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USB与PCIe总线优异技术特性及创新设计

以PC平台为最初应用领域的USB与PCIe界面技术,挟其优异的技术特性,在市场接受度不断攀升。同时在技术规格不断提升与相关业者的创意巧思的推动下,两者的应用已不再仅局限于PC领域,更逐步朝向各种高频宽传输需求的多元应用领域发展。 

一直以来,个人计算机的格规演进与半导体产业的发展,有着密不可分的关系。循着摩尔定律的发展轨迹,个人计算机的中央处理器(CPU)能力约每18个月,便有突破性的进展,相对带动了计算机应用的多元与普及,同时也建立起它在半导体产业的重要影响力。 

为了扩大应用层面,导入更多消费者喜爱的功能,过去的计算机是以PS/2连接埠、串行埠(Serial Port)、并行端口(Parallel Port)等接口,来连接不同的接口设备。然而,在通用序列总线(Universal Serial Bus, USB)接口出现后,彻底改变了原本令人望而却步的复杂使用环境,而以随插即用(Plug and Play)与热插拔(Hot Plug)的人性化操作方式掳获人心,并挟着低成本的优势,快速在PC市场中成长,并进一步扩张至消费性电子产品的应用领域,成为最广为采用的高速传输接口技术。 

根据In-Stat与工研院IEK-ITIS计划的数据显示,USB的产品出货量将从2004年的7亿套成长至2009年的21亿1千万套,年复合成长率为24.9%,其中计算机相关的应用比重约占整体应用的五成,而消费性电子与通讯产品的应用则分别有两成以上的比重(图1)。 

另一个值得注意的高速传输接口PCI Express(以下简称PCIe),同样是在个人计算机应用功能不断提升下诞生,并掀起一场计算机系统传输架构的新革命。 

为了解决PCI与AGP绘图卡接口频宽不足的问题,英特尔(Intel)与ATI、超微(AMD)、IBM、惠普(HP)、微软(Microsoft)、及德州仪器(TI)等公司,于2002年推出新一代总线技术PCIe,并从2004年中开始推出相关产品,希望逐步取代现有的AGP、PCI,甚至PCI-X等架构。 

相较于PCI与AGP接口,PCIe在数据传输的实体层是由一组单工通道(Lane)组成发送端(Tx)与接收端(Rx),每组PCIe都有自己专用的信道与南桥芯片进行传输(图2),而不再是共享总线的架构,可避免数据传输干扰及异步等问题,加快整体传输速度,达到每个信道2.5Gbps的传输速率。 

而除了传输频宽大幅提升外(表1),PCIe同时还具备体积较小、成本较低,及可支持热插拔等特性。此外,PCIe也同时规画了行动装置使用的PCI Express Mini Card与PCI Express Card等规格,分别用来取代目前的Mini PCI接口与CarBus PCMCIA接口。 

PCIe的出现不仅是主机板层级的数据传输速度的提升,更间接带动计算机周边装置的同步升级。随着英特尔新推出的945、955、975等芯片组均全面支持PCIe规格,以及绘图芯片双雄ATI和nVIDIA的新款绘图芯片也全面升级PCIe,桌上型计算机的PCIe传输接口架构革命已然成型,并将于英特尔的Napa平台与微软的Vista操作系统相继成熟后,延烧至笔记型计算机市场。 

USB寻找下一个杀手应用 

从1998年USB1.0的标准问世后,USB便开始改写计算机周边连接接口的历史,并从原本传输速度为1.5Mbps的USB1.0,一路升级至12Mbps的USB1.1,甚至到现在480Mbps的USB2.0规格,可满足愈来愈大的影像传输需求。 

就应用领域而言,个人计算机仍是USB接口最大宗的市场,现在几乎所有新推出的计算机皆已配备USB2.0的连接接口。至于消费性电子,则在可携式产品对于数据分享需求日益提升的驱动下,USB接口也已成为产品设计业者的最佳选择。 

手机市场成USB应用新目标 

由于产品应用广泛,USB每年的市场需求量也相当惊人。根据柏士半导体(Cypress Semiconductor)内部预估,2006年该公司USB相关产品可销售的市场规模(Sale Available Market)就高达3亿美元(图3),如此诱人的大饼,自然也吸引了不少业者先后投入USB接口芯片的供应市场。 

