引言：作為高速接口IP新銳企業(yè)，芯耀輝對(duì)USB接口的發(fā)展歷史、未來(lái)趨勢(shì)和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)等有深刻洞察，并基于多年設(shè)計(jì)積累和優(yōu)秀架構(gòu)提供靈活易用的完整解決方案，幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。
我們對(duì)速度的不懈追求，使得終端產(chǎn)品升級(jí)換代的節(jié)奏越來(lái)越快。如何面向未來(lái)需求加快產(chǎn)品上市？如何應(yīng)對(duì)高速接口設(shè)計(jì)及測(cè)試挑戰(zhàn)？近日，由全球測(cè)試測(cè)量行業(yè)領(lǐng)先者安立公司、泰克公司及GRL，共同舉辦的2021高速接口聯(lián)合測(cè)試論壇，針對(duì)行業(yè)熱點(diǎn)關(guān)切，特邀芯片設(shè)計(jì)、IP及設(shè)備相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)廠商進(jìn)行深入探討。
作為高速接口IP新銳企業(yè)，芯耀輝科技受邀出席本次盛會(huì)。芯耀輝科技技術(shù)支持總監(jiān)劉好朋以“消費(fèi)類電子接口發(fā)展展望——USB會(huì)一統(tǒng)天下嗎？”為主題進(jìn)行精彩分享，并深入介紹了芯耀輝USB PHY IP方案，現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)熱烈。
圖：芯耀輝科技技術(shù)支持總監(jiān)劉好朋
發(fā)展歷史丨30年風(fēng)云，USB王者之氣漸顯
USB全稱是Universal Serial Bus，名稱體現(xiàn)了其通用性強(qiáng)、傳輸率高、兼容性好和即插即用的初心。迄今，USB接口標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)歷了3個(gè)階段。第一階段始于1995年，為解決接口通用性問(wèn)題，第一代USB標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)世，傳輸速度僅為1.5Mbps，業(yè)內(nèi)反響平平。第二階段自2000年始，USB 2.0傳輸速度達(dá)到480Mbps，被廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用。但在隨后5年多間，USB標(biāo)準(zhǔn)并無(wú)新的亮點(diǎn)。
新的突破在第三階段，以2008年發(fā)布USB 3.0、傳輸速度突破至5Gbps為標(biāo)志。隨后，2013年傳輸速度為10Gbps的USB3.1，2017年傳輸速度達(dá)20Gbps的USB3.2陸續(xù)發(fā)布。2019年發(fā)布的最新的USB4，最高速度可達(dá)40Gbps，終端產(chǎn)品于2020年底陸續(xù)面市，特別是英特爾酷睿11代產(chǎn)品集成了支持USB4的Thunderbolt 4，被業(yè)內(nèi)視為USB4標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始普及的標(biāo)志性事件。
圖：USB標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展史
未來(lái)趨勢(shì)丨USB技術(shù)演進(jìn)瞄準(zhǔn)高速、兼容
多年來(lái)，USB接口標(biāo)準(zhǔn)不斷更新升級(jí)，得益于強(qiáng)大的兼容性，不同代際共存于市的情況很普遍。劉好朋從USB應(yīng)用市場(chǎng)采納角度分析，呈現(xiàn)兩種趨勢(shì)：一個(gè)是傳統(tǒng)應(yīng)用中，新標(biāo)準(zhǔn)普及節(jié)奏快慢不一；另一個(gè)是新興應(yīng)用中，新標(biāo)準(zhǔn)起驅(qū)動(dòng)作用。
舉例而言，游戲、VR/AR等設(shè)備對(duì)新的USB標(biāo)準(zhǔn)采納最為保守。雖然需求量很大，但它們更渴盼統(tǒng)一接口，整合所有電源線、控制線、數(shù)據(jù)線、音視頻線等。USB4等新一代USB標(biāo)準(zhǔn)符合以上的需求，更適合這個(gè)場(chǎng)景，可支持4K、8K甚至未來(lái)的10K視頻傳輸，再加持低延時(shí)、可變刷新率等先進(jìn)特性給用戶帶來(lái)更好的使用體驗(yàn)，將加快該類應(yīng)用對(duì)USB新標(biāo)準(zhǔn)的采納進(jìn)程。
他還提到應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展，促使USB接口技術(shù)演進(jìn)呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：持續(xù)挑戰(zhàn)更高傳輸速度；不斷兼容多種協(xié)議等。
預(yù)計(jì)2025年前后，USB接口的傳輸速度有望達(dá)到近80Gbps，繼續(xù)保持相對(duì)Thunderbolt的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)， Type-C作為大一統(tǒng)的接口形態(tài)，其機(jī)械特性和電氣特性會(huì)有進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)；而連接線纜可能全部被主動(dòng)式線纜取代，來(lái)適配長(zhǎng)度要求。
USB也將繼續(xù)保持對(duì)多協(xié)議的兼容，包括對(duì)不同代際的USB標(biāo)準(zhǔn)，如USB 3.1、USB 3.2和USB4等，以及快充標(biāo)準(zhǔn)USB PD，還有DisplayPort、PCIe、Thunderbolt，未來(lái)甚至 HDMI 和 以太網(wǎng)等都有可能將納入U(xiǎn)SB接口支持范圍，成為名副其實(shí)“一統(tǒng)天下”的王者。
挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)丨芯耀輝先進(jìn)USB IP，破解高速接口設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)三大難
USB市場(chǎng)空間可觀，但產(chǎn)品快速落地和迭代，給芯片設(shè)計(jì)和測(cè)試提出了更多挑戰(zhàn)：傳輸速度極高，接口協(xié)議極多，快充協(xié)議極多，協(xié)議升級(jí)加快。作為高速接口IP供應(yīng)商，芯耀輝對(duì)此有如下洞察，并基于USB PHY IP多年設(shè)計(jì)積累和優(yōu)秀架構(gòu)提供靈活易用的完整解決方案。
挑戰(zhàn)一：需要適配各種復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景。
如圖，為支持不同的編碼，包括8/10bit，128/132bit，還有可選的64/66bit；不同的協(xié)議，USB、DP，以及可選的Thunderbolt、PCIe等，以及繁多的傳輸速率和協(xié)議電氣特性等。IP設(shè)計(jì)上需要通盤(pán)考慮、逐個(gè)優(yōu)化。
圖：USB PHY IP設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)——適配復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景
挑戰(zhàn)二：更加嚴(yán)苛的信道插損預(yù)算。
USB3.1 Gen1 5Gbps的信道插損根據(jù)DFP和UFP不同、接口類型不同，預(yù)算不盡相同，連接線纜的要求也不相同。而USB3.1 Gen2 10Gbp，統(tǒng)一了DFP和UFP的預(yù)算，和接口類型、線纜無(wú)關(guān)。但這其實(shí)變相提升了對(duì)封裝、PCB、線纜的設(shè)計(jì)要求，更是提高了PHY IP的設(shè)計(jì)難度。因?yàn)橐活w芯片必須要適配多種不同應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)IP設(shè)計(jì)、整個(gè)芯片系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試提出了更高的要求。
圖：USB PHY IP設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)——嚴(yán)苛的信道插損預(yù)算
挑戰(zhàn)三：USB4復(fù)雜的發(fā)送端和接收端均衡與嚴(yán)格的誤碼率要求。
USB4鏈路訓(xùn)練采用和PCIe Training類似反饋方法，發(fā)送端在發(fā)送訓(xùn)練序列的同時(shí)，將自身接收端對(duì)于對(duì)接發(fā)送端的FFE請(qǐng)求反饋，在預(yù)設(shè)值中找到適應(yīng)的最優(yōu)均衡值。USB4要支持多達(dá)16個(gè)預(yù)設(shè)值的快速遍歷。接收端要適應(yīng)不同頻率的周期抖動(dòng)，每一個(gè)周期抖動(dòng)都要通過(guò)PRBS31的低誤碼率測(cè)試，協(xié)議要求誤碼率1e-12，為了盡可能增加系統(tǒng)設(shè)計(jì)的裕量，通常IP在設(shè)計(jì)中會(huì)把目標(biāo)誤碼率降低到1e-13，甚至更低水平。
圖：USB4 PHY IP設(shè)計(jì)挑戰(zhàn) -- USB4復(fù)雜的發(fā)送端和接收端均衡與嚴(yán)格的誤碼率要求
針對(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，芯耀輝提供極具靈活性的完整解決方案適配各種應(yīng)用場(chǎng)景并向下兼容，包括USB4和USB 3.1 Type-C解決方案。
芯耀輝USB 3.1 Type-C解決方案，具有領(lǐng)先的架構(gòu)和設(shè)計(jì)，已在大量移動(dòng)應(yīng)用中得到驗(yàn)證。針對(duì)所有需要Type-C的應(yīng)用，USB速率達(dá)到10Gbps，DP HBR3速率達(dá)到8.1Gbps，并具有HDCP 2.3 內(nèi)容保護(hù)。
芯耀輝USB4 IP解決方案，支持USB4規(guī)范中所有功能；通過(guò)Type-C連接，支持USB4、DisplayPort、PCIe和Thunderbolt3；新的Router IP可使USB、PCIe和DisplayPort在優(yōu)化帶寬的同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)流；高達(dá)40Gbps（或20Gbps）的吞吐量，可用于高性能AI、高速存儲(chǔ)、PC、筆記本、手機(jī)和平板SoC等設(shè)計(jì)。
圖：芯耀輝USB4和USB 3.1 Type-C完整解決方案優(yōu)勢(shì)
在演講的最后，劉好朋向到場(chǎng)嘉賓介紹稱，芯耀輝科技是一家擁有行業(yè)“夢(mèng)之隊(duì)”的初創(chuàng)IP公司，致力于通過(guò)先進(jìn)半導(dǎo)體IP研發(fā)服務(wù)，賦能客戶的芯片設(shè)計(jì)和系統(tǒng)應(yīng)用。芯耀輝科技創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)是來(lái)自IP設(shè)計(jì)、芯片設(shè)計(jì)、軟件等行業(yè)頂尖人才，曾與國(guó)內(nèi)外具備量產(chǎn)能力的頂尖和主流客戶一同打造全球領(lǐng)先產(chǎn)品，并長(zhǎng)期共同迭代，有著超過(guò)20年的深厚積累，深諳芯片設(shè)計(jì)的痛點(diǎn)，還可提供一系列定制的IP升級(jí)服務(wù)。芯耀輝科技愿意與更廣泛的客戶攜手合作，助力芯片設(shè)計(jì)廠商取得更大成功。
