USB 3.0蝴蝶效應

本文作者:admin       點擊: 2010-09-20 00:00
前言:
大搶錢! USB 3.0概念股沸騰,筆電、主機板、儀器測試廠、IC設計、週邊製造商都在喊燒,Renesas(NEC)主機晶片一家整碗捧過去,在USB 2.0喝香吃辣,在USB 3.0更是上一層樓,羨煞多少人。可是暮首回頭燈闌處,有股真聲音在喚醒您,您真的急著需要USB 3.0嗎?而真正的核心問題,卻是出在人性,沒有人嫌錢多;也沒有人不喜歡速度快的。懂得中庸之道的人,也許不存在於江湖。

詭異的棋局、弔詭的年代:

大欺小、強壓弱、有錢的欺負沒錢的,於是乎,『錢來也』是當今人人必修之顯學。競爭賽局熾熱,公司欲殘活,就必須有足夠的現金在背後撐腰。有技術沒現金的公司,只要經濟來個轉彎,就立即出局。不用想太遠,回首這兩三年,有深奧技術的UWB公司,不就是死的光光嗎?

CES 2010,USB 3.0很夯。筆電與主機板廠商力拱USB 3.0,炒作的狠兇;可是英特爾、微軟與超微這三尊者,似乎旗不動、風不動,心卻不知在動什麼?產品的藍圖(Roadmap)納入究竟在何時,一團霧煞煞。插拔大會似乎又大張旗鼓,可是到英特爾的網站一查再確認(http://www.intel.com/technology/usb/xhcispec.htm),xHCI規格怎麼始終還在草案(Draft)階段,市面上光是NEC的晶片出貨量,可能已經有好幾百萬顆了,這究竟在搞什麼鬼,是檯面下陰謀還是陽謀,還是另有隱情。

(編註: 為尊重智財權,原文圖表請見印刷版 )
<<< USB 3.0主機板、介面卡,NEC晶片處處漂香。為何是兩個埠呢?>>>

認真將NEC uPD720200來看個仔細兒,它規格上描述的相當清楚,此顆晶片係根據英特爾xHCI 0.95版本,請注意不是1.0版本喔。未來會不會存在著工程變更的風險呢,天知地知您不知我也不知。該晶片是架構在PCI Express x1,若是橫量到電源供給,頂多3個連接埠,而uPD720200支援兩個埠。
 
<<< uPD720200規格摘要。>>>

 
<<< uPD720200 內部方塊圖。>>>

再往前看,新的Mass Storage規範UASP(USB Attached SCSI Protocol),何時才會完備,OS作業系統何時納入,也是一團迷霧。目前較為明確訊息是,USB-IF於2010/2/10發布了UASP 1.0版。UASP的實踐需要主動控制器驅動程式與裝置雙方的支援。

 
<<< 微軟2009簡報之資訊。>>>

傳統的Mass Storage Class,說穿了,它僅是一種單緒(Single Thread)的資料交易方式,效率有它的先天限制,即使USB 3.0奮力一搏提高到5Gbps的境地,利用2.4 GHz Core Duo所試驗出來的結果也不過是250MB/sec的層次(CPU的使用率約12%)。 

那麼,UASP又是什麼來頭呢?這一點有點難說,過去隨身碟、外接硬碟等裝置所使用的「Mass Storage (Bulk Only Transfer) 」無法完全發揮USB 2.0的性能,更甭說USB 3.0了;而且,完全不符合SCSI架構;講白了就是無法實現USB 3.0規格中所定義的串流(Stream)傳輸模式,只好從既有的SCSI架構借東風,那就是ANSI T.10所定義規範的UAS。而UASP就由USB-IF DWG工作小組擔當重任來增補,UASP必須能夠擔負起UAS映射到USB 3.0與USB 2.0上的差異。

遠早的SCSI時代就能夠執行讀寫命令順序最佳化的處理,USB 3.0僅是利用吸星大法來發揮,能夠將多個讀寫命令同時送往單一的端點,這就是多緒的資料交易方式。這兩項法寶也就是舊版Mass Storage的缺陷。 

