迎接 USB4－80Gbps 超高速時代來臨

Granite River Labs, GRL
Sandy Chang 張靜宜

USB-IF 在 2022 年 10 月 18 日發布最新 USB4® Ver2.0 規格，又再次使　USB 頻寬增加一倍，通過 USB Type-C® 線纜和連接器提供 80Gbps 性能且支援 DisplayPort 2.1。這將有益於更高性能的顯示器、儲存裝置與 USB 集線器等。為了支持更高傳輸性能，USB-IF 也同時發表 USB Type-C 線纜和連接器更新規格到 2.2 版，以及 USB PD 3.1 規格到 1.6 版本。VESA 協會也在前一日 2022 年 10 月 17 日發布最新 DisplayPort 2.1 規格。同一周內，Intel 也展示其與 USB4 Ver2 規格一致的下一代 Thunderbolt™ 支援 80Gbps 的早期原型。

繼 USB-IF 在 2019 年 9 月推出 USB4 規格，結合資料與影像同時傳輸，將傳輸速度提升至 USB 20Gbps (10Gbps x2) 與 USB 40Gbps (20Gbps x2)，搭配 PD 高達 240W 的快速充電功能，充分滿足遊戲玩家高解析度顯示及快充所需；為了因應全球高效能運算 (HPC) 應用不斷加速，USB-IF 發布最新 USB4 Ver2.0 規格，針對持續成長的資料量與更高解析度的影音規格，提供 USB 80Gbps (40Gbps x2) 的超高傳輸速度，使 USB4 持續稱霸外接介面。

本篇文章將介紹此最新規格，重點為以下幾項：

1. USB4 Gen4 介紹
2. 為什麼 USB4 Gen4 採用 PAM3？
3. USB4 Gen4 規格的「頻寬」優化
   • 新增「非對稱傳輸」頻寬可提升至 120 Gbps
   • 新增 USB3 Gen T 優化頻寬運用
     
     

圖1: USB4 PAM3 眼圖

USB4 Gen4 介紹

新發布的 USB4 Ver2.0 規格，傳輸速率再次倍增，來到 80 Gbps (40G bps x2)，並以 USB4 Gen4 來表示。電氣層採用 PAM3 (Pulse Amplitude Modulation 3-level) 訊號編碼，如圖 1 所示，利用三個電壓狀態進行傳輸，所以會形成上下兩個眼圖。

每通道以 25.6 GBaud 進行傳輸，傳送端將二進制 bit 訊號，透過 11-bits to 7-trits (三進制) 的映射配置進行編碼，以 PAM3 訊號傳輸，達到雙通道 80 Gbps 傳輸速度。在接收端部分，Gen4 要求在沒有 FEC（Forward Error Correction向前糾錯）的條件下，誤碼率 TER (Trit Error Ratio) 須以 1E-8 或更低的誤碼率進行接收。USB4 Gen4 規格採用不同以往的傳輸方式，下面先介紹幾個常見的專有名詞。

NRZ vs. PAM3 vs. PAM4

圖2: PAM2/PAM3/PAM4 比較

1. NRZ：Non-Return-to-Zero，也稱作 Pulse Amplitude Modulation 2-level (PAM2) 訊號，二進制的編碼，使用高低準位來代表邏輯 1 與 0。NRZ 每個 Symbol 可以傳送 1 個 bit (log₂ 2 = 1)。
2. PAM3：Pulse Amplitude Modulation 3-level，3 階脈衝振幅調變，三進制的編碼，通常以 -1，0，+1 或者 0，1，2 來表示 Ternary（3元的）值，PAM3 每個 Symbol 可以傳送 1.58 個 bits (log₂ 3 = 1.58)。
3. PAM4：Pulse Amplitude Modulation 4-level，4 階脈衝振幅調變，通常以 00，01，10，11 來表示。PAM4 每個 Symbol 可以傳送 2 個 bits (log₂ 4 = 2)。

