接口的终极　浅析快似“雷电”的新一代USB

2020-07-29

电脑爱好者 2020年11期

雷电接口的前世

雷电（Thunderbolt，在苹果设备上又称为雷雳）接口最早诞生于2009年，是英特尔倡导的一种高速I/O接口，只是当年它长期处于实验室状态，直到2011年才以Mini DisplayPort（下文简称为miniDP）接口的形态集成在苹果旗下的Mac设备中。

雷电的本质

没错，雷电在本质上只是一种技术协议，它需要“寄生”在某个具体的接口标准上，而miniDP就是它的第一个“宿主”（图1）。2015年，随着USBType-C接口标准的出现，它很快就被最新的雷电3技术盯上，至今网上也仍在流传“雷电3一定是USB Type-C，但USB Type-C却不一定支持雷电3”的科普内容。

和传统的USB接口相比，雷电技术最大的特色就是更快。比如第一代雷电就拥有10Gbps的传输速率，而且最多可以串联4部设备，和它相比同期的USB3.0（5Gbps）简直“弱爆”了。2013年，USB-IF（USB推广组织）发布USB3.1技术规范，好不容易才将理论传输速率提升到10Gbps，英特尔却已携手苹果推出了雷电2，依旧是采用miniDP接口形态，但传输速率却实现了翻倍，20Gbps再度让传统的USB“羡慕嫉妒恨”。

2015年诞生的雷电3，哪怕用今天的眼光来看也是一众I/O接口中的“皇帝”，它拥有高达40Gbps的传输速率，而且这还是在全双工状态下的，如果是单向传输，其理论速度最高可达80Gbps，与2019年才刚刚定下标准的DisplayPort 2.0（DP 2.0）标准相当。此外，雷电3还兼容你所熟悉的各种多媒体传输协议，可以扩展出几乎所有接口，甚至还能用于接驳外置显卡，让1kg重的轻薄本也能通过桌面版RTX 2080显卡玩上最新的3A游戏大作（图2）。

雷电的融合

雷电与USB之间的战争终于在2019年迎来曙光，当年3月初，英特尔将雷电技术协议开放给了USB推广组织，USB—lF随后便发布了USB4，它在底层就实现了雷电和USB协议的融合，增强基于USB Type-C接口的产品之间的兼容性（图3）。

可惜，直到今天就连USB3.2标准还没普及，USB4更是成为了传说中的存在。就在这个大背景下，英特尔第十一代酷睿Tiger Lake平台将带来全新的“雷电4”，而USB-IF的代表在CES 2020上也确认了雷电4其实就是英特尔“全功能USB4”的品牌名称。在正式介绍这一全新接口之前，我们还需回顾一下当前最热门的雷电3接口的生存现状。

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如果你想了解USB接口的各种标准以及发展史，请参考本刊2019年第9期《混乱伊始抢先认识未来的USB接口》这篇文章。

雷电接口的今生

我们都知道雷电3是众多接口中的“皇帝”，无论是实用性还是用于宣传上的噱头都是一等一的存在。但是，纵观移动和桌面领域，只有极少数高端笔记本和設计师主板才有所涉猎，绝大多数笔记本身上的USB Type-C别说支持雷电3了，就连传输速率还停留在USB3.1Gen1（5Gbps）的水平上（图4）。

那么，是什么原因导致了雷电3难以普及呢？

雷电的荆棘之路

在过去，一款笔记本要想支持雷电3，需要购买并安装额外的雷电3控制器芯片，而且英特尔也需要收取不菲的授权费用。这些额外的开销对本就昂贵的苹果MacBook来说根本不算啥（图5），但对讲究“薄利多销”的Windows笔记本而言就是难以承受之重了。

此外，雷电3想要获得40Gbps的满速性能，需要占用4个满速的PCI-E 3.0通道（即PCI-E 3.0×4）。问题来了，在第八代酷睿（移动版）以前，整套平台的PCI-E 3.0通道只有16条，在搭配高性能独显和高速PCI-E 3.0×4 M.2 SSD硬盘之后，如果再加上雷电3可能就会引起“抢带宽”的问题了。