 
<<< ANSI T.10所規範的UAS。>>>
 
<<< USB-IF 旗下DWG工作小組。>>>

 
<<< USB 3.0的串流傳輸方式解說圖。>>>

 
<<< UAS的傳輸模型。>>>

至於UAS以及UASP協定的細節,另闢專文來探討。總之,採用UASP的主要目的當然就是拉高興能上的表現。

有兩項數據,無妨參考一下。請勿執著於數字,用參考的心態即可。
 
<<< UASP帶來的好處,取自SS USB開發者會議2009。>>>
 
<<< UASP帶來的好處,X-25-E SSD與WD Cavair Black硬碟。>>>

綜觀USB 3.0的主要應用標靶相當明確:

其一,TB等級的3.5吋外接式儲存媒介需要它,5Gbps的傳輸頻寬才能夠表現出它的極速檔案傳輸。當您複製藍光片的檔案時,滋味馬上出來。不過,並不會是您夢想中期望的10倍速。

 
<<< 外接TB等級硬碟,需要USB 3.0的才子佳人配。>>>

 
<<< Buffalo夠誠實,在包裝盒上已經清楚告知您能享受到約略實質倍速。>>>

執行基準測試(Benchmark)該是最基本的方法,然而,請勿著迷熱戀於測試上的數字,它僅是一項參考指標,指引出了大方向。基準測試程式相當多元,若是時間充裕許可的條件下,多跑一些程式,也不是壞處。不過,消費者實際應用環境上的感受才是真實。

 
<<< 3.5吋硬碟在USB 2.0與USB 3.0上的比較。6Gbps SATA Seagate硬碟。>>>

請略留心,若是外接2.5吋硬碟來比較USB 2.0與USB 3.0,USB 3.0性能的震撼度並不強烈;此乃非戰之罪,2.5吋硬碟的先天性能,畢竟有它的限界之處。若是,採用會成性能絕對優質SSD固態碟的話,如瀑布般的落差也許就更明顯化了。
 
<<< 2.5吋硬碟在USB 2.0與USB 3.0上的比較。5400rpm、3Gbps SATA三星硬碟>>>

此外,USB 3.0作為儲存用途中比較值得深思的地方,或許是隨身碟。隨身碟真的有需要升級到USB 3.0嗎?若是極高容量的產品,或許還有發揮的空間;但是真的容量要大還不如外接HDD或SDD。因此,對於隨身碟大姆哥之類的東西,真的需要USb 3.0嗎,持著保留的觀點。

超大容量隨身碟,比如說32GB以上的產品,相信該是專業級使用人口的小眾市場。
 
<<< USB 3.0隨身碟的存在性鬼魅。>>>

其二,因為頻寬夠,速度夠快,作為即時性視訊介面的活用看來又相當漂亮,即使就算走第二顯示的路線,也相當美好。

USB 3.0的實質傳送速度,用來載送非壓縮的Full HD視訊,也不費力;況且,在等時傳輸以及QoS(Quality of Service)的處理上,USB 3.0規格的策劃也用了心;意圖相當明顯,不放過視訊音頻方面的應用。說白了,就是USB 3.0在等時傳輸上,有充分的支援能力。而且在產品類別上,也追加了「Video display Class」,這就是證據。

只是,實體層上所規範的Micro B連接器,設計上的易用觀點真的不夠漂亮,使用上插拔的滑溜度,實在難與小HDMI端子匹敵;況且,「賣像」也實在不夠好。

平平是Micro B連接器,USB 2.0與USB 3.0可是迥然不同。
 
<<< USB 2.0的Micro B連接器。>>>

 
<<< USB 3.0的Micro B連接器。>>>

 
<<< HDMI與Mini HDMI(Type C)連接器。>>>
 
<<< Micro HDMI(Type C)連接器。>>>

若是要期待USB 3.0威脅到HDMI的至尊地位,肯定會是一場硬碰硬的肉搏戰。USB永遠的致勝武器就是免費(免權利金)、方便易用,不過若是加入內容保護機制來搞鬼,金錢利益問題便會浮出檯面,權利金怎麼來處理,怎麼支付、該付多少,必然是一場「野東西(Wild Thing)」的劇情;而且,很有可能採用魚雷的戰術,也就是潛水停式的突襲策略。這是USB 3.0玩HD視訊時的最大地雷區。


