殊途同歸？雷電vsUSB擴展塢的歸

OverLord

從USB說開去

USB標準的設立就是為了解決外接設備困擾問題的。早年，電腦分為串口、并口等連接方式，而且不同的設備使用的接口也不盡相同，如打印機接LPT、調制解調器接RS232、鼠標鍵盤更多使用PS/2等（圖2）?？梢宰龅健贝笠唤y“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等多家公司聯合研發制定的全新外部接口協議誕生了，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備的一種串口總線標準，也是一種輸入輸出接口的技術規范。1995年，初創協議標準的幾個公司成立了USB標準化組織USB-IF（USBImplementersForum），并于1995年正式推出了USB1.0規格。USB1.0規格的傳輸速率為1.5Mbps，最大輸出電流5V/500mA，可以支持的設備極為稀少，甚至主板廠商都不愿意將其設計在主板之上。到了1998年，USB-IF發布USB1.1規范，將USB的技術規格提升了一個檔次，最主要的變化就是傳輸速率躍升到了12Mbps，在當時可以稱之為”高速“了，不過供電沒有改變，依舊是5V/500mA的水準。

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

當然，USB規格如果就此裹足不前，也不會有后面的發展——同一時期，還有一個非常著名的IEEE1394接口與之競爭。

在2000年的時候，USB-IF推出了著名的USB2.0標準，傳輸速率達到了驚人的480Mbps，是USB1.1的40倍，最大輸出電流依舊為5V/500mA，時至今日，我們依舊在大量使用USB2.0的相關設備（例如無線鍵鼠的USB接收器），是USB接口規范里最長壽的一個標準。

USB2.0的紙面數據雖然非常出色，但面對IEEE1394還是差了一些。如IEEE1394A標準只有400Mbps的傳輸能力，但是因為它對CPU的占用更小，因此實際使用中的傳輸速度、傳輸穩定性是超過USB2.0的，也因此被重視速度與穩定性的視頻、專業領域大量采用，很多電腦不得不額外增加IEEE1394擴展卡（圖4）。IEEE1394接口規范的問題在于需要授權費用，而不是像USB接口規范那樣免費使用，所以最終還是更為開放、靈活且免費的USB贏了。

為了更好地區分USB的不同版本，USB-IF在2003年的時候作出了調整，將USB的幾個標準重新命名了：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分不同USB之間的差異，同時簡化稱謂。

時間轉眼來到了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，新版本的標準迫在眉睫，于是USB3.0，即USBSuperSpeed誕生了。USB3.0最大傳輸速率達到5.0Gbps，即640MB/s（理論值）（圖6），遠超USB2.0的480Mbps，而且一直沒有變化的供電也作出了設計修改，最大輸出電流5V/900mA，超過以往的5V/500mA。它向下兼容2.0，支持全雙工數據傳輸（即可以同時接收數據和發送數據，USB2.0是半雙工）。為了在接口規格不變的情況下實現更大的傳輸速率，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據的能力。

也是從這個時候開始，外部設備的數據傳輸需求也爆發式增長，很快USB3.0也出現了“性能瓶頸”，USB3.0發布后的5年，也就是2013年USB-IF更新USB接口規范至USB3.1，也被稱之為USBSuperSpeed+。USB3.1的最大特點是傳輸速度提升到了10Gbps的水準，同時供電規格也作出了巨大的修改，不再堅守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，這是為了應對更加龐雜的外部設備供電使用，而且需要芯片控制也增加了成本（圖8），但無疑也進一步拓寬了USB接口規范的應用范圍（圖9）。

USB3.1對比USB3.0的變化還是比較大的，可能也是因為這個原因，USB-IF又開始改名活動了。USB3.0被修改為USB3.1Gen1，USB3.1則改名為USB3.1Gen2。無論出于什么目的，這樣的修改其實并不合理，尤其是給消費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，例如產品只標注USB3.1，但是不提及究竟是Gen1還是Gen2（同樣的問題在HDMI2.1身上也出現了）。

接下來的發展，USB3.2于2017年誕生，不同于以往的是USB3.2在使用USBType-C接口時，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，顯然會給用戶造成更多的困擾，雖然初衷是為了簡化、方便識別。

在USB4來臨之前，亂的不止是標準名稱，接口也在不斷變化——因此我們不得不認真的“學習”USB的各種名稱，甚至是接口名稱。

USB Type A～C你認全了嗎？

在談及USB 4標準之前，我們還有必要先了解一件事情：USB接口的樣式。我們現在都熟知USB Type-C，殊不知最“常規傳統”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，即標準USB接口的意思。在此規范下，所有的USB設備都按照此標準設計生產。

Type-A主要作為數據和電源的下行端口，比如2.5英寸移動硬盤、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”形外觀設計（圖12），作用很“單純”，只傳輸數據，不提供供電能力，例如打印機、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，沒有任何區別，只不過它在外形上有所區別罷了。

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。他們僅僅是對應的將外觀尺寸進行修改，本質上的電氣特性毫無區別。其中，MiniUSB-A、Mini USB-B率先于USB 3.0時代之前就別淘汰，取代者就是Micro USB-A、MicroUSB-B（圖14）。而且，因為體積原因，它們也無法承載USB 3.0之后的9針針腳。

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

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

誠然，USB Type-C這種接口形式是在USB 3.1標準規范后推出的，也確實是以USB 3.1為依托設計的，但是USB Type-C≠USB 3.1！因為命名的混亂以及部分產品設計的需要，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議，但是絕不可以將其劃為等號。

還有一點，USB Type-C這種接口形式之所以會迅速成為主流，小巧固然是一個方面，更重要的是，它可以實現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接口個頭小巧，實際內部最高可以容納最多24個針腳（圖18），對于新協議的支持，冗余度足夠。

