Granite River Labs, GRL
Sandy Chang
USB-IF는 2022년 10월 18일 최신 USB4® Ver2.0 사양을 발표했습니다. 이 사양은 다시 한 번 USB 대역폭을 두 배로 늘려 80Gbps 성능을 제공하고 USB Type-C® 케이블 및 커넥터를 통해 DisplayPort 2.1을 지원합니다. 이는 고성능 모니터, 저장 장치, USB 허브 등에 도움이 됩니다. 더 높은 전송 성능을 지원하기 위해 USB-IF는 USB Type-C 케이블 및 커넥터 업데이트 사양도 버전 2.2로, USB PD 3.1 사양을 버전 1.6으로 출시했습니다. VESA 협회도 전날인 2022년 10월 17일 최신 디스플레이포트 2.1 규격을 공개했습니다. 같은 주에 Intel은 USB4 Ver2 사양과 일치하고 80Gbps를 지원하는 차세대 Thunderbolt™의 초기 프로토타입도 선보였습니다.
2019년 9월 USB-IF의 USB4 사양 출시에 이어 데이터 및 이미지 동시 전송과 결합하여 전송 속도가 USB 20Gbps(10Gbps x2) 및 USB 40Gbps(20Gbps x2)로 높였습니다. 사용자들은 고해상도 디스플레이와 빠른 충전이 필요한데, 글로벌 고성능 컴퓨팅(HPC) 애플리케이션의 지속적인 가속화에 대응하여 USB-IF는 최신 USB4 Ver2를 출시하여 USB 80Gbps(40Gbps x2)의 초고속 전송 속도를 제공함으로써 USB4가 계속해서 외부 인터페이스를 지배하게 되었습니다.
이 문서에서는 다음에 중심으로 최신 사양에 대해 설명합니다 :
- USB4 Gen4 소개
- USB4 Gen4가 PAM3을 사용하는 이유
- USB4 Gen4 사양을 위한 "대역폭" 최적화
- 추가된 "비대칭 전송" 대역폭을 120Gbps로 늘릴 수 있습니다.
- 대역폭 활용을 최적화하기 위해 USB3 Gen T 추가
그림 1: USB4 PAM3 아이 다이어그램
USB4 Gen4 소개
새로 출시된 USB4 Ver2.0 사양은 전송 속도를 다시 80Gbps(40G bps x2)로 늘리고 USB4 Gen4로 대표됩니다. 전기 레이어는 PAM3(Pulse Amplitude Modulation 3-level) 신호 인코딩을 사용합니다. 그림 1과 같이 전송을 위해 3가지 전압 상태를 사용하므로 2개의 상위 및 하위 아이 다이어그램이 형성됩니다.
각 채널은 25.6 GBaud로 전송되며, 송신기는 11-bits에서 7-trits(3진수)으로 매핑 구성을 통해 이진 비트 신호를 인코딩하고 PAM3 신호로 전송하여 듀얼 채널 80Gbps 전송 속도를 구현합니다. 수신단에서 Gen4는 FEC(Forward Error Correction) 없이 비트 오류율 TER(Trit Error Ratio)가 1E-8 이하의 비트 오류율로 수신되어야 한다고 요구합니다. USB4 Gen4 사양은 과거와 다른 전송 방식을 채택하고 있는데, 다음 몇 가지 일반적인 용어를 소개합니다.
NRZ vs. PAM3 vs. PAM4
그림 2: PAM2/PAM3/PAM4 비교
- NRZ: Pulse Amplitude Modulation 2-level (PAM2) 신호로도 알려진 Non-Return-to-Zero(Non-Return-to-Zero), 이진 인코딩, 하이 및 로우 레벨을 사용하여 로직 1과 0을 나타냅니다. NRZ 각 기호는 1비트(log 22 = 1)를 전송할 수 있습니다.
- PAM3: 펄스 진폭 변조 3-레벨, 3-레벨 펄스 진폭 변조, 3-레벨 인코딩, 일반적으로 -1, 0, +1 또는 0, 1, 2(3위안) 값을 나타내며, 각 기호는 1.58비트(로그 23 = 1.58)를 전송할 수 있습니다.
- PAM4: 펄스 진폭 변조 4-레벨, 4-레벨 펄스 진폭 변조. 일반적으로 00, 01, 10, 11로 표시됩니다. PAM4 각 기호는 2비트(로그 24 = 2)를 전송할 수 있습니다.
데이터 속도 與 Baud Rate
고속 인터페이스 데이터 전송 속도 Date Rate는 일반적으로 bps(초당 비트)로 표시되며 초당 전송되는 비트 수를 나타냅니다. 그러나 신호 인코딩의 변화에 따라 인터넷은 일반적으로 100Gbps의 데이터 전송 속도에 도달할 수 있는 50GB aud PAM4 전송을 사용합니다.