應用 資料速率 等待時間(latency)預期數值
未壓縮1080p A/V 3.0Gbps 2ms
未壓縮1080i A/V 1.5Gbps 2ms
未壓縮720p A/V 1.4Gbps 2ms
未壓縮480p A/V 0.5Gbps 2ms
未壓縮7.1聲道環繞音頻 40Mbps 2ms
壓縮1080p A/V 20~40Mbps 2ms
未壓縮5.1聲道環繞音頻 20Mbps 2ms
壓縮5.1聲道環繞音頻 1.5Mbps 2ms
檔案傳送 大於1Gbps N/A
<<< 各類視訊資料所需的頻寬。>>>

至於,採用USB的第二顯示,雖然市場規模隸屬於特殊用途利基市場,方案提供商相當少,幾乎是市場獨吃的局面。這個市場是靜靜地吃的商機。

 
 
<<< USB顯示。>>>

相同的思維能夠延伸到投影機或是筆電專用的擴充基座(Docking Station),投影機的影響也許比較微小,然而USB 3.0卻可以使得擴充基座的設計更富有彈性化,能不能衍生出怎樣的變化曲速球,倒是有趣的想法;也就是說創意的實現,USB 3.0佔了上風。

 
<<< USB 2.0之擴充基座(Docking Station)。>>>

其三,在嵌入式產品的表現空間,發揮潛力雄厚。可是它畢竟還是需要驅動程式的鼎力支援,才能夠揮別舊有Mass Storage的包袱,將其性能最優化。可是這一著棋子卻是亂了分寸,USB 3.0專屬的UASP協定,主機端的驅動程式還沒見到,硬碟端的支援又不知在何時。您所看到大概是甲廠商與乙廠商合作開發,丙廠商與丁廠商的協力合作;如此的糾葛,怎麼來確保不同廠商之間產品的交互互容性(interoperability)呢?即使開放性系統,也是一樣的困境。

 
<<< USB 3.0的系統觀。>>>

就拿新的「Video Display Class」為範例,從軟體觀點來看,無論主機還是裝置的軟體堆疊,似乎不是那麼容易應付,真的需要時間來淬練磨合。
 
<<< 從軟體面來看實踐USB 3.0的觀點。>>>

鑒古知今,USB 2.0歷經多少歲月才將性能與交互互容性,做的像樣;而且又有晶片組與OS作業系統的驅動程式支援,才有足夠的驅動原力。如今此時,兩者皆缺,開發廠商下去買產品作為測試或評估用途,於情於理都說的通,但是,消費者茫然進場,當做別人產品的驗證場,究竟是憂還是喜呢?反正錢是長在消費者的身上,要怎麼花那是人家的自由。

其四,USB 3.0的供電能力大幅提升,900mA產品的應用範圍更為遼闊。裝置端也可以供電到介面上,爾後,無論是在主機端還是裝置端,配接卡(Adapter)的使用無須再外接電源,使用上的方便性大幅拉升,會不會激起無線傳輸的絕地大反攻呢? 以UWB為內涵的Wireless USB或是其他無線技術,若是重新規劃的更為完善,新興無線傳送的復辟也說不定會來臨呢?好比說,無線網路速度的再升級,或者是無線HD視訊的新功夫等。
 
<<< 利用USB 2.0來做HD無線傳輸有力不從心之虞。>>>

這個900mA數字究竟又是怎麼推敲出來的呢?也許與控制器的結構有所關係也說不定。依據「OTG(On-The-Go)」以及「Embedded Host Supplement to the USB 2.0」所定下的規範,供給Vbus的最高電流5A。

