 设备“上游端口”。其他 USB4 集线器、USB4 扩展坞和/或 USB4 设备的连接就像 USB 2.0 和 USB 3.2 规范中已知的标准 USB 拓扑和设备树一样。

USB4为什么需要构建块？

USB4 主机、集线器、扩展坞和设备的描述表明，设计 USB4 产品需要许多不同的构建块。新思科技提供设计 USB4 产品所需的各种 DesignWare® IP。

USB4 PHY 能用在哪里？

DesignWare USB4 PHY IP 可在 USB4 主机、USB4 集线器下游端口 （DFP）、USB4 扩展坞 DFP 和某些 USB4 设备应用的高级工艺节点中使用。新思科技 USB4 PHY 可以通过定制 Type-C 辅助 （TCA） 数字cross-bar切换功能，以实现主机应用的通道多路复用。数字交叉开关确保最佳的信号质量，这对于保证 10 Gbps 和 20 Gbps 的数据速率至关重要。新思科技还在为某些 USB4 设备应用提供合适的低成本工艺节点的 USB4 PHY。USB4 主机、集线器和扩展坞上用于 DFP 的 USB4 PHY 必须以多种模式运行：USB4、Thunderbolt3、USB 3.x 和 DisplayPort TX 切换模式。

如何在USB4 PHY 中使用 DisplayPort 2.0？

DisplayPort 2.0 流量不会通过 USB4 或 Thunderbolt 进行隧道传输，因为 USB4 规范仅定义了 DisplayPort 1.4a 隧道传输。新思科技USB4 PHY 支持 DisplayPort 1.4 TX 切换模式，可以根据新发布的 DisplayPort 2.0 切换模式规范进行定制以支持 DisplayPort 2.0 TX。当通过定制支持 DisplayPort 2.0 TX 后，新思科技的 USB4 PHY 支持 UHBR10、UHBR13.5 和 UHBR20 数据速率。UHBR20 的四个通道可提供 80 Gbps 的原始数据速率，能够支持 8K甚至 16k 显示器和电视、高刷新率游戏、高级 AR/VR 和其他高级显示应用。

USB4 设备路由器如何用于Al加速？

新思科技提供 DesignWare® USB4 设备路由器 IP，该 IP 最初面向的是边缘和大容量存储应用的人工智能（AI）加速器。每个 AI 加速器如何与关联的本地计算和存储器一起运行，取决于具体实际情况，但是图 3 展示了一个可能的示例。在 USB4 模式下，这个 AI 加速器使用 USB4 连接到带有隧道 PCIe 的 PCIe 4.0 嵌入式端点。这种模式使 AI 加速器可以利用连接到主机系统存储器的低延迟直接存储器访问 （DMA） 连接。在 USB 3.x 模式下，该 AI 加速器使用旧版 USB 流（同步）或大量流量连接到 USB 主机。支持 PCIe 4.0 的定制 USB4 PHY。集成定制的 USB4 PHY 时，可以将 AI 加速器安装在嵌入式主机中的 PCB 上，或安装在 PCIe 扩展卡上。

如何使用额外的USB4构建块完成 SoC 设计？

除了 DesignWare USB4 PHY IP 和 USB4 设备路由器外，新思科技还提供 xHCI 增强型超高速控制器 IP，可用于 USB4 主机、USB4 集线器和 USB4 扩展坞产品。此外，新思科技还提供用于 USB4 扩展坞和 USB4 设备产品的 USB 2.0 和 USB 3.2 设备控制器 IP，以及用于 USB4 扩展坞和 USB4 设备产品中的旧版 USB 端口的 USB 2.0 和 USB 3.2 PHY IP。对于显示应用，新思科技通过使用新思科技HDCP 2.3嵌入式安全模块提供支持高清内容保护（HDCP）的DisplayPort 1.4 TX（源）控制器IP 。这种 IP 组合可用于 USB4 主机、USB4 扩展坞和 USB4 设备产品。

新思科技还提供 DesignWare USB/DisplayPort 1.4 PHY IP，可与 USB4 扩展坞和 USB4 设备产品使用的旧版 DisplayPort 连接器一起使用。设计人员如果想要推出与众不同的 USB4 扩展坞设计，可以将新思科技HDMI 控制器和 PHY IP 与适合旧版 HDMI 端口的 HDCP 2.3 ESM 安全 IP 一起集成到 USB4 扩展坞或 USB4 设备上。新思科技DesignWare 用于 USB4 主机的 PCIe 控制器（PCIe 根复合体）IP，用于 USB4 集线器、USB4 扩展坞和复杂 USB4 设备的 PCIe 交换机，以及 PCIe 设备控制器（PCIe 嵌入式端点），均可用于 USB4 扩展坞和 USB4 设备产品。

总结

用户需求促使 USB4 变得日益复杂，消费者希望 USB4 产品能够同时支持 USB、Thunderbolt 和 DisplayPort 操作模式以及现有产品。根据现有规范精心设计的 USB4 产品也会支持未来的产品，但是目前还不能确定 2019 年发布的 USB4 规范是不是最终版、是否会出现 USB4 发展放缓，和/或设计人员将来是否必须面对 USB5等问题。无论如何，满足用户“USB 正好合适的”的期望的 USB4 产品设计将会令 USB4 取得成功。

作为 USB 技术和标准的主要贡献者，新思科技为几乎所有已发布的 USB 标准提出了意见。作为世界上最受欢迎和使用最广泛的 USB IP 供应商，新思科技的产品符合从 USB 1.1 到 USB4 的所有标准。