在现实中，很多支持雷电3的笔记本只为该接口准备了2个PCI-E 3.0通道（即PCI-E3.0×2），在业内又称为“半速雷电3”，其理论传输速率只有20Gbps，虽然功能不受影响，但在连接外置显卡时的性能耗损却较为明显。因此，在无数发烧玩家眼中，只有满速的雷电3才是真正的雷电3。

到了2019年，这些问题“貌似”得到有效的解决。

想当然的原生机制

正如前文所述，2019年英特尔开放了雷电3的授权，相关的授权费用被变相减免了。此外，传说第十代酷睿处理器平台全部“原生支持”雷电3，以Ice Lake为代表的平台还将PCI-E 3.0通道数增加到了32条，从种种迹象来看，如果新品不配雷电3都没有天理了！

我们都知道，第十代酷睿包含10nm Ice Lake（轻薄本）和14nm Comet Lake（轻薄本和游戏本）两大平台。从底层架构来说，Ice Lake将雷电3控制器整合进了CPU内核中，而且原生就支持4个雷电3（图6），其PCI-E 3.0通道数量高达32条。虽然这些通道中有16条（4×4）是仅供雷电3专属使用，但却再也不会占用CPU提供的PCI-E总线数量或者与PCH一起抢夺原本就已拥挤不堪的总线资源。

来自英特尔官网的价格和参数信息

但是，你以为Ice Lake“原生支持”雷电3，搭载这一平台处理器的笔记本就一定能标配雷电3接口吗？

答案自然是你想多了，现阶段雷电3接口需要支持USB PD协议充电，这就需要额外的PD电源管理芯片。此外，像Ice Lake的这种设计也意味着雷电3接口与（集成控制器的）CPU之间距离较远，存在一定的信号衰减问题。为此，Ice Lake平台笔记本想要支持满血的雷电3，还需要搭配名为JHL8040R Retimer的信号增强器（图7），虽然一颗Retimer芯片就能直连2个满速（40Gbps）的雷电3接口，但它毕竟也是需要2.4美元的（图8），而且背后还存在为PCB主板的优化布局等研发费用。

再来看看Comet Lake平台，它在底层架构上和英特尔早期平台没有什么差异，雷电3功能依旧被挂在了PCH（传统意义上的北桥）芯片组中（图9）。换句话说，搭载CometLake平台的笔记本，想支持雷电3还是需要搭配额外的雷电3控制器芯片，并不是传说中的“原生支持”，不仅成本更高，还存在与其他设备抢PCI-E 3.0通道和挤占DMI3.0总线资源的问题。

如果说Ice Lake平台的雷电3功能是以“CPU（集成雷电主控）→Retimer→接口”路径实现，那Comet Lake平台就是“CPU→DMI→PCH→雷电主控→接口”，步骤更多，成本、性能和功耗损失也就更大。

现在，大家知道为什么那怕是Ice Lake平台的第十代酷睿笔记本，能配备雷电3接口的产品也少之又少了吧？

雷电接口的未来

有消息称第十一代酷睿Tiger Lake平台的发布时間会被英特尔从8、9月份提前到6月份，而该平台还会采用优化的10nm+工艺、全新的CPU和GPU微架构而备受期待。那么，Tiger Lake所支持的雷电4又有了哪些改变（图10）？

变与不变的雷电4

从已有的消息来看，USB4存在20Gbps传输速率的“半速版”，用来取代现有的USB3.2Gen2×2标准（图11）。而雷电4，则可视为“全功能USB4'，不仅需要拥有40Gbps的满速，还需同时兼容USB PD充电和原雷电3的全部功能。没错，你可以用满速四通道的雷电3的“马甲”来看待雷电4。

需要注意的是，我们现在也不能排除英特尔会对雷电4进行升级优化。Tiger Lake平台支持PCI-E 4.0，理论上只需一半的PCI-E通道数量就能获得和雷电3等同的带宽。此外，雷电3的40Gbps用于数据传输和视频传输的带宽分别约为22Gbps和18Gbps，如果雷电4能增加智能带宽分配的功能就更完美了，比如视频传输的带宽在闲置时动态分给数据传输，外接显卡时无疑可以进一步减少性能耗损。

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如果你想了解全功能USB Type-C和雷电3能扩展出哪些外设，请参考本刊2020年第10期《接口底蕴很重要笔记本扩展坞别乱买》这篇文章。