심볼 속도는 보드(Baud)로 표시됩니다. 1 보드는 초당 전송되는 심볼 1개와 같습니다. 그런 다음 데이터 속도는 서로 다른 인코딩 메커니즘에서 각 심볼이 전달하는 비트 수에 따라 계산됩니다. 둘 사이의 변환 관계는 다음과 같습니다.
날짜 속도 = 전송 속도 * 기호 는 비트 수를 나타냅니다.
신호 인코딩 방법이 NRZ인 경우 보드 속도는 데이터 속도(예: 25.6GBaud NRZ(PAM2), 데이터 속도는 25.6Gbps(25.6GBaud * log 22)입니다.
신호 인코딩 방법이 PAM3인 경우 25.6GBaud PAM3의 데이터 속도는 40.575Gbps(25.6GBaud * log 23)입니다.
USB4 Gen4는 듀얼 채널 전송 80Gbps를 달성하기 위해 11비트에서 7비트로의 매핑 구성, 40.2Gbps의 Date Rate(25.6GBaud* 11/7)을 통해 25.6GBaud 속도 전송인 PAM3 신호를 사용합니다.
참고: PAM3 Symbol이 전달하는 최대 비트 수는 1.58비트(log 23 = 1.58)이며, USB4 Gen4의 Symbol이 전달하는 비트 수는 1.57비트(11/7비트)로 PAM3의 전송 대역폭의 99%를 완전히 활용합니다.
비트 오류율 BER vs. TER
NRZ 신호에서는 비트 단위로 전송되며, 비트 오류율은 BER(Bit Error Ratio)로 표시됩니다. PAM3 신호 전송 내부 시스템의 경우 비트 오류율은 TER(Trit Error Ratio)로 표시됩니다. 여기서 trit는 3진수(3진수)의 약어입니다.
USB4 Gen4가 PAM3을 사용하는 이유?
USB4 Gen4가 80Gbps를 달성하고 Gen3와 동일한 PCB 케이블을 사용하려면 PAM3 또는 PAM4와 같은 새로운 코딩 방법을 채택해야 하며 다음 두 가지 방향을 고려해야 합니다.
총 손실 고려 사항
신호는 호스트의 TX 끝에서 커넥터, 케이블을 거쳐 장치의 RX 끝으로 이동합니다.동일한 Gen3 케이블과 PCB의 최대 허용 손실로 NRZ를 사용하여 40Gbps로 전송하는 경우, Nyquist 주파수(20GHz)에서의 전송 손실은 40dB를 초과할 것이며 IC는 이 과도한 손실을 보상할 수 없어 신호가 올바르게 수신되지 않고 NRZ가 Gen4 요구 사항을 충족할 수 없습니다. Gen4 Nyquist 주파수 10GHz 및 12.8GHz에서 PAM4 및 PAM3의 총 전송 손실은 각각 약 23dB 및 28dB이며 IC는 이 손실을 보상하고 분석에 고려할 수 있습니다.
비트 오류율 고려 사항
PAM3의 전송 아이 높이는 NRZ의 절반이고 PAM4의 전송 아이 높이는 NRZ의 1/3이므로 수신단에서 신호 복원의 어려움이 증가하며 PAM3은 SNDR(Signal-to-Noise-Distortion Ratio)에서 PAM4보다 우수합니다. 시뮬레이션과 실제 라인 실험을 통한 SNDR 결과, 코드화되지 않은 BER은 10E-8과 10E-6이므로 PAM3이 더 적합한 것으로 선택되었습니다.
USB4 Gen4 사양을 위한 "대역폭" 최적화
USB4 Gen4는 "비대칭 전송"을 지원하며 속도를 120Gbps까지 높일 수 있습니다
Gen4는 높은 데이터 전송 시 디스플레이 품질 저하 없이 고해상도 이미지 전송을 유지하기 위해 새로운 비대칭 전송(Asymmetric Link)을 추가합니다. Gen4만 비대칭 전송을 지원할 수 있고, Gen2와 Gen3는 대칭 전송만 지원합니다.
대칭 전송이란 TX 레인(Lane)의 수가 RX 레인의 수와 일치한다는 것을 의미합니다. USB4 Gen4는 듀얼 채널 전송이어야 하며 Gen2 및 Gen3만 단일 채널 전송(1*TX/1*RX), 즉 Lane 0 전송 및 Lane 1 비활성화 상태에서의 전송이 가능하며 이중 채널 대칭 전송(2 *TX/2*RX)은 Gen2, Gen3, Gen4의 모든 속도에서 실행할 수 있습니다. 대칭 듀얼 채널 전송을 지원하는 것 외에도 고해상도 이미지 DP 2.1 전송을 지원하고 동시에 고속으로 데이터를 전송하기 위해 Gen4는 비대칭 전송을 추가합니다. 즉, 한 쌍의 TX/RX 채널을 이미지 전송으로 사용합니다. 아래 그림 3과 같이 TX/TX 또는 RX/RX로 전송합니다. 즉 한쪽에서는 "3*TX/1*RX"가 전송되고 다른 쪽에서는 "1*TX/3*RX"가 전송됩니다. 이를 통해 한 방향으로 최대 120Gbps(40Gbps x3)를 제공하면서 다른 방향으로 40Gbps를 유지할 수 있습니다. 대칭 전송에서 비대칭 전송으로의 변환은 Connection Manager에 의해 제어됩니다.