USB 3.0控制器的設計,一般是經由PCI Express x1匯流排,在這個場合下:
—. +3.3V : 3A (=10W)
—. +12V : 0.5A (=6W)

以USB 3.0的每個連接埠來說,需要4.5W(5V*900mA);因此,限界約3個連接埠,一般產品是用兩個。若是單單仰賴+3V與+12V來產生必要的+5V有所困難,唯有從+3.3V來升壓。然而,為了避免這些麻煩瑣事,通常USB 3.0介面卡是採用外部電源,直接利用了來自於PC的電源供應。

依據USB 3.0建議,對於Hub控制器與電源控制還是採用分離的形式為妙。

 
<<< Hub控制器與電源控制分離。>>>

如果考量到成本的要素,可以推斷首先會將USB 3.0 Hub納入晶片組,電源控制依然是在外部;長期觀點,或許有機會連電源控制也包進去,不過機會該是不大,連接埠數量一多,大電流控制對於晶片組相當不利。
 
<<< 短期的做法。外接USB 3.0控制晶片。>>>

 
<<< 不久之後之實踐法。晶片組將Root Hub包進去。>>>

其五,USB 3.0對於光碟機有沒有什麼撞擊效應。半導體遇到機構時,兩者的交鋒往往是後者敗。今後,PC安裝光碟不見得是必要性;當然啦,若是玩家型的族群,時時勤燒錄,光碟機就是必要配備。如今,走到藍光的世界,容量動輒以10GB以上為單位,縱使USB 3.0再快,燒寫機制等機構性的突破以及電子技術的輔助,有加強的必要。燒一片藍光碟,耗掉半小時以上的時間,怎麼看都不是好的使用行為經驗。寧可採用大容量硬碟建構的媒體播放器(Media Player)。另外一方面,無可諱言,NAND記憶體的重力威脅,是不得不面對的真相。『後NAND時代』的新興記憶體,來勢洶洶。非揮發性記憶體,說不定會雄霸天下。

USB 3.0- SATA橋接晶片的市場可以盼望,預期會競爭相當激烈才對,對於相費者來說,有競爭才會帶來的低價方案與多元選擇性。至於是良性還是惡性競爭,看起來風淡雲清。只要成功了,人家會忘卻您過去黑暗的手段。

USB 3.0 – SATA 3Gbps橋接是前一步,後一步當然就是USB 3.0 – SATA 6Gbps的轉接了。前者的重要性該是優於後者,畢竟SATA II是當前主流。6Gbps是否有機會全面性取代3Gbps,可真是一大考驗。
USB 3.0是採取與 USB 2.0共存的策略,而SATA是漸進式逐步進化的戰略,因此,相信替代效應該是市場時間進入點問題與價錢問題,而非技術課題。

<<< USB 3.0-SATA橋接應用,該有一塊大餅。>>>

目前市面上可見到的USB 3.0-SATA橋接晶片,還是支援舊到不行的「Mass Storage Class Bulk-Only Transport, Revision 1.0」;若是接續到光碟或是SSD,基本上是算對的方案,若是硬碟的話,就必須仰賴UASP(USB Attached SCSI Protocol)來加一把勁。否則,5Gbps數字的說服力會不足,力道不夠強。

 
<<< USB 3.0-SATA橋接晶片的建構。>>>

 
<<< USB 3.0 – SATA II晶片內部結構範例。>>>

其六,Apple的態度,這點可就玩味十足了。蘋果紅的發紫,其動向不得不去留意。它的電腦可以捨主流HDMI而就DisplayPort,1394要玩非玩的姿態,iPad都可以捨掉 USB連接埠,不理會Flash player;相信,Apple對於USB 3.0的運用大概是後段班,找不出跳下來蹚混水的理由。根據其一貫性軟體綁硬體的策略,就算Apple郎君有意也該是晶片組做進去的時候了。

若是您急著要把玩,可能僅有兩條路可走。一個是使用有PCI Express插槽的高級機Mac Pro,就可以使用PCI Express介面卡。另一個可行之路也許該是走Express Card的途徑(僅支援Express card 34小卡) 。不過,這個條件僅僅限於舊型機器,更新的MacBook或MacBook Pro似乎又拿掉了這個插槽。
 
