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(shè)備上又稱為雷靂）接口最早誕生于2009年，是英特爾倡導(dǎo)的一種高速I/O接口，只是當(dāng)年它長期處于實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)，直到2011年才以Mini DisplayPort（下文簡稱為miniDP）接口的形態(tài)集成在蘋果旗下的Mac設(shè)備中。

雷電的本質(zhì)

沒錯(cuò)，雷電在本質(zhì)上只是一種技術(shù)協(xié)議，它需要“寄生”在某個(gè)具體的接口標(biāo)準(zhǔn)上，而miniDP就是它的第一個(gè)“宿主”（圖1）。2015年，隨著USBType-C接口標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，它很快就被最新的雷電3技術(shù)盯上，至今網(wǎng)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(nèi)容。

和傳統(tǒng)的USB接口相比，雷電技術(shù)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(lián)4部設(shè)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(fā)布USB3.1技術(shù)規(guī)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(tài)，但傳輸速率卻實(shí)現(xiàn)了翻倍，20Gbps再度讓傳統(tǒng)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(dá)40Gbps的傳輸速率，而且這還是在全雙工狀態(tài)下的，如果是單向傳輸，其理論速度最高可達(dá)80Gbps，與2019年才剛剛定下標(biāo)準(zhǔn)的DisplayPort 2.0（DP 2.0）標(biāo)準(zhǔn)相當(dāng)。此外，雷電3還兼容你所熟悉的各種多媒體傳輸協(xié)議，可以擴(kuò)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(zhàn)爭終于在2019年迎來曙光，當(dāng)年3月初，英特爾將雷電技術(shù)協(xié)議開放給了USB推廣組織，USB—lF隨后便發(fā)布了USB4，它在底層就實(shí)現(xiàn)了雷電和USB協(xié)議的融合，增強(qiáng)基于USB Type-C接口的產(chǎn)品之間的兼容性（圖3）。

可惜，直到今天就連USB3.2標(biāo)準(zhǔn)還沒普及，USB4更是成為了傳說中的存在。就在這個(gè)大背景下，英特爾第十一代酷睿Tiger Lake平臺(tái)將帶來全新的“雷電4”，而USB-IF的代表在CES 2020上也確認(rèn)了雷電4其實(shí)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(dāng)前最熱門的雷電3接口的生存現(xiàn)狀。

火速鏈接

如果你想了解USB接口的各種標(biāo)準(zhǔn)以及發(fā)展史，請參考本刊2019年第9期《混亂伊始 搶先認(rèn)識(shí)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(shí)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(dòng)和桌面領(lǐng)域，只有極少數(shù)高端筆記本和設(shè)計(jì)師主板才有所涉獵，絕大多數(shù)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?qū)е铝死纂?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(quán)費(fèi)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(gè)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(dòng)版）以前，整套平臺(tái)的PCI-E 3.0通道只有16條，在搭配高性能獨(dú)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(huì)引起“搶帶寬”的問題了。

在現(xiàn)實(shí)中，很多支持雷電3的筆記本只為該接口準(zhǔn)備了2個(gè)PCI-E 3.0通道（即PCI-E3.0×2），在業(yè)內(nèi)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(shí)的性能耗損卻較為明顯。因此，在無數(shù)發(fā)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(dāng)然的原生機(jī)制

正如前文所述，2019年英特爾開放了雷電3的授權(quán)，相關(guān)的授權(quán)費(fèi)用被變相減免了。此外，傳說第十代酷睿處理器平臺(tái)全部“原生支持”雷電3，以Ice Lake為代表的平臺(tái)還將PCI-E 3.0通道數(shù)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(tái)。從底層架構(gòu)來說，Ice Lake將雷電3控制器整合進(jìn)了CPU內(nèi)核中，而且原生就支持4個(gè)雷電3（圖6），其PCI-E 3.0通道數(shù)量高達(dá)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(huì)占用CPU提供的PCI-E總線數(shù)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(wǎng)的價(jià)格和參數(shù)信息

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

答案自然是你想多了，現(xiàn)階段雷電3接口需要支持USB PD協(xié)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(shè)計(jì)也意味著雷電3接口與（集成控制器的）CPU之間距離較遠(yuǎn)，存在一定的信號(hào)衰減問題。為此，Ice Lake平臺(tái)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(hào)增強(qiáng)器（圖7），雖然一顆Retimer芯片就能直連2個(gè)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(yōu)化布局等研發(fā)費(fèi)用。

再來看看Comet Lake平臺(tái)，它在底層架構(gòu)上和英特爾早期平臺(tái)沒有什么差異，雷電3功能依舊被掛在了PCH（傳統(tǒng)意義上的北橋）芯片組中（圖9）。換句話說，搭載CometLake平臺(tái)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(shè)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(tái)的雷電3功能是以“CPU（集成雷電主控）→Retimer→接口”路徑實(shí)現(xiàn)，那Comet Lake平臺(tái)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(xiàn)在，大家知道為什么那怕是Ice Lake平臺(tái)的第十代酷睿筆記本，能配備雷電3接口的產(chǎn)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(tái)的發(fā)布時(shí)間會(huì)被英特爾從8、9月份提前到6月份，而該平臺(tái)還會(huì)采用優(yōu)化的10nm+工藝、全新的CPU和GPU微架構(gòu)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(xiàn)有的USB3.2Gen2×2標(biāo)準(zhǔn)（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(shí)兼容USB PD充電和原雷電3的全部功能。沒錯(cuò)，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(xiàn)在也不能排除英特爾會(huì)對雷電4進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化。Tiger Lake平臺(tái)支持PCI-E 4.0，理論上只需一半的PCI-E通道數(shù)量就能獲得和雷電3等同的帶寬。此外，雷電3的40Gbps用于數(shù)據(jù)傳輸和視頻傳輸?shù)膸挿謩e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?shù)膸捲陂e置時(shí)動(dòng)態(tài)分給數(shù)據(jù)傳輸，外接顯卡時(shí)無疑可以進(jìn)一步減少性能耗損。

火速鏈接

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

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普及還待成熟生態(tài)

隨著第十代酷睿平臺(tái)的普及，特別是以Ice Lake平臺(tái)（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(shí)已經(jīng)不算太高了，完全可以成為4000元～5000元價(jià)位的主流產(chǎn)品的標(biāo)配。真正阻礙雷電功能普及的因素，其實(shí)還是缺少殺手級(jí)的應(yīng)用環(huán)境。

比如，現(xiàn)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(shù)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(kuò)展塢雖然算是雷電3的專屬賣點(diǎn)，但相關(guān)擴(kuò)展塢的價(jià)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(yàn)上并不完美。

對筆記本廠商來說，雷電3成本較高，在應(yīng)用范圍不大時(shí)沒必要強(qiáng)行列裝;對軟件和外設(shè)廠商來說，雷電3的普及度不高，沒必要為它開發(fā)更多的產(chǎn)品和功能。最終，就是我們面臨的現(xiàn)狀：雷電3太貴，而且沒啥用。那么，Tiger Lake平臺(tái)和最新的雷電4技術(shù)能否終結(jié)這種死循環(huán)呢？讓我們拭目以待吧。