그림 3: 대칭 및 비대칭 USB4 링크
USB4 Gen4는 USB3 Gen T를 추가하여 대역폭 활용을 최적화합니다.
USB4는 주로 USB3 터널링이 USB4 전송 대역폭을 최대한 활용할 수 있도록 USB3 Gen T 터널링 프로토콜을 새로 지원합니다. USB3 Gen X 및 USB3 Gen T는 다음과 같이 USB4 Ver2의 새로운 정의입니다.
- USB3 Gen X : 기존 USB 3.2 프로토콜 을 사용하는 USB3 터널링 아키텍처 .
- USB3 Gen T : USB4 에서 사용 가능한 최대 대역폭 을 사용할 수 있도록 수정된 USB 3.2 프로토콜 을 사용하는 USB3 터널링 아키텍처입니다 .
USB4는 USB3와 하위 호환이 가능해야 하므로 USB4 Gen2/Gen3 라우터 내부에는 원래 USB3 프로토콜 데이터 흐름과 USB4 패킷의 LFPS를 캡슐화하는 USB3 프로토콜 어댑터(USB3 프로토콜 어댑터)가 장착되어 있어야 합니다. USB4 Ver2의 최신 사양 이것은 .NET에서 USB3 Gen X 터널링 프로토콜로 정의됩니다.
USB3 Gen X 터널링 프로토콜에서 허브에는 하나의 업로드 내장 SS 허브만 있습니다. 허브에 연결된 장치가 동시에 여러 채널을 전송하더라도 업로드 허브의 대역폭에 의해 제한됩니다. 그림 4의 왼쪽에 표시된 것처럼 USB4의 더 높은 대역폭을 완전히 활용할 수 없습니다.
그림 4: USB3 Gen X와 USB3 Gen T 터널링 비교
USB3 Gen T 터널링 프로토콜은 USB 3.2 프로토콜의 수정된 버전을 사용하며, 이는 주로 그림 4의 오른쪽에 표시된 대로 USB3 Gen T 프로토콜 어댑터를 추가하여 달성됩니다. 호스트와 장치 모두 USB3 Gen T를 지원하는 경우, 예를 들어, 허브에 두 개의 장치가 연결되어 있고 둘 다 20Gbps(USB3 10G x2)에서 실행되며 총 다운로드 대역폭은 40Gbps입니다.허브에서 작동하며 업로드 및 다운로드가 직접 통과합니다(필요 없음) USB3 임베디드 SS 허브를 통해) 업로드 대역폭도 영향을 받지 않고 40Gbps가 될 수 있습니다. 원래 USB3 Gen X 업로드 제한인 20Gbps로 제한되어 USB3 터널링은 USB4의 대역폭을 보다 효과적으로 활용할 수 있습니다. 호스트, 허브 및 장치의 경우 USB3 Gen T 터널링은 선택적 지원 기능입니다.
결론
USB4 Gen4의 전송 속도를 80Gbps로 높이고 PAM3 인코딩을 채택하고 USB Gen T를 새로 추가하여 비대칭 전송을 지원하여 TX/RX 2쌍에서 TX/RX 4쌍으로 테스트 변경 테스트 시간이 증가하지만 테스트 복잡성도 증가합니다.
설계팀에게 PAM3 인코딩은 새로운 과제입니다. 아이 높이가 원래 NRZ의 절반에 불과할 때 신호 대 잡음 왜곡 비율(SNDR)이 더 중요합니다.더 복잡한 아이 다이어그램과 지터 테스트 분석에는 더 많은 것이 필요합니다. 탐험할 시간 . 이 기사는 먼저 USB4 Gen4에 대한 기본 소개를 제공하고 다음 기사는 USB4 Gen4 및 PAM3 측정 및 설계 고려 사항의 물리적 특성을 소개합니다. up USB4 Gen4 80Gbps 테스트 환경, USB에 대해 궁금한 점이 있으면 언제든지 문의하십시오.
References
- Universal Serial Bus 4 (USB4®) Specification, Version 2.0, October 2022
Author
GRL 대만 Technical Director, Sandy Chang
Thunderbolt 4, USB4, USB3, DisplayPort, HDMI 및 PCI Express와 같은 고속 인터페이스 테스트 분야의 전문가입니다.
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2022년 10월 20일 AN-221020-TW
