详解USB4技术的主要优点

自从USB4出来以后，我们就一直发布很多文章和链接来分享相关的资讯，但是实在热度太高，到哪里都是问USB4市场如何。从早期的USB 1.0时代、数据传输1.5Mbps的接口开始，USB经历了多个世代。出现了USB 1.0、USB 2.0、USB 3.0等多个规格，接口外形和设计方案也出现了USB Type-A、USB Type-B以及现在比较最常见的USB Type-C等，USB4不仅传输速度更快，兼容性也更好（支持向后兼容即兼容更低版本），它可以更高效地连接几乎所有设备并为其充电。如果你的手机、电脑、显示器、打印机等设备都支持USB4，那么理论上你只需要一根支持USB4的数据线，就可以在设备之间进行连接，居家办公也会因此方便很多，再也不需要买各种接口的转换线了，因此USB4可以让我们的工作模式更加丰富和便捷。此外，USB4的另一个厉害之处还在于它有望应用于支持人工智能计算的边缘设备中。

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USB4 v.s. USB3.2

USB 3.2是USB-IF组织新发布的标准，其实早在2017年的9月份就已经推出，单纯从技术角度来看，USB 3.2是对USB 3.1的改进和补充，核心变化就是数据传输速度提升到20Gbps，接口则沿用了USB 3.1时代起就确定的Type-C方案，不再支持Type-A和Type-B两种接口。USB4和USB3.2使用的都是Type-C接口，但USB4却要复杂得多。USB4支持通过同一个Type-C接口，在同一个链路上，同时进行主机至主机、PCI Express （PCIe）、DisplayPort音频/视频和USB数据的传输。两个USB4主机可通过主机至主机隧道传输交换IP数据包；DisplayPort和USB隧道传输意味着音频、视频、数据和电源可通过同一个接口传送，速度比使用USB3.2时快很多。此外，PCIe隧道传输可提供高带宽、低延迟，能够实现高吞吐量的大容量存储、边缘人工智能和其他多种用例。

USB4将两个传输和接收通道整合为一个USB-C接口，速率可达20Gbps和40 Gbps，每个通道数据速率可达约10Gbps或 20Gbps。对芯片开发者来说，这一数据非常重要，他们需要知道：Thunderbolt3模式在每个传输和接收通道上的数据速率为10.3125 Gbps或20.625Gbps。在传统USB模式中，只有一个传输/接收通道在5 Gbps（USB3.0）或 10 Gbps（USB3.1）的速率下运行，USB3.2的两个通道都在10 Gbps的速率下运行.

在耐用度方面，Type-C接口的受力部件主要是外部金属壳，强度更高且更不容易损坏，中央的数据通道被弧形外壳保护，很难受到破坏，设计要求显示，USB Type-C能够维持10000次以上的插拔不会损坏，按照一天插拔3次来计算的话，USB Type-C插接口至少能使用10年时间.

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加速部署USB4

在USB 3.2正式协议公布之后，USB组织又在很短的时间内预告了有关USB 4规格的内容，和之前USB 3.2等标准基于USB自家协议不同的是，USB 4在基础协议上不再采用USB规范，转而采用英特尔彻底公开的雷电3规范，这也是USB数十年发展中最大的一次改变。当使用 Type-C 连接器连接的时候， USB4 的功能 取代 USB 3.2 ，并保持 USB 2.0 同时运行,USB 3.2 Enhanced SuperSpeed 仍然是 USB4 物理线路上 "USB 数据" 传输的基础架构,USB4 和 USB 3.2 最大的区别在于 USB4 是面向连接的，USB4 设计了隧道（tunneling）以便将多种协议的数据在单一物理接口上联合传输，这样一来 USB4 的速度和能力能被动态的共享,USB4 能在数据传输的同时，支持其他显示协议，或者主机到主机的通信,此外，USB4 还在相同的双路双单工（dual-lane, dual-simplex）架构上，将通信速度从 USB 3.2 的 20 Gbps (Gen2x2) 提高到了40Gbps(Gen3x2).

USB4 除了实现高速USB(基于USB3)之外，还基于DisplayPort定义了显示隧道，基于PCIe定义了load/store 隧道.

USB 速度方面：USB4 主机必须支持 20Gbps ，并可选支持 40Gbps，虽然它可以达到高达40 Gbps的理论速度，但并非所有USB设备或主机都支持该标准。Saunders说将有三种速度：10 Gbps，20 Gbps和40 Gbps。期望更小，更便宜的设备（如手机和Chromebook）使用较低速度之一，当你购买笔记本电脑时，如果你希望获得最快的USB 4连接，则需要确保查看规格.

显示方面：USB4 的显示隧道协议基于DisplayPort 1.4a， DP 1.4a 本身是支持 8k 60Hz 或者 4k 120 Hz的，USB4 主机要在所有下行端口支持 DisplayPort ，如果您使用USB 4端口同时传输视频和数据，端口将相应地分配带宽，因此，如果视频仅需要20％的带宽来驱动您的1080p显示器（也是一个集线器），那么另外80％的视频将可以从外部SSD传输文件.

PCIe隧道方面: USB4 主机对 PCIe 的支持是可选的。USB4 Hub 应当支持 PCIe 隧道，内部应当事先 PCIe Switch.

