接口的終極　淺析快似“雷電”的新一代USB

雷電接口的前世

雷電（Thunderbolt，在蘋果設備上又稱為雷靂）接口最早誕生于2009年，是英特爾倡導的一種高速I/O接口，只是當年它長期處于實驗室狀態，直到2011年才以Mini DisplayPort（下文簡稱為miniDP）接口的形態集成在蘋果旗下的Mac設備中。

雷電的本質

沒錯，雷電在本質上只是一種技術協議，它需要“寄生”在某個具體的接口標準上，而miniDP就是它的第一個“宿主”（圖1）。2015年，隨著USBType-C接口標準的出現，它很快就被最新的雷電3技術盯上，至今網上也仍在流傳“雷電3一定是USB Type-C，但USB Type-C卻不一定支持雷電3”的科普內容。

和傳統的USB接口相比，雷電技術最大的特色就是更快。比如第一代雷電就擁有10Gbps的傳輸速率，而且最多可以串聯4部設備，和它相比同期的USB3.0（5Gbps）簡直“弱爆”了。2013年，USB-IF（USB推廣組織）發布USB3.1技術規范，好不容易才將理論傳輸速率提升到10Gbps，英特爾卻已攜手蘋果推出了雷電2，依舊是采用miniDP接口形態，但傳輸速率卻實現了翻倍，20Gbps再度讓傳統的USB“羨慕嫉妒恨”。

2015年誕生的雷電3，哪怕用今天的眼光來看也是一眾I/O接口中的“皇帝”，它擁有高達40Gbps的傳輸速率，而且這還是在全雙工狀態下的，如果是單向傳輸，其理論速度最高可達80Gbps，與2019年才剛剛定下標準的DisplayPort 2.0（DP 2.0）標準相當。此外，雷電3還兼容你所熟悉的各種多媒體傳輸協議，可以擴展出幾乎所有接口，甚至還能用于接駁外置顯卡，讓1kg重的輕薄本也能通過桌面版RTX 2080顯卡玩上最新的3A游戲大作（圖2）。

雷電的融合

雷電與USB之間的戰爭終于在2019年迎來曙光，當年3月初，英特爾將雷電技術協議開放給了USB推廣組織，USB—lF隨后便發布了USB4，它在底層就實現了雷電和USB協議的融合，增強基于USB Type-C接口的產品之間的兼容性（圖3）。

可惜，直到今天就連USB3.2標準還沒普及，USB4更是成為了傳說中的存在。就在這個大背景下，英特爾第十一代酷睿Tiger Lake平臺將帶來全新的“雷電4”，而USB-IF的代表在CES 2020上也確認了雷電4其實就是英特爾“全功能USB4”的品牌名稱。在正式介紹這一全新接口之前，我們還需回顧一下當前最熱門的雷電3接口的生存現狀。

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如果你想了解USB接口的各種標準以及發展史，請參考本刊2019年第9期《混亂伊始 搶先認識未來的USB接口》這篇文章。

雷電接口的今生

我們都知道雷電3是眾多接口中的“皇帝”，無論是實用性還是用于宣傳上的噱頭都是一等一的存在。但是，縱觀移動和桌面領域，只有極少數高端筆記本和設計師主板才有所涉獵，絕大多數筆記本身上的USB Type-C別說支持雷電3了，就連傳輸速率還停留在USB3.1Gen1（5Gbps）的水平上（圖4）。

那么，是什么原因導致了雷電3難以普及呢？

雷電的荊棘之路

在過去，一款筆記本要想支持雷電3，需要購買并安裝額外的雷電3控制器芯片，而且英特爾也需要收取不菲的授權費用。這些額外的開銷對本就昂貴的蘋果MacBook來說根本不算啥（圖5），但對講究“薄利多銷”的Windows筆記本而言就是難以承受之重了。

此外，雷電3想要獲得40Gbps的滿速性能，需要占用4個滿速的PCI-E 3.0通道（即PCI-E 3.0×4）。問題來了，在第八代酷睿（移動版）以前，整套平臺的PCI-E 3.0通道只有16條，在搭配高性能獨顯和高速PCI-E 3.0×4 M.2 SSD硬盤之后，如果再加上雷電3可能就會引起“搶帶寬”的問題了。

在現實中，很多支持雷電3的筆記本只為該接口準備了2個PCI-E 3.0通道（即PCI-E3.0×2），在業內又稱為“半速雷電3”，其理論傳輸速率只有20Gbps，雖然功能不受影響，但在連接外置顯卡時的性能耗損卻較為明顯。因此，在無數發燒玩家眼中，只有滿速的雷電3才是真正的雷電3。

到了2019年，這些問題“貌似”得到有效的解決。

想當然的原生機制

正如前文所述，2019年英特爾開放了雷電3的授權，相關的授權費用被變相減免了。此外，傳說第十代酷睿處理器平臺全部“原生支持”雷電3，以Ice Lake為代表的平臺還將PCI-E 3.0通道數增加到了32條，從種種跡象來看，如果新品不配雷電3都沒有天理了！