<<< 2010新款MacBook Pro已經棄捨Express card,加入SD卡槽。>>>
 
<<< Express Card-USB 3.0。>>>

iPad使用了25Wh的鋰聚合物(充電電池(lithium-polymer battery),為了快速充電,蘋果提供了一個「iPad 10W USB Power Adapter」的小配件。把USB 2.0的充電能力私下拉高。
 
<<< 10W USB Power Adapter。>>>

況且,Apple在USB 2.0上,對於其他廠商產品的相容性問題,始終存在著;此點可以從網路上來尋得資料。而Apple似乎也並未針對旗下產品與第三廠商產品推出正式的認證測試方案,因此要如何確保產品與Mac系統平台的相容性,是個惱人的難題。它就是要您掏錢去買那很貴的蘋果週邊。

網路上有一篇某公司的測試數據,看來真是驚心動魄;連個簡單的滑鼠,發現相容性問題竟然高達78%。

測試產品 發現問題的機率
Webcam  65.2%
滑鼠(Mouse) 77.8%
鍵盤(keyboard) 0%
隨身碟 0%

絕對不敢說蘋果的產品不好,只是其販賣價格始終覺得不太對勁,除了改朝換代的特價之外,售價偏高;小的江湖行走規矩就是在這個Cash is King的年代,什麼頭都可以當,就是不要當冤大頭。希望蘋果粉斯們海涵海涵。
注:Express Card有大卡與小卡之分。2009才發表的Express Card 2.0也升級對應到PCI Express Gen2與USB 3.0。Express card 1.x還是PCI Express Gen1與USB 2.0。
 

USB 3.0需要6Gbps SATA與PCI Express Gen2的支撐:

若是從技術上的觀點來加以檢視,USB 3.0的5Gbps還是需要SATA 6Gbps才能展現出它的魄力。然,晶片組在SATA 6Gbps的支援怎麼與USB 3.0如出一徹,拖字訣。

要發揮出USB 3.0的5Gbps超快速,需要6Gbps SATA與PCI Express Gen2才能牽引的出來。若是將5Gbps的USB 3.0介面卡,連接到PCI Express Gen1(2.5Gbps頻寬 )的插槽,就不夠理智(理想)了

還好,新的機器大致上都該會支援PCI Express gen2;至於Gen3,那是好好幾年之後的事情了。顧它也無濟於事。

誰支援了6Gbps SATA呢?AMD的890GX 晶片組該是世界上第一個支援的產品。英特爾在拖什麼,誰知呢?

 
<<< 支援6Gbps SATA之晶片組。>>>

 
<<< 890GX主機板。>>>

在主機板尚未全面支援6Gbps SATA與USB 3.0的時候,採用介面卡的連接方式,或許是不錯的解決方案。有的廠商將USB 3.0與SATA II合體做成一塊介面卡,可以連接到PCI Express x4;然而,需要一顆開關(switch)晶片,終究這不是完美的最終方案,而是一種臨時解決策略。為何需要這一顆開關晶片,歸根結底還是傳送速度的問題。
 
<<< USB 3.0 + 6Gbps SATA介面卡。>>>

6Gbps的硬碟逐漸開始浮現,連SSD固態碟也冒著出來;但是晶片組與周邊的配合速度最好還是一致,免得難以搭配,困擾眾生。只要價錢滑落的曲線伶俐,6Gbps取代掉3Gbps的步伐會比較快,此點對於USB 3.0的發揚光大,絕對是一大助力。

 
<<< 6Gbps 硬碟漸漸浮現。>>>
 
<<<  6Gbps SSD是追速人的良選。>>>

SATA不是爛東西,可是卻也是如同USB,搞得人人頭歪,USB有Mini USB、Micro USB;USB 2.0的Micro B與USB 3.0的Micro B長相徹底不同。SATA也搞出了一蹚混水,Mini SATA與Micro SATA也出現了。好累人! Micro SATA(或稱µSATA或SFF-8144)主要用意是針對1.8吋尺寸的磁碟而來,可以透過轉接器連接到SATA;適用於小型筆電或是工業上用途。

