Granite River Labs, GRL
Alan Chuang 莊益林
在電子產品發展的過程中，數位介面的演進讓消費者在使用上越來越方便，從早期由不同廠商主導的多樣化硬體介面，到現在由各個主要協會帶領整合所有會員的貢獻、制定共同標準，在這些共同標準中又有許多功能可選擇性支援，讓產品基於不同市場能被彈性應用。下面就讓我們來看看數位介面的演進與未來趨勢。
早期電腦不普及，顯示應用主要在電視介面為類比訊號的 AV 端子及 S 端子，1990 年電腦開始發展，電腦螢幕與電視慢慢變成顯示市場的兩大主流，解析度提高的要求下由 VGA 到 DVI 與 HDMI，從類比轉變為數位訊號，而 HDMI® 的發展主要由電視影音相關領域的品牌所主導，一個是連接天線、機上盒、播放器、或遊戲機遠距離觀看，另一個為連接電腦近距離使用，在功能與訴求差異的推動下，2006 年 VESA 提出 DisplayPort 架構，與 HDMI 成為螢幕兩大主要接口，但 HDMI® 仍舊為電視的主要接口。
DisplayPort 1.3 的推出讓資料頻寬來到的 32.4Gbps，也迫使 HDMI 必須往上增加頻寬，支援更高解析度與更新率，因此在 2017 年推出 HDMI 2.1 (48Gbps)；USB-IF 以及 VESA 在取得 Intel 授權 Thunderbolt 技術後，在 Type C 接口上推出 DisplayPort 2.0 (80Gbps) ，最高可支援 16K@60Hz，並且可與 USB4 的資料流同時傳輸，讓 DisplayPort 在電腦周邊廣泛被應用，但在電視領域生態鏈的採用率仍然偏低，主要原因是 VESA 與 HDMI 分屬不同生態系與組織，背後有不同的大廠支持，已不單純是技術與功能考量，而是大廠對於市場的影響力。
圖 1：影音傳輸介面的演進
接下來我們從另一個角度來看看技術的演進，由下圖可以看出拉高傳輸速度的領頭羊就是 PCIe，近 20 年的電子發展 CPU、GPU 或各式各樣的核心處理器主流都是應用 PCIe 作為 IC 對外的主要傳輸匯流排，因為 IC 設計能力提升，加上半導體製程進步使得 PCIe1 由 2.5Gbps per lane 到現在 PCIe6 的 64Gbps per lane；但 PCB 的材質也漸漸地走到了可量產的物理極限，所以在傳送端與接收端的補償機制如 Pre-amp、Pre-shoot、amplitude negotiation、CTLE、FFE、DFE 等技術的導入都是為了克服 PCB 板材與 Cable 線材的損耗。
我們也觀察到 SATA 與 SAS 這類的儲存應用介面正被 PCIe 直接取代，因為 SSD 的崛起，架構上讓 PCIe直通、減少其他 IC 的橋接、簡化設計；加上 Thunderbolt、USB、DisplayPort 這些介面都融合到 Type C 上，介面應用的整合雖然對消費者來說是非常方便的，把影像、聲音、資料、控制與電源全部整合，但對於 IC 與產品開發者卻要花費更多的資源與時間去驗證各式各樣排列組合的相容性，這也是協會與認證實驗室的重要性，確保大家有一致性的作法，讓成千上萬的產品到消費者手上皆能被正常使用。
圖 2：高速傳輸介面的演進
談到介面的未來發展，大家可以想想 IEEE802.3，他是網路通訊的基石，技術上是走在數位介面的前端，如下表 Ethernet 最高已經到 112Gb/s，單純用 NRZ 架構一次傳一個 bit 已不夠用，所以有了 PAM 架構讓資料可以一次傳 2 個 bit 以上，因為頻率已無法再提升，因此只能用電壓幅值大小的區別來傳送更多資料量，資料協議也不在底層架構下區分，以上特徵即是未來介面發展的趨勢。上面有提到 USB4 和 DisplayPort 2.0 應用到 Thunderbolt 的技術，如果大家了解 Thunderbolt 的 CIO ( Converged-IO ) Protocol，它早期的傳輸速度是 10.3125 Gb/s 與 20.625 Gb/s，還有裝置識別用相似於 IP 的概念，沒有區分資料型態皆可用 Tunneling 方式承載，這些都跟 Ethernet 技術類似。也就是說 Data Center 的技術應用走得最快但相對成本高，成熟後會應用到消費性電子。
表 1
隨著雲端資料庫的蓬勃發展，可以預見大多數終端產品不需具備強大功能，只需注重在輸入接收如錄影及拍照，還有輸出呈現如畫面聲音播放有足夠的處理能力，大量資料儲存與運算能力可以藉由 Data Center 來完成；所以 Data center 無論有線無線的網路通訊都需要在硬體技術飛速成長，以符合越來越多雲端應用以及海量資料的智能運算，因此量子電腦技術的發展以及 6G 星鏈的討論都是為強大的 Data Center 預做準備，當然，隨即延伸而來的資安駭客問題，就是另一個大家關心的話題了。
圖 3：高速傳輸介面的演進
作者
GRL 大中華區總經理 莊益林 Alan Chuang
具儀器業界超過七年的服務經驗，熟悉各傳輸介面技術與應用，現擔任 GRL 大中華區總經理，負責大陸區與台灣區三個實驗室的業務拓展與未來發展目標。
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發佈日期 2021/08/11 AN-210811-TW