然而,由于USB接口控制芯片为标准产品,且进入门坎不高,在各路人马竞相争逐之下,免不了落入价格竞争的窘境。Cypress台湾分公司大中华区事业发展经理林容茹(图4)即表示,USB界面的发展至今已臻成熟,应用领域遍及计算机周边、大容量储存媒体(Mass Storage)、可携式多媒体装置及消费电子产品,尤其在储存方面的应用更是到了削价竞争的局面。然而,她也指出,现在的设计业者也已注意到不能沦为价格竞争,而开始朝向增加产品新功能与新特色的方向发展,因此诸如指纹辨识等安全功能,已逐渐在市场中发酵。 

创惟科技技术长林志荣(图5)也认为,USB接口控制芯片的进入门坎不高,因此新的竞争者出现的速度相当快,尤其在卡片阅读机控制芯片与随身碟控制芯片的应用市场,大陆方面的业者在成本及反应速度上也极具竞争力。因此,如何善用公司自身的技术优势与资源,取得有利的市场位置,将是相关业者在产品规画时亟需考虑的重点。 

而在USB众多应用中,手机市场无异是个人计算机相关应用外,另一片迷人的挥洒空间。然而,如何在手机中找到USB应用的最佳创意,并且让消费者接受,将是手机业者与芯片供货商面临的最大挑战。 

林容茹指出,随着手机多媒体功能的不断强化,手机与其它设备间分享、传递数据的需求也愈加明显,因此Cypress特别开发出一系列在功耗、尺寸与效能方面,均符合行动装置系统需求的MoBL-USB高速USB产品线,以拓展智能型手机与多媒体手机市场。 

相较于其它在手机基频芯片中整合USB功能的设计,MoBL-USB采独立设计(图6)。她强调,整合型的设计容易受I/O数目或内存容量影响,使得USB功能受限。而MoBL-USB系列采用超细微间距球门阵列(Very Fine Pitch Ball Grid Array, VFBGA)封装,体积极小(以TX2为例,仅5×5mm,球型接脚间距为0.5mm),并强化了电源管理功能,让手机业者可藉由USB来发展更多的延伸功能。 

林容茹表示,手机制造商对于增加USB界面的应用兴趣甚高,目前Cypress也正与一线大厂进行导入设计(Design-in)的阶段,预计在今年第二或第三季,将有产品推出。 

同样在手机市场有所著墨的旺玖科技,主要锁定手机与其它装置的传输线应用。旺玖科技产品计划管理部协理马继芳(图7)表示,该公司所推出的USB to IDE桥接控制芯片,已获得全球手机传输线市场的广范采用。其主要功能是将手机原本序列式讯号,转换为USB的讯号,以方便与个人计算机相连接。 

目前旺玖所提供的桥接芯片主要仍是以手机外部的相关应用为主,而未来亦不排除朝手机内部应用发展。马继芳指出,该公司与多家手机业者均有合作,其中已有客户提出,希望将USB功能整合到手机内部的需求,而旺玖也正积极寻求创新突破,希望能新增更多适合的附加功能,以展现更好的应用效能。 

相较于其它业者,创惟对于手机市场则采取较保守的看法,林志荣认为USB功能多半已被整合至基频芯片中,对USB芯片业者而言发挥空间不大,反到是其周边配件所带来的USB商机是不错的发展机会。他强调,USB的应用市场由以往的计算机市场延伸到消费性电子是必然的趋势,而创惟将锁定中大型产品市场的应用领域,继续发挥自身的技术及产品优势,并积极朝向如PCIe、SATA等新的高速接口技术发展。 

USB OTG朝影音市场迈进 

除了USB2.0产品持续在新的应用市场上发酵外,各家业者也都开始抢攻USB OTG(USB On-The-Go)市场。 

USB OTG是USB设计论坛(USB-IF)对USB2.0规范的延伸补充,其中最大的转变是一改USB2.0所使用的星状拓朴架构,在相同的USB埠上,加入双重角色功能(Dual-role Device, DRD),实现不须透过PC的控制操作,即可完成两个USB OTG装置间点对点(Peer to Peer)数据互传。 

除了打破必须透过个人计算机达成数据交换应用的束缚外,为了更符合行动装置的应用需求,USB OTG特别提出小型之连接头的规格(如Mini A、Mini B与Mini AB),同时调降电流与电压,以降低USB OTG扮演主控(Host)角色时的耗电量。 

事实上,USB OTG标准早在2000年即被提出,然而一直到2005年相关产品才逐渐推出,主要原因在于OTG产品设计的困难度。马继芳表示,两个USB OTG装置相互沟通时,除了一开始的相互辨识过程外,后续要启动主控端所需执行的功能时,相关的规范与程序相当复杂。林容茹也指出,虽然OTG应用市场一直存在,但产品的设计门坎很高,并且要克服许多兼容性的问题,因此较难驱动市场。林志荣认为,产品价格过高,也是影响市场接受度的重要原因。 

