通用串行總線（Universal Serial Bus，簡稱USB）可能是這個世界上最通用的接口之一。它最初是由英特爾與微軟倡導發(fā)起，最大的特點是盡可能實現(xiàn)熱插拔和即插即用。USB接口自1994年推出以來，經(jīng)過26年的發(fā)展，經(jīng)過USB 1.0/1.1、USB2.0、USB 3.x，最終發(fā)展到了現(xiàn)在的USB4；傳輸速率也從最開始的1.5Mbps，大幅提高到了最新的40Gbps。

圖1：USB不同版本的標志、傳輸速率和理論速度。（圖片來源：維基百科）

Type-C乘風破浪，發(fā)展迅速

不僅版本和傳輸速率經(jīng)歷了很多的變化，其接頭也經(jīng)歷了多種變化，從Type-A、Type-A SuperSpeed、Type-B、Micro-B、到Type-C，這其中有經(jīng)典的接頭，也有不太友好，最終被市場棄用的接頭。

圖2：USB接頭與其可支持的USB版本。（圖片來源：維基百科）

這其中USB Type-C是在2013年底公布，2014年開始有量產(chǎn)產(chǎn)品推出，經(jīng)過多年的發(fā)展，如今已經(jīng)成為了主流的USB接口。

目前不僅新推出的智能手機基本上都支持Type-C接頭了，還有筆記本電腦、數(shù)碼相機、智能音箱、移動電源等等設(shè)備也都開始采用Type-C規(guī)格的USB接口了。比如蘋果已經(jīng)完全將旗下的MacBook筆記本電腦改為了純USB Type-C接口來讓用戶傳輸數(shù)據(jù)或充電。更有市場傳言，蘋果將會在未來的iPhone上也采用USB Type-C接口。

而USB-IF在2019年9月3日發(fā)布的USB4標準更是宣布，將只支持Type-C接。

為何開始那么多的接頭，最終都歸結(jié)為Type-C呢？這與它幾乎解決了過去USB接頭的所有缺陷密切相關(guān)，比如它無需區(qū)分正反、最高可以支持5A大電流，在USB4標準支持下，最高可傳輸速率可達40Gbps。

據(jù)了解，目前一些北美和臺灣知名IC設(shè)計企業(yè)都已經(jīng)開始了USB4芯片的研發(fā)工作。預計今年年底就會有采用USB4標準的Type-C產(chǎn)品面市。

USB4產(chǎn)品好設(shè)計嗎？

前面有提到USB-IF在2019年9月的時候正式推出了USB4規(guī)范。該新規(guī)范有哪些變革呢？

新的USB4最大的改變是引入了英特爾此前捐獻給USB-IF的Thunderbolt雷電協(xié)議規(guī)范，通過雙鏈路運行，傳輸帶寬又翻了一番，達到了40Gbps，而且可通過隧道（Tunnelling）傳輸技術(shù)支持多種數(shù)據(jù)和顯示協(xié)議，例如PCI Express和DisplayPort。此外，USB4在引入新的底層協(xié)議的同時，仍然保持了良好的兼容性，可向下兼容USB3.2/3.1/3.0/2.0，以及雷電3。

也正是如此，USB4成為了迄今為止最為復雜的USB標準，從而要求設(shè)計者必須要了解USB4、USB3.2、USB2.0、USB Type-C和USB Power Delivery技術(shù)規(guī)范。此外，設(shè)計者還必須了解PCI Express和DisplayPort規(guī)范，以及與USB4 DisplayPort模式 適配的高清內(nèi)容保護（HDCP）技術(shù)。

由此可見，要設(shè)計一款具有完整功能的USB4 Type-C產(chǎn)品并非易事。那有沒有簡便的方法呢？

完整的USB4 IP解決方案可縮短芯片開發(fā)時間

新思科技（Synopsys）在今年6月份推出的業(yè)界首款完整的DesignWare?USB4?IP解決方案就可以降低支持40Gbps USB規(guī)范的SoC開發(fā)風險，加快芯片上市時間。該解決方案由控制器（Controller）、路由器（Router）、PHY和驗證IP（Verification IP）組成。DesignWare? USB4 IP的最高傳輸速度為40 Gbps，是USB3.2的最高數(shù)據(jù)傳輸率的兩倍，并可向下兼容USB 3.x和USB2.0系統(tǒng)。DesignWare? USB4 IP支持多個高速接口協(xié)議，包括USB4、DisplayPort 1.4a TX、PCI Express和Thunderbolt 3，通過一根USB Type-C數(shù)據(jù)線即可實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸、高清視頻傳輸，以及強大的設(shè)備供電能力。

圖3：USB4雙總線系統(tǒng)架構(gòu)，其中USB 2.0（用于向后兼容）與USB4分別使用不同鏈路。（圖片來源：新思科技）

據(jù)了解，新思科技已經(jīng)在先進的5nm FinFET工藝中成功實現(xiàn)了其USB4 IP的測試芯片流片，證明了該IP在不同范圍工藝、電壓和溫度下的穩(wěn)定性。新思科技也計劃在7nm以及其他工藝節(jié)點上推出USB4 PHY IP。新的DesignWare? USB4 IP旨在滿足各種存儲、PC和平板電腦芯片設(shè)計的功能、電源、性能和尺寸要求，并可在邊緣設(shè)備上實現(xiàn)人工智能(AI)應用的軟件開發(fā)調(diào)試和輕松部署。

DesignWare? USB4路由器IP構(gòu)建了所有支持協(xié)議之間的有效連接，并與USB4控制器IP一起進行了數(shù)百萬個CPU模擬小時仿真的預先驗證，確保長期運行下的性能和互操作性。DesignWare? USB4 PHY IP支持所有所需協(xié)議，芯片占用面積約為獨立協(xié)議PHY的三分之一，并提供高效的電源管理能力。

新思科技的USB4驗證IP解決方案包括內(nèi)置覆蓋率、協(xié)議檢驗器、用于主機和設(shè)備路由器拓撲的Verdi協(xié)議感知調(diào)試技術(shù)，以及用于USB、PCI Express和DisplayPort隧道傳輸協(xié)議驗證的復雜源代碼測試套件，加快完成驗證收斂。

結(jié)語

USB4將多種協(xié)議都統(tǒng)一到Type-C接口，未來我們使用的筆記本電腦、手機、游戲機、相機和顯示器等設(shè)備都將采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)線纜，這將會給我們的生活帶來非常大的便利，以后再也無需去費勁地認識那么多復雜的接口，也不需要出門時帶上一大堆不同類型的線纜，一根線就解決了所有問題。而新思科技的USB4 IP方案，將會加速這個進程，讓一根Type-C線纜走天下的時代更快來臨。