雷電來襲 殊途同歸？

筆者在前文中提及了一個與USB競爭的協議規范IEEE1394，它倒下的原因是專利授權費用更高，而不是技術不夠好。IEEE1394實際是是由蘋果、英特爾公司等開發的一種高速傳送接口，但是它在當時要收取1美元至2美元左右的專利費（每個接頭）！這樣高昂的專利授權費甚至連“同盟”的英特爾公司都難以接受。不過不可否認，這個在蘋果電腦上被稱作“FireWire”火線（圖19）的IEEE1394確實在技術規格上非常先進，只是失敗的商業政策導致其無力競爭。

但隨著時間的推移，蘋果、英特爾等公司依舊認為有必要設計一個高速的外部設備傳輸協議規范，最終的結果就是雷電！雷電接口即Thunderbolt，2011年由英特爾與蘋果聯合發布，它最大的特點是融合了PCI-E和DisplayPort兩種協議，它是當時僅有的可以支持同時高速傳輸數據、影音傳輸的接口，直白的講就是可以同時具備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，且只能作為數據傳輸使用。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（需要獨立的控制器）。也是在2013年，雷電第二代接口規范推出，帶寬達到了驚人的20Gbps，是同時期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備幾乎只限于蘋果的MacbookPro筆記本上（電腦產品上蘋果擁有一年的專利獨享權），在MiniDP接口處標有閃電箭頭的圖標才是雷電接口，除此之外僅僅是寥寥幾家主板廠商生產過具備雷電2接口的產品。根本的原因，其實還是在于專利墻，USB協議規規范免費，且性能不差，誰還會多花錢呢？

顯然，從第一代雷電到第二代雷電，都只不過擁有一個“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，第三代雷電協議規范推出，并且摒棄了MiniDP接口，轉而使用了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，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到了驚人的40Gbps，遠遠超過USB同時期的能力，達到了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協議）。不僅如此，它可以連接兩個4K分辨率、60Hz刷新率的顯示器或者一個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。更為獨特的是，由于它融合了PCI-E協議，雷電3支持外接顯卡塢站（圖23），這也是雷電和USB最大的區別。

阻礙它普及的一個重要原因是控制器，雷電1、雷電2時代，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，所以都需要一個獨立的控制器來實現對雷電的驅動控制。到了第十代移動端酷睿處理器時（10nm的Ice Lake構架處理器），直接在處理器內部集成了雷電3的控制器（圖24），這就進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的完善補充——它們的傳輸速率最高仍然是40Gbps，但進行了一定程度的優化，雷電3為DP視頻輸出預留了18Gbps的傳輸帶寬，數據傳輸帶寬則為22Gbps，在雷電4中，DP視頻輸出帶寬預留改為8Gbps，數據傳輸帶寬則提升到了32Gbps，這樣其他外接設備的連接速度（極速）會更快。

除了視頻信號、數據傳送外，雷電4還支持電力傳輸。規格上，雷電4最高支持20V/5A，也就是100W，協議兼容USB PD快速充電標準。筆記本可以方便地使用雷電4接口，連接擴展塢、顯示器、充電器、鼠標鍵盤、U盤等外設，享受一線通所有的便捷體驗。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，從雷電3開始，英特爾就想辦法在降低它的使用門檻，只是對比完全沒有專利制約的USB，雷電還是棋差一著，現在是時候作出改變了。

時間回到2019年，USB-IF發布了最新的USB規范USB4，這恐怕是USB有史以來最大的改變，而不是升級、再升級，因為USB4規范基于雷電3協議規范！是不是似曾相識？沒錯，雷電4也是基于雷電3的優化而生——并且，二者皆以USB Type-C形式出現，某種程度上講，雷電4和USB4是“有著一脈相承的血緣關系”。究其原因，就在于英特爾開放了雷電3的專利授權，它將成為免費的協議標準（雷電4依舊有專利授權問題）。

這也意味著，USB 4和USB 3.x有著本質的差異，它已經從USB走向了雷電（圖26）。這表現在它需要使用USB PD協議進行供電，同時擁有了USB以往一直不曾擁有的PCIe和DisplayPort兩種協議，這正是雷電的核心特質。這種架構定義了一種與多個終端設備類型動態共享單個高速鏈路的方法，該方法能夠最好地按類型和應用處理數據傳輸。

要注意，USB4只支持USB Type-C接口，傳統的USB Type-A、USB Type-B被排除在外，因為這些接口無法支持10Gbps及以上的傳輸速度。當然，USB4依舊向下兼容，包括USB 2.0、USB 3.x，這一點不需要擔心。USB4將分為兩種規格，第一種是20Gbps帶寬，第二種是40Gbps帶寬，它們的名稱可以標識為USB4 Gen2×2、USB4Gen3×2。其中，USB4 Gen3×2是全雙工工作狀態，即每個通道同時發送和接收數據。剛剛也談到了，USB4和之前USB版本的區別還有一點，就是供電，USB4設備在連接后，其供電機制產生了變化，首先要完成USB Power Delivery（PD供電協議）協商，它的每個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標準并不一樣。

顯然， USB經過多年的升級、改變，已經實現了和雷電的融合（圖27），可以說USB4是雷電3的衍生品，雷電4則是雷電3的升級版。得益于雷電天生的技術規格特性，USB4將實現更多元的應用方式——記住不僅僅是傳輸速度，在功能上USB4也將大幅度提升。尤其是當下移動端設備的外接擴展需求越發旺盛（超薄機身的代價），如何能夠為移動設備（筆記本電腦）提供更多元、更具效率的擴展方式，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。