目前OTG最主要的应用市场,仍以大容量储存的应用为主,如外接式硬盘、机上盒(STB)等,今年则开始朝向影音应用功能的市场发展,以旺玖为例,该公司已将OTG技术,应用于照片浏览器(Photo Viewer)中,此外其它应用领域还包括多功能事务机、打印机等市场。马继芳指出,由于记忆卡容量日益提升、价格也逐步下滑,因此若纯粹只以数据交换、储存等功能来做为OTG吸引消费者的优势,恐怕稍嫌薄弱,因此以多媒体功能的角色出现,或许会是不错的应用。 

创惟方面亦相当看好OTG技术在多媒体影音方面的应用潜力。林志荣表示,尽管目前以出货量来看,外接式硬盘仍是较大宗的应用,然而将OTG与多媒体影音播放装置相结合的应用,将是极具潜力的应用市场。 

他认为,2005年OTG产品刚面市时,由于芯片功能的整合度不高,所以产品价格居高不下,影响消费者购买意愿。因此该公司推出一款同时整合记忆卡接口与硬盘接口的高整合度USB2.0 OTG储存控制芯片GL824,除可应用于可携式电子产品市场,并能为TV、STB、DVD录放机等产品提供USB 2.0连接端口与多合一卡片阅读机接口,强化多媒体档案播放或传输应用,同时也降低产品设计的门坎与开发时间,进而达到最佳的成本结构,有助于OTG市场的普及。 

成本将是WirelessUSB普及关键 

最后,USB的无线化发展,亦是备受各界瞩目的话题。广义来看,任何藉由USB接口结合无线传输技术,来完成讯号/数据传输目的的设计,均可视为无线USB。若更精确的定义,则是指USB-IF所规范的WirelessUSB 1.0标准。 

广义方面的产品,如旺玖以USB结合802.11g的WiFi技术,开发出应用于网络摄影机(IP Cam)与数字家庭概念产品的影音数据传输应用。以及Cypress利用其专属的2.4GHz无线技术,开发出应用于人机接口装置(Human Interface Device)、低传输率的WirelessUSB,用以取代原本使用27MHz频段的无线技术,解决严重的干扰问题。 

至于根据USB-IF所制定的WirelessUSB 1.0标准所开发出的产品,目前则为数不多,且价格偏高。对于未来整体市场是否能够成形,业者的看法不一。林志荣认为,WirelessUSB的发展,主要仍面临成本太高及应用效益不明的问题。 

他指出,尽管USB-IF的标准,已确定采用WiMedia的UWB底层来发展,然而目前相关解决方案均仍在起步阶段,尤其无线技术对安全性的要求严格,通讯协议的设计复杂,相对使得芯片制造的成本提高,明年目标虽希望能降至10美元左右,但相较其它无线技术,价格仍旧偏高。此外,就应用面而言,目前所看到的预期应用市场,并没有特别突显出WirelessUSB在使用上的效益。因此,若成本结构能降到市场所能接受的价位,且在安全与数字内容保护机制上更加成熟,或许能刺激市场的应用。 

若从终端需求的特性分析,马继芳指出,一般而言,消费者在使用行动装置时会希望具备无线功能,若是固定式应用,才有取舍的问题;然而,目前大部分USB的应用也已朝向可携式产品发展,因此WirelessUSB将会是不错的技术。至于Cypress的看法,林容茹表示,该公司仍在观察中。目前则仍将以低数据传输率的专属型WirelessUSB市场,为发展主力。 

PCIe席卷高频宽需求市场 

挟着优异的技术特性诞生,PCIe被赋予的使命,便在取代AGP、PCI与PCI-X等接口技术。历经三年多的酝酿,PCIe已逐渐跃升台面,成为个人计算机领域中,高速序列传输技术的主流。 

Rambus产品营销经理Kimkinyona Fox(图8)表示,尽管在少数原本预期的应用市场发展较慢,但PCIe在桌上型计算机、服务器,以及接下来的笔记型计算机市场的取代效应,将持续且稳定地进行。 

Pericom台湾地区业务负责人李逸民(图9)则指出,拜游戏市场之赐,使得PCIe在显示卡的应用快速成形,新款绘图芯片均已改采PCIe设计。此外英特尔新推出的芯片组,以及笔记型计算机的Napa平台,也都已经转换至PCIe的架构。足见得PCIe已在计算机应用市场中成功取得一席之地。 