Data Rate 與 Baud Rate

高速介面資料傳輸速度 Date Rate，通常以 bps (bit per second) 來表示，是指每秒傳輸的 bit 數。但是隨著訊號編碼的改變，如網通常用 50 GBaud PAM4 傳送，可以達到 100 Gbps Data Rate。
Symbol Rate 以 Baud（波特）來表示。1 Baud 等於每秒傳輸一個 Symbol。而 Data Rate 再依照每個 Symbol 以不同編碼機制下所承載的 bit 數來計算。二者換算關係為：

Date Rate = Baud Rate * Symbol承載位元數

當訊號編碼方式為 NRZ 時，Baud Rate 會等於 Data Rate，如 25.6 GBaud 的 NRZ (PAM2) ，Data Rate 為 25.6 Gbps (25.6 GBaud * log₂ 2)。

當訊號編碼方式為 PAM3 時，25.6 GBaud PAM3 的 Data Rate 為40.575 Gbps (25.6 GBaud * log₂ 3)。

USB4 Gen4 以 PAM3 訊號，25.6 GBaud 速度傳輸，透過 11-bits 到 7-trits 的映射配置，以 40.2 Gbps Date Rate (25.6 GBaud* 11/7)，達到雙通道傳輸 80 Gbps。

說明：PAM3 Symbol 乘載位元數最高為 1.58 個 bits (log₂ 3 = 1.58)，USB4 Gen4 其 Symbol 乘載位元數為 1.57 (11/7 bits)，充分運用 99% PAM3 的傳輸頻寬。

誤碼率 BER vs. TER

在 NRZ 訊號，以 bit 來傳輸，誤碼率會以 BER (Bit Error Ratio) 表示。對於 PAM3 以三進制的訊號傳輸，誤碼率則以 TER (Trit Error Ratio) 表示。其中 trit 為 trinary digit（三進制數）的縮寫。

為什麼 USB4 Gen4 採用 PAM3？

USB4 Gen4 想要達到 80 Gbps 且沿用與 Gen3 相同的 PCB 線纜，必須採用新的編碼方式如 PAM3 或 PAM4，並且從下列兩大方向考量：

總損耗考量

訊號從 Host 的 TX 端經由連接器、線纜，再到 Device 的 RX 端，以 Gen3 相同線纜及 PCB 最大允許損耗下，若採用 NRZ 以 40 Gbps 傳輸，其傳輸損耗在 Nyquist頻率 (20GHz) 將會超過 40dB，IC 無法補償此過高損耗，導致訊號無法正確接收，NRZ 無法符合 Gen4 要求。而 PAM4 與 PAM3 在 Gen4 Nyquist 頻率為 10GHz 與 12.8 GHz，其總傳輸損耗分別約為 23dB 與 28dB，IC 可以補償此損耗，納入分析考量。

誤碼率考量

PAM3 傳送眼高為 NRZ 的一半，PAM4 傳送眼高為 NRZ 的 1/3，增加接收端還原訊號困難度，而 PAM3 在訊號雜訊失真比 (SNDR) 優於PAM4，經由模擬以及實際線路的實驗結果，未編碼 BER 分別為 10E-8 與 10E-6，因而選擇採用更適合的 PAM3。

USB4 Gen4 規格的「頻寬」優化

USB4 Gen4 支援「非對稱傳輸」，速度可提升至 120 Gbps

為了維持高影像解析傳輸，在高資料傳輸情況下，不降低顯示品質， Gen4 新增非對稱傳輸 (Asymmetric Link)。只有 Gen4 可以支援非對稱傳輸，Gen2 與 Gen3 僅支援對稱傳輸。

