原创 趋势分析 | 高速接口的演进与未来

早期计算机不普及，显示应用主要在电视接口为模拟讯号的AV端子及S端子，1990年计算机开始发展，计算机屏幕与电视慢慢变成显示市场的两大主流，分辨率提高的要求下由VGA到DVI与HDMI，从模拟转变为数字讯号，而HDMI的发展主要由电视影音相关领域的品牌所主导，一个是连接天线、机顶盒、播放器、或游戏机远距离观看，另一个为连接计算机近距离使用，在功能与要求差异的推动下，2006年VESA提出DisplayPort架构，与HDMI成为屏幕两大主要接口，但HDMI仍旧为电视的主要接口。

DisplayPort 1.3的推出让数据带宽来到的32.4Gbps，也迫使HDMI必须往上增加带宽，支持更高分辨率与更新率，因此在2017年推出HDMI 2.1 (48Gbps)；USB-IF以及VESA在取得Intel授权Thunderbolt技术后，在Type C 接口上推出DisplayPort 2.0 (80Gbps) ，最高可支持16K@60Hz，并且可与USB4的数据流同时传输，让DisplayPort在计算机周边广泛被应用，但在电视领域生态链的采用率仍然偏低，主要原因是VESA与HDMI分属不同生态系与组织，背后有不同的大厂支持，已不单纯是技术与功能考虑，而是大厂对于市场的影响力。

图1：影音传输接口的演进

接下来我们从另一个角度来看看技术的演进，由下图可以看出拉高传输速度的领头羊就是PCIe，近20年的电子发展CPU、GPU或各式各样的核心处理器主流都是应用PCIe作为IC对外的主要传输总线，因为IC设计能力提升，加上半导体制程进步使得PCIe1由2.5Gbps per lane到现在PCIe6的64Gbps per lane；但PCB的材质也渐渐地走到了可量产的物理极限，所以在传送端与接收端的补偿机制如Pre-amp、Pre-shoot、amplitude negotiation、CTLE、FFE、DFE等技术的导入都是为了克服PCB板材与Cable线材的损耗。

我们也观察到SATA与SAS这类的储存应用界面正被PCIe直接取代，因为SSD的崛起，架构上让PCIe直通、减少其他IC的桥接、简化设计；加上Thunderbolt、USB、DisplayPort这些界面都融合到Type C上，界面应用的整合虽然对消费者来说是非常方便的，把影像、声音、数据、控制与电源全部整合，但对于IC与产品开发者却要花费更多的资源与时间去验证各式各样排列组合的兼容性，这也是协会与认证实验室的重要性，确保大家有一致性的作法，让成千上万的产品到消费者手上皆能被正常使用。

图2：高速传输接口的演进

谈到接口的未来发展，大家可以想想IEEE802.3，他是网络通讯的基石，技术上是走在高速接口的前端，如下表Ethernet最高已经到112Gb/s，单纯用NRZ架构一次传一个bit已不够用，所以有了PAM架构让数据可以一次传2个bit以上，因为频率已无法再提升，因此只能用电压幅值大小的区别来传送更多数据量，数据协议也不在底层架构下区分，以上特征即是未来接口发展的趋势。上面有提到USB4和DisplayPort 2.0应用到Thunderbolt的技术，如果大家了解Thunderbolt的CIO ( Converged-IO ) Protocol，它早期的传输速度是10.3125 Gb/s与20.625 Gb/s，还有装置识别用相似于IP的概念，没有区分数据型态皆可用Tunneling方式承载，这些都跟Ethernet技术类似。也就是说Data Center的技术应用走得最快但相对成本高，成熟后会应用到消费性电子。

表1

随着云端数据库的蓬勃发展，可以预见大多数终端产品不需具备强大功能，只需注重在输入接收如录像及拍照，还有输出呈现如画面声音播放有足够的处理能力，大量数据储存与运算能力可以藉由Data Center来完成；所以Data center无论有线无线的网络通讯都需要在硬件技术飞速成长，以符合越来越多云端应用以及海量数据的智能运算，因此量子计算机技术的发展以及6G星链的讨论都是为强大的Data Center预做准备，当然，随即延伸而来的资安黑客问题，就是另一个大家关心的话题了。

图3：高速传输接口的演进

作者

GRL大中华区总经理 庄益林 Alan Chuang

具仪器业界超过七年的服务经验，熟悉各传输界面技术与应用，现担任GRL大中华区总经理，负责大陆区与台湾区三个实验室的业务拓展与未来发展目标。