 
<<< Mini-SATA。>>>
<<< Micro SATA之SSD。>>>
<<< Micro SATA之SSD可以專接至SATA。>>>

贏家論:
ICT產業的老毛病依舊不改,潛在技術尚未成熟之際,更新的規格又在搔癢人。

譬如說,USB 3.0還在混沌階段,幾乎沒有人搞的清楚何時晶片組會有免費的USB3.0連接埠可以使用;英特爾就來一個10Gbps的Light peak來讓您聞香;而且還在北京IDF 2010煞有其事般宣揚國威一番,還道出零件預備行程並大談其架構與展示;談那遠在天邊的彩雲,不顧腳邊的花朵,把USB 3.0甩一邊,居心不知何在。要是當初USB 3.0真的納用了光纖,不知今日又是何種局面。

 
<<< Light Peak想用光傳輸一統天下。選自IDF 2010。>>>
 
<<< 未來需要Light peak,這種說辭也太牽強了。選自IDF 2010。>>>
 
<<< 有使得連接更簡易嗎?還是一相情願。選自IDF 2010。>>>
 
<<< Light Peak架構,又是圖利了誰?選自IDF 2010。>>>

藍芽何嘗不是如此,已經不是想像中的好用(比如說,藍芽傳送立體聲音樂的距離,沒有規格所說的這麼美好 ),還來一個Bluetooth 3.0 + HS。當初喊的很響亮的Zigbee,如今身心安落何處?家庭網路標準合其多,專有名詞一堆,最後呢?

至於要實踐「Wireless HDMI」的無線HD傳載技術,可能百花撩亂。若是個人的想法,利用USB 3.0 Dongle,一對一的傳輸方式,隨插即用才是王道。不過,誰有這個佛心呢?棉花店走火!

江山易改本性難移;終於發現規格制定不僅可以先發制人,克敵制先;又有權利金有拿,還可以從中撈到額外的好處,譬如說,HDMI連接埠的採用者除了權利金之外,還有年年到來的年費可以索取。難怪,只要幾個公司利益掛勾搞個規範,好處多多,大家也樂此不疲。這叫做『規格亂立』。

如此搞的最終結局,真正的最後贏家,或許就是這些做儀器測量的廠商或是檢測公司,永遠不用擔心庫存或賠錢,包贏不包輸。變化越大,越有賺頭。爽到誰,甘苦到你我呢。

來看看USB 3.0的測試,或許體會與體悟會更為深刻。

 
<<< USB 3.0測試對象暨項目。>>>
 
<<< USB 2.0測試對象暨項目。>>>


回顧以往,USB 2.0的互容性(Compliance)測試,內容主題大約有:
—. 互通性(Interoperability)
—. 命令測試(Device Framework Tests,規格第九章)
—. 裝置類別命令測試(如果有的話)
—. 平均消耗電流(Average current)
—. 逆電壓(Back-voltage)
—. 入侵電流(Inrush)
—. 信號整合性(Signal quality) 
—. 高速信號封包的參數測試

而SS USB 3.0的互容性(Compliance)測試,顯得更為繁瑣複雜;其5Gbps傳輸模式下定義獨特的規範項目都要進行度量;比如說,有LFPS信號、SSC的轉換速率(Slew rate)、惱人的抖動(Jitter)等。而連結建立的流程細節,不仰賴一些外部工具,還真是不容易啊。


[ 參考資料暨深度閱讀:]
1. http://www.usb.org/developers/ssusb/。
2. http://www.intel.com/technology/usb/spec.htm。
3. http://www2.renesas.com/usb/en/。
4. http://www.hosiden.com/。
5. http://www.lucidport.com/pdf/uas_flyer_small.pdf。
6. IDF 2009與北京IDF 2010資料。
7. USB 3.0王者介面再臨,陳乃塘著。
8. USB完全開發手冊,陳乃塘譯。

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