對稱傳輸指的是 TX 通道數 (Lane) 與 RX 通道數一致。USB4 Gen4 必須為雙通道傳輸，只有 Gen2 與 Gen3 可以是單通道傳輸 (1*TX/1*RX)，也就是在 Lane 0 傳輸、Lane 1 停用的狀態下傳輸；而雙通道對稱傳輸 (2*TX/2*RX) 可以在 Gen2、Gen3、Gen4 任何速度運行。Gen4 除了支援對稱雙通道傳輸外，為了可以支援高解析度影像 DP 2.1 傳輸，且同時高速傳輸資料，Gen4 新增非對稱傳輸，也就是將其中的一對 TX/RX 通道，作為影像傳輸通道，以 TX/TX 或 RX/RX 傳送，如下圖 3。也就是一邊傳輸 “3*TX/1*RX”，而另一邊為 “1*TX/3*RX”。使得其在一個方向提供高達120Gbps (40Gbps x3)，同時在另一個方向保持 40Gbps的速率。對稱傳輸轉換到非對稱傳輸，是由連接管理 (Connection Manager) 負責控制。

圖3: Symmetric and Asymmetric USB4 Link

USB4 Gen4 新增 USB3 Gen T 優化頻寬運用

USB4 新增支援 USB3 Gen T 隧道協議，主要是讓 USB3 隧道傳輸可以更充分利用 USB4 傳輸帶寬。USB3 Gen X 與 USB3 Gen T 是在 USB4 Ver2 中新增的定義，說明如下：

• USB3 Gen X：使用現有 USB 3.2 協議的 USB3 隧道架構。
• USB3 Gen T：使用修改的 USB 3.2 協議的 USB3 隧道架構，以允許使用 USB4 可用最大帶寬。

USB4 需向下相容 USB3，所以在 USB4 Gen2/Gen3 路由器內部，必須配備有 USB3 協議適配器 (USB3 Protocol Adaptor)，將原生的 USB3 協議資料流量和 LFPS 封裝在 USB4 數據包中，在 USB4 Ver2 最新規格中將此定義為 USB3 Gen X 隧道協議。

USB3 Gen X 隧道協議下，Hub 只有一個上傳的 Embedded SS Hub，即使 Hub 下接裝置多通道同時傳送，也會被上傳 Hub 的帶寬限制。如圖 4 左，無法充分利用 USB4 更高的頻寬。

圖4: USB3 Gen X and USB3 Gen T Tunneling Compare

USB3 Gen T 隧道協議使用 USB 3.2 協議的修改版本，主要透過新增USB3 Gen T 協議適配器來達成，如圖 4 右，若主機和設備都支援 USB3 Gen T，例如 Hub 下接兩個裝置，且都運行在 20 Gbps (USB3 10G x2)，下接帶寬共為 40 Gbps，在 Hub 運作，上傳與下傳會直接通過（無需經由 USB3 embedded SS hub），使得上傳帶寬亦可為 40 Gbps，不會受限於原 USB3 Gen X 上傳 20 Gbps 限制，讓 USB3 Tunneling 可以更有效地利用 USB4 的帶寬。對 Host、Hub、Device 來說，USB3 Gen T Tunneling 都是可以選擇性支援的功能。

結論

USB4 Gen4 傳輸速度提升到 80 Gbps 並採用 PAM3 編碼，新增USB Gen T 與支援非對稱傳輸；測試上由原本只要測試兩對 TX/RX，變為 4對 TX/RX，不只增加了測試時間也增加了測試複雜度。

對於設計團隊來說，PAM3 編碼是新的挑戰，眼高只有原先 NRZ 一半的狀況下，訊號雜訊失真比 (SNDR) 相形重要，更複雜的眼圖及抖動測試分析，需要更多時間去摸索。此篇文章先針對 USB4 Gen4 做了基本介紹，下一篇則會介紹 USB4 Gen4 物理特性及 PAM3 量測及設計考量；GRL 在 USB 測試與認證領域擁有豐富的經驗與深厚的專業知識，已架設USB4 80 Gbps 的測試環境，若您有任何 USB 相關疑問，歡迎與我們聯絡。

參考文獻

1. Universal Serial Bus 4 (USB4®) Specification, Version 2.0, October 2022

作者
GRL台灣技術總監 張靜宜 Sandy Chang

Thunderbolt 4, USB4, USB3, DisplayPort, HDMI, PCI Express等高速介面測試領域的專家。

本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。                         

發佈日期 2022/10/20 AN-221020-TW