就使用者的观点来看,显示卡的处理效能提升,是PCIe效益最明显的印证,也因此成为PCIe最先成熟的应用领域,不过却也因而让多数人错觉,PCIe是否仅局限于显示卡的应用?对此,德州仪器连结方案高级应用工程师潘晓磊(图10)认为并不尽然。他指出,对PC产业来说,高速显示卡市场虽已成熟,但接下来网络卡(有线/无线)、ExpressCard等接口设备市场也将开始启动。短时间内,PCI与PCIe的世代交替将持续发展;而通讯产业,基本上是跟着个人计算机产业的发展步伐;至于消费性电子产业,则将在未来的一两年内,可以看到PCIe的应用。 

PCIe让PC/NB设计更灵活 

PCIe除了对外部计算机周边连结市场带来影响外,对计算机系统本身架构也提供了更灵活的设计思维。李逸民表示,由于PCIe具有可切分通道数的特性,因此留给设计者频宽运用的弹性,设计者只要藉由讯号切换芯片(Signal Switch)的协助,就可以灵活调整信道数的组合。如当南桥芯片组可支持到16通道时,设计可采用两个x8,或一个x8、两个x4的架构。这种特性尤其对组装计算机(Clone)市场的板卡业者而言,更是一项福音。 

另外,PCIe的高速频宽实现了分离式计算机(Discrete Computer)的概念。他解释,所谓分离式计算机,是类似现在笔记型计算机与扩充座(Docking)的关系。透过一颗封包切换芯片(Packet Switch)扩充座将可拥有集线器角色的功能,提供包括外接式硬盘、网络端口,或甚至影音传输/接收等各种选配功能(Optional Function)的连接。而扩充座本身则藉由ExpressCard来与主机相连,让主机的设计可以更佳精简。 

PCIe朝Datacom与Telecom迈进 

在商用与家用计算机市场取得不错发展成果后,PCIe规格也逐步朝工业用计算机(IPC)市场进前。目前IPC主流的CompactPCI架构已愈来愈不敷市场使用需求,因此全球PCI工业计算机制造组织(PICMG)便提出了先进通讯计算机架构(Advanced Telecommunication Architecture, ATCT),为数据通讯(Datacom)与电信通讯(Telecom)的应用,解决机构设计、电源、散热、互连与系统管理等问题,并藉由四个辅助规范(Subsidiary Specification)来定义板与板间互连的传输标准。 

凌华科技(ADLINK)技术营销经理高福遥(图11)指出,目前已通过的四种辅助规范包括3.1版的以太网络和光纤传输、3.2版的InfiniBand传输、3.3版的星形传输(StarFabric Transport),以及3.4版的PCIe和先进交换式互连(Advanced Switch Interconnect, ASI)传输。其中,就市场使用情形来看,以3.1版的以太网络和光纤传输为主流,而及3.4版的PCIe和ASI传输则后势可期。 

至于为何3.4版是采PCIe与ASI两者并行的方式,主要是应用延伸的考虑。高福遥表示,PCIe仅是芯片间传输速度的提升,运用上较为狭隘,因此PICMG便在PCIe实体层上,再加入ASI的通讯协议,将应用扩大到系统与系统间的通沟。他指出,两者搭配的结果,将可让频宽达到10GHz,对于未来IP多媒体次系统(Internet Protocol Multimedia Subsystem, IMS)的应用带来宽广的发挥空间。 

尽管工业计算机的相关规格均已转换成PCIe的等级,然而由于工业计算机一般使用年限均可长达7年,而且客户在考虑换机时,通常需要一年左右的测试期,因此目前PCIe在工业计算机的渗透率仍不高。高福遥也表示,尤其在Telecom市场方面,目前约70~80%的比例仍采用专属型的解决方案,因此PCIe要进入Telecom市场挑战仍相当大。不过,他认为,由于ATCA在成本及效能上均较专属型方案具有优势,再加上主要大厂强力推广下,PCIe未来的应用潜力仍旧相当看好。 

PCIe瞄准消费性电子市场 

另一方面,几乎所有技术都想觐觎的消费性电子市场大饼,也在相关业者的创意巧思下逐渐萌芽。Fox指出,PCIe高频宽特性,非常适合运用于绘图、数字影像、以太网络与储存的市场,而多重串流影像与高画质电视(HDTV),将是下一个备受瞩目的应用模式。 

潘晓磊也表示,PCIe技术在消费性电子产品的发展主要在于高分辨率,且需要大量影音讯号传输的应用。目前已有业者采用FPGA平台加上该公司PCIe的实体层,应用于接收高分辨率电视讯号的产品中。 