USB 4规范的一个重要部分是能够动态调整通过同一连接发送视频和数据时可用的资源量。因此，假设你拥有最大40 Gbps的USB 4，并且在从外部SSD复制大量文件时输出到4K显示器。假设规定视频源需要大约12.5 Gbps，在这种情况下，USB 4会将剩余的27.5 Mbps分配给备份驱动器。

USB-C引入了“替代模式”，即从Type-C端口传输DisplayPort / HDMI视频的能力，但目前的3.x规范并没有提供分割资源的好方法，根据Saunders的说法，DisplayPort alt模式可以将USB数据和视频数据之间的带宽精确地分成50/50，而HDMI alt模式根本不允许同时使用USB数据.

USB4 定义了 40Gbps 的标准，能动态共享带宽使得单根数据线可以实现多种功能。 有了 USB4 之后，可以在一根线上同时传输 PCIe 和显示数据，外加传统 USB 功能，还能供电（由 USB PD 提供）非常方便。今后大部分的外设，无论是高速网络，外接显卡，高清显示器，大容量高速存储设备，甚至一台机器和另一台机器，都能通过 一个Type-C 接口互联。而且如果这些设备实现了USB4 Hub，你还可以从 这些设备串联或者分支连接更多的设备，简直是非常方便.

USB4主要优点

与以前的USB版本相比，USB 4标准有三个主要优点.

40 Gbps最大速度：

通过使用双通道电缆，某些设备将能够以高达40 Gbps的速度运行，速度与Thunderbolt 3相同.

与Thunderbolt 3设备兼容：

部分（但不一定是所有）USB 4实施也适用于Thunderbolt 3设备。

更好的视频资源分配：

如果您使用USB 4端口同时传输视频和数据，端口将相应地分配带宽。因此，如果视频仅需要20％的带宽来驱动您的1080p显示器（也是一个集线器），那么另外80％的视频将可以从外部SSD传输文件。

将使用Type-C端口

USB4只能在Type-C连接器上运行。不要指望看到带有老式Type-A端口的USB 4设备或集线器。因为其他最近的标准，如USB Power Delivery仅适用于Type-C,例如，如果使用适配器连接到Type-A 3.1端口，速度和功率将下降到最小公分母。

所有USB4主机均支持USB PD

目前一些USB Type-C设备支持USB供电（USB PD）标准，用于向高功率设备供电，但并非所有设备都可以。每个USB 4设备和主机都必须符合USB PD，这样可以实现更高的功率和更好的电源管理。

USB PD理论上可以提供高达100瓦的功率，但充电设备不必支持这么大的功率。因此，无法保证给定的USB 4端口能够提供或占用特定笔记本所需的数量。

向后兼容较旧的设备

所有USB产品的最佳之处在于它们如何协同工作。USB 4可与USB 3和USB 2设备和端口配合使用。但是你只能获得连接中最薄弱环节的速度和能力。当将USB 4设备挂接到USB 3.2端口时，USB 4设备将无法以40 Gbps的速度传输，而旧式USB 2端口不会因为将其连接到全新的USB 4备份驱动器而突然变得更快。

制造成本比USB 3.2更高

大规模采用的另一个障碍是增加了USB 4的成本,虽然不知道PC和设备供应商增加USB 4连接的确切成本，但已知的是它需要比最新的当前标准更昂贵的组件，USB 3.2

为什么USB 4被正式拼写为“USB4”

与其他所有版本的USB不同，新规范在版本号之前正式拼写，没有空格。虽然我们认为大多数人可能会把它写成USB 4，但官方名称是USB4,USB Promoter Group首席执行官布拉德·桑德斯（Brad Saunders）解释说，他在删除空间方面的目标是将重点放在版本号和品牌名称上,USB 3.x规格已经填充了不同的版本号，包括USB 3.0，USB 3.1 Gen 1，USB 3.1 Gen 2和四个不同版本的USB 3.2，此外还有USB PD等可选功能的存在与否备用模式。但桑德斯说，这些数字真的适合开发人员，他希望原始设备制造商在营销他们的产品时会使用更简单的术语，如“SuperSpeed USB”.

也许是因为他担心营销人员向消费者投入太多数字，Saunders表示该组织不打算使用版本号进行规格更新。因此，即使两年内迭代速度更快，它仍然可能被称为USB 4，但速度数字在其之后（比如USB4 2.0 &80 Gbps）。他和他的团队还没有决定品牌战略，所以USB 4可能还有营销名称。就像USB 3.x被称为“SuperSpeed USB”一样，USB 4最终可能会有自己的名字.

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USB4加速来了

近几年，远程学习和办公的频率大幅增加，也推动了这几项数据的增长。而更加顺畅的上网课和居家办公需要更快的数据网络和更高的设备接口速度，USB4的诞生恰逢其时，满足了新的学习和工作模式对于数据和接口速度的需求。无论是现实应用的升级还是工作学习模式的转换，都需要芯片加持。在芯片设计中将接口规范升级为USB4，并确保所有系统组件能够协同工作。总的来看，USB 3.2和USB 4的开始商用，大大推进了这一在我们生活中应用广泛的高速接口的发展，使得数据的转移和复制更为方便，可以预见的是，在USB4成为主流接口的时候，“一接口走天下”的时代已经到来，显示器也只需要一根线就能完成电能和信号传输，这将大大方便人们的生活；USB4加速来了！

审核编辑：汤梓红