我們都知道，第十代酷睿包含10nm Ice Lake（輕薄本）和14nm Comet Lake（輕薄本和游戲本）兩大平臺。從底層架構來說，Ice Lake將雷電3控制器整合進了CPU內核中，而且原生就支持4個雷電3（圖6），其PCI-E 3.0通道數量高達32條。雖然這些通道中有16條（4×4）是僅供雷電3專屬使用，但卻再也不會占用CPU提供的PCI-E總線數量或者與PCH一起搶奪原本就已擁擠不堪的總線資源。

來自英特爾官網的價格和參數信息

但是，你以為Ice Lake“原生支持”雷電3，搭載這一平臺處理器的筆記本就一定能標配雷電3接口嗎？

答案自然是你想多了，現階段雷電3接口需要支持USB PD協議充電，這就需要額外的PD電源管理芯片。此外，像Ice Lake的這種設計也意味著雷電3接口與（集成控制器的）CPU之間距離較遠，存在一定的信號衰減問題。為此，Ice Lake平臺筆記本想要支持滿血的雷電3，還需要搭配名為JHL8040R Retimer的信號增強器（圖7），雖然一顆Retimer芯片就能直連2個滿速（40Gbps）的雷電3接口，但它畢竟也是需要2.4美元的（圖8），而且背后還存在為PCB主板的優化布局等研發費用。

再來看看Comet Lake平臺，它在底層架構上和英特爾早期平臺沒有什么差異，雷電3功能依舊被掛在了PCH（傳統意義上的北橋）芯片組中（圖9）。換句話說，搭載CometLake平臺的筆記本，想支持雷電3還是需要搭配額外的雷電3控制器芯片，并不是傳說中的“原生支持”，不僅成本更高，還存在與其他設備搶PCI-E 3.0通道和擠占DMI3.0總線資源的問題。

如果說Ice Lake平臺的雷電3功能是以“CPU（集成雷電主控）→Retimer→接口”路徑實現，那Comet Lake平臺就是“CPU→DMI→PCH→雷電主控→接口”，步驟更多，成本、性能和功耗損失也就更大。

現在，大家知道為什么那怕是Ice Lake平臺的第十代酷睿筆記本，能配備雷電3接口的產品也少之又少了吧？

雷電接口的未來

有消息稱第十一代酷睿Tiger Lake平臺的發布時間會被英特爾從8、9月份提前到6月份，而該平臺還會采用優化的10nm+工藝、全新的CPU和GPU微架構而備受期待。那么，Tiger Lake所支持的雷電4又有了哪些改變（圖10）？

變與不變的雷電4

從已有的消息來看，USB4存在20Gbps傳輸速率的“半速版”，用來取代現有的USB3.2Gen2×2標準（圖11）。而雷電4，則可視為“全功能USB4'，不僅需要擁有40Gbps的滿速，還需同時兼容USB PD充電和原雷電3的全部功能。沒錯，你可以用滿速四通道的雷電3的“馬甲”來看待雷電4。

需要注意的是，我們現在也不能排除英特爾會對雷電4進行升級優化。Tiger Lake平臺支持PCI-E 4.0，理論上只需一半的PCI-E通道數量就能獲得和雷電3等同的帶寬。此外，雷電3的40Gbps用于數據傳輸和視頻傳輸的帶寬分別約為22Gbps和18Gbps，如果雷電4能增加智能帶寬分配的功能就更完美了，比如視頻傳輸的帶寬在閑置時動態分給數據傳輸，外接顯卡時無疑可以進一步減少性能耗損。

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如果你想了解全功能USB Type-C和雷電3能擴展出哪些外設，請參考本刊2020年第10期《接口底蘊很重要筆記本擴展塢別亂買》這篇文章。

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普及還待成熟生態

隨著第十代酷睿平臺的普及，特別是以Ice Lake平臺（以及未來的Tiger Lake）為主的輕薄本，增加雷電3（以及未來的雷電4）功能的成本其實已經不算太高了，完全可以成為4000元～5000元價位的主流產品的標配。真正阻礙雷電功能普及的因素，其實還是缺少殺手級的應用環境。

比如，現在全功能USB Type-C（支持USB PD充電和PD視頻輸出）就足夠滿足絕大多數用戶的使用需求了，為何還要再多花錢配雷電37很多玩家特別在意的外置顯卡擴展塢雖然算是雷電3的專屬賣點，但相關擴展塢的價格非常昂貴，它與筆記本之間也存在各種兼容性問題，在體驗上并不完美。

對筆記本廠商來說，雷電3成本較高，在應用范圍不大時沒必要強行列裝;對軟件和外設廠商來說，雷電3的普及度不高，沒必要為它開發更多的產品和功能。最終，就是我們面臨的現狀：雷電3太貴，而且沒啥用。那么，Tiger Lake平臺和最新的雷電4技術能否終結這種死循環呢？讓我們拭目以待吧。