乘风破浪的USB Type-C，年底将迎来USB4版本

通用串行总线（Universal Serial Bus，简称USB）可能是这个世界上最通用的接口之一。它最初是由英特尔与微软倡导发起，最大的特点是尽可能实现热插拔和即插即用。USB接口自1994年推出以来，经过26年的发展，经过USB 1.0/1.1、USB2.0、USB 3.x，最终发展到了现在的USB4；传输速率也从最开始的1.5Mbps，大幅提高到了最新的40Gbps。

 
图1：USB不同版本的标志、传输速率和理论速度。（图片来源：维基百科）

Type-C乘风破浪，发展迅速

不仅版本和传输速率经历了很多的变化，其接头也经历了多种变化，从Type-A、Type-A SuperSpeed、Type-B、Micro-B、到Type-C，这其中有经典的接头，也有不太友好，最终被市场弃用的接头。

 
图2：USB接头与其可支持的USB版本。（图片来源：维基百科）

 
这其中USB Type-C是在2013年底公布，2014年开始有量产产品推出，经过多年的发展，如今已经成为了主流的USB接口。
 
目前不仅新推出的智能手机基本上都支持Type-C接头了，还有笔记本电脑、数码相机、智能音箱、移动电源等等设备也都开始采用Type-C规格的USB接口了。比如苹果已经完全将旗下的MacBook笔记本电脑改为了纯USB Type-C接口来让用户传输数据或充电。更有市场传言，苹果将会在未来的iPhone上 也采用USB Type-C接口。
 
而USB-IF在2019年9月3日发布的USB4标准更是宣布，将只支持Type-C接。
 
为何开始那么多的接头，最终都归结为Type-C呢？这与它几乎解决了过去USB接头的所有缺陷密切相关，比如它无需区分正反、最高可以支持5A大电流，在USB4标准支持下，最高可传输速率可达40Gbps。
 
据了解，目前一些北美和台湾知名IC设计企业都已经开始了USB4芯片的研发工作。预计今年年底就会有采用USB4标准的Type-C产品面市。
 

USB4产品好设计吗？

 前面有提到USB-IF在2019年9月的时候正式推出了USB4规范。该新规范有哪些变革呢？
 
新的USB4最大的改变是引入了英特尔此前捐献给USB-IF的Thunderbolt雷电协议规范，通过双链路运行，传输带宽又翻了一番，达到了40Gbps，而且可通过隧道（Tunnelling）传输技术支持多种数据和显示协议，例如PCI Express和DisplayPort。此外，USB4在引入新的底层协议的同时，仍然保持了良好的兼容性，可向下兼容USB3.2/3.1/3.0/2.0，以及雷电3。
 
也正是如此，USB4成为了迄今为止最为复杂的USB标准，从而要求设计者必须要了解USB4、USB3.2、USB2.0、USB Type-C和USB Power Delivery技术规范。此外，设计者还必须了解PCI Express和DisplayPort规范，以及与USB4 DisplayPort模式 适配的高清内容保护（HDCP）技术。
 
由此可见，要设计一款具有完整功能的USB4 Type-C产品并非易事。那有没有简便的方法呢？
 

完整的USB4 IP解决方案可缩短芯片开发时间

新思科技（Synopsys）在今年6月份推出的业界首款完整的DesignWare®USB4™IP解决方案就可以降低支持40Gbps USB规范的SoC开发风险，加快芯片上市时间。该解决方案由控制器（Controller）、路由器（Router）、PHY和验证IP（Verification IP）组成。DesignWare® USB4 IP的最高传输速度为40 Gbps，是USB3.2的最高数据传输率的两倍，并可向下兼容USB 3.x和USB2.0系统。DesignWare® USB4 IP支持多个高速接口协议，包括USB4、DisplayPort 1.4a TX、PCI Express和Thunderbolt 3，通过一根USB Type-C数据线即可实现高效的数据传输、高清视频传输，以及强大的设备供电能力。

 
图3：USB4双总线系统架构，其中USB 2.0（用于向后兼容）与USB4分别使用不同链路。（图片来源：新思科技）

 
据了解，新思科技已经在先进的5nm FinFET工艺中成功实现了其USB4 IP的测试芯片流片，证明了该IP在不同范围工艺、电压和温度下的稳定性。新思科技也计划在7nm以及其他工艺节点上推出USB4 PHY IP。新的DesignWare® USB4 IP旨在满足各种存储、PC和平板电脑芯片设计的功能、电源、性能和尺寸要求，并可在边缘设备上实现人工智能(AI)应用的软件开发调试和轻松部署。
 
DesignWare® USB4路由器IP构建了所有支持协议之间的有效连接，并与USB4控制器IP一起进行了数百万个CPU模拟小时仿真的预先验证，确保长期运行下的性能和互操作性。DesignWare® USB4 PHY IP支持所有所需协议，芯片占用面积约为独立协议PHY的三分之一，并提供高效的电源管理能力。
 
新思科技的USB4验证IP解决方案包括内置覆盖率、协议检验器、用于主机和设备路由器拓扑的Verdi协议感知调试技术，以及用于USB、PCI Express和DisplayPort隧道传输协议验证的复杂源代码测试套件，加快完成验证收敛。
 

结语

 USB4将多种协议都统一到Type-C接口，未来我们使用的笔记本电脑、手机、游戏机、相机和显示器等设备都将采用统一的数据线缆，这将会给我们的生活带来非常大的便利，以后再也无需去费劲地认识那么多复杂的接口，也不需要出门时带上一大堆不同类型的线缆，一根线就解决了所有问题。而新思科技的USB4 IP方案，将会加速这个进程，让一根Type-C线缆走天下的时代更快来临。