他指出,消费性电子产品如同计算机与通讯产业,内部的总线和外部的扩充均需要一个高速、稳定且标准的接口,目前看来以PCIe最被看好。若从3C(指计算机、通讯与消费性电子)融合的观点来看,如果说计算机和通讯均已采用PCIe作为标准接口,那么消费性电子也将倾向采用同一种接口。 

不过,潘晓磊也强调,由于消费性电子产品的标准众多,变动因素也大,因此PCIe如何与这些标准结合,将是其应用在消费性电子产品的最大挑战。 

群雄竞逐PCIe商机 

从个人计算机、工业计算机,到消费性电子,PCIe的市场商机俨然愈滚愈大,而不论IP供货商、芯片业者,甚至板卡业者,也都开始全面动员。以接口技术硅智财(IP)供应的Rambus,即积极推广其PCIe实体层IP。Fox表示,对芯片设计或系统设计而言,PCIe最大的挑战包括了实体层的设计、讯号完整性(Signal Integrity)、芯片及电路板层级的高速讯号设计,以及兼容性测试等,若藉由已经验证的实体层IP,则可加速业者的设计时程,降低开发风险。她指出,该公司目前已有全球50多个PCIe的授权成果,客户领域遍及绘图芯片、通讯、芯片组及储存等相关业者。 

以切换芯片与桥接芯片为主要供应方案的Pericom,即是采用Rambus的IP来看开发PCIe相关的解决方案。李逸民表示,Pericom原本就长期专注于切换及桥接芯片市场,在取得Rambus IP的授权后,即在短时间内开发出一系列完整的PCIe解决方案,包括讯号切换、桥接芯片、讯号重驱动与频率重驱动,以及封包切换芯片等。目前前两者均已全面供应,而后两款则已与客户进行功能验证中,预计今年下半年将推出。 

TI在PCIe市场则专注于接口设备所需的解决方案。潘晓磊表示,在短时间内,兼容于PCIe与传统接口的桥接解决方案,较适合市场转型的需要,因此该公司在PCIe市场成形之初,即运用自行开发的实体层,来开发PCIe桥接芯片产品,并与终端客户保持密切的沟通,以确保技术处于领先的状态。 

在USB接口拥有不错研发成果的创惟科技,近来也致力朝向高速传输技术的研发,并已成功开出PCIe实体层与桥接芯片产品,展现坚强的技术实力。林志荣表示,该公司实体层芯片主要应用于FPGA原型系统与工业用及少量多样的嵌入式产品市场;至于桥芯片则主要锁定工业计算机、网络与监控等应用领域。 

由三顾公司代理的PLX则以其原本在PCI世代所打下的客户基础,抢进PCIe切换/桥接芯片市场。三顾公司区域总经理汪启华(图13)指出,PLX可提供PCIe to PCI和PCI-X to PCI的桥接芯片,两款皆同时具备向前兼容模式(Forward Mode)与向后兼容模式(Backward Mode),主要锁定外接卡(Add-on Card)产品市场,让客户原本的PCI接口同样也可在PCIe的系统平台上使用,如数字监控系统的影像撷取卡、服务器等应用。 

而主攻工业计算机市场的凌华科技,则已全面推出PCIe规格的新板卡,甚至旧有CompactPCI规格,也都推出升级至PCIe的版本。至于最新的ATCA 3.4版标准的产品,高福遥指出,由于该标准前不久才刚底定,目前凌华已与Stargen合作,采用该公司的PCIe to ASI桥接芯片进行原型产品的开发,预计今年第三季将可正式推出产品。 

PCIe普及指日可待 

整体而言,PCIe取代PCI是必然的趋势,只是时间长短的问题。以目前的发展看来,计算机业界基本上已做好全面转换的准备,通讯产业也已开始动作,而消费性电子产业虽然未具雏型,但已有业者开始注意此一趋势。未来PCIe 2.0版本若拍板定案,其单一通道即可支持5GHz的高频宽特性,将为芯片组与绘图卡带来更高的效能,并在多媒体影音应用市场取得更好的发展利基。至于后续PCIe整体的进展速度,则有赖市场接受程度而定。 

李逸民认为,PCIe规格能否为市场接受,主要仍在相关芯片组、主机板与系统制造商的操作策略。因为消费者对价格的感受较效能来得敏锐,因此主要的制造业者若能降低价格,或许是引爆市场需求的一项关键。至于何时才算真正普及,潘晓磊认为,当中央处理单元、处理器、数字讯号处理器,以及芯片组等主控制芯片,均开始只提供PCIe的连接接口时,就代表PCIe的市场已完全成熟。

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