USB是大家日常应用最广泛的接口，相信大家对它都不陌生。可是USB的全名是什么呢？它是什么样的结构，怎样进行传输的呢？本期奎芯科技研发总监余明士将为大家讲解USB的前世今生，并分析目前的USB的市场形势，下期则为大家带来USB进阶中所遇到的技术难题和挑战。
USB，是英文Universal Serial Bus的缩写，中文名称通用串行总线。它是一个外部串口总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB由 Intel、Compaq、DEC、IBM、Microsoft、NEC及Northern Telecom 等计算机公司和通信公司于1995年联合制定，并逐渐形成了行业标准，已成功替代串口和并口，成为当今电脑与大量智能设备的必配接口。自推出以来，USB凭借其通用性、便捷性与不断提升的数据传输速率，得到了广泛的应用，应用范围也从电脑扩展到了手机、平板、电视、路由器、机顶盒、移动硬盘、摄像头等众多领域，是所有高速串行接口中当之无愧应用范围最广的一个。
USB经历多年发展，如今已达到4.0版本，物理接口也经历了多次演进。如下图所示，早期的Type A与Type B支持USB2.0到USB3.2 Gen1；最新的Type-C采用高速双信道传输方式支持USB3.2与USB4.0，让单信道传输速率20Gb/s 的USB4.0最高速可达到40Gb/s，可向下兼容USB 3.2与USB 2.0。
通过Intel Tunneling相关技术，USB4.0将多种协议组合到单个物理接口，可同时传输 PCIe、DisplayPort、USB等讯号（用途涵盖数据、影像、音频与电源传输）, 经由Controller IC发出PCIe协议和DisplayPort协议 的讯号，并由IN/OUT Protocol Adapter转换成USB4.0封包进行对接传输。
USB为大型数据传输的主要接口
奎芯科技致力于开发基于先进制程的高性能半导体IP，积极参与USB-IF协会运作。奎芯身为USB-IF协会的一员，公司的USB IP已经成功在6纳米以上工艺节点得到验证并实现量产。公司目前已成功开发基于14个晶圆代工厂的横跨12nm到180nm制程的基础库IP超过230个，以及基于6个晶圆代工厂 横跨7nm到110nm的接口类IP超过180个。目前奎芯科技的研发团队聚焦先进工艺高端IP自研，将提供USB2.0/USB3.2 Gen1/USB3.2 Gen2/USB4.0各工艺节点IP，其中USB 3.2 Gen2预计今年第二季度流片，为半导体IP产业添砖加瓦。
为了满足日益增长的信息传递速率，每一代 USB标准在速度上都是成倍增长，目前主流应用为USB 3.2和USB 4.0，USB3.2 Gen 2x2起统一使用Type-C接头，以支持双信道传输，提升数据传输速率。USB 4.0分为Gen 2x2和Gen 3x2两种规格，传输速率分别为20/40 Gb/s，其中Gen3x2因数据传输量大，为了维持信号稳定，被动线缆长度缩减至0.8公尺以下，同时需要主动式线缆(Retimer、Redriver)支持。USB4.0兼容其他传输接口Display1.4, PCIe3.0与Thunderbolt 3, 同时满足PC、PC周边、面板与消费性电子应用的需求。
虽然USB协议应用广泛，被大量集成在众多公司的各种类型芯片之中，但其核心IP却仅掌握在极少数公司手中。USB核心IP分为以下几类：
－USB Host核心IP
－USB Device核心IP
其中，USB Host核心IP最为复杂。这除了因为USB标准的先进性带来的高复杂度之外，更因为USB向下兼容的要求和广泛普及所带来的兼容性，如图5所示，作为Host核心IP，必须能与市场上所有支持USB2.0 High-speed、Full-speed、Low-speed、USB3.2 Gen2x1、USB3.2 Gen2x2、USB4.0 Gen2x2、Host-to-Host、DisplayPort的芯片和设备正常通信方可通过认证，这其中甚至包括了一些推出较早，并不完全符合USB标准的设备。
USB Device核心IP相比Host IP复杂度略低。这一方面是因为Device IP可以根据实际应用的需要，仅实现USB标准的一个子集；另一方面是因为Host IP数量极少，所以Device IP只需要实现与少数几款Host的互操作性即可。
USB市场分析
根据研调机构BlueWeave (2021年11月)预估，随着中高阶商用笔记本为了满足轻薄化设计，整合端口以简化接口数目的趋势，2020-2027年间USB/USB Hub市场容量的CAGR分别达13.9%/7.6%。
2020-2027 USB/USB Hub市场容量
随着AMD和Intel新平台的上市陆续， 目前计算机市场进入USB4.0 时代。
AMD在CES 2022发表新一代笔记本Rembrandt平台，为首款原生支持USB4.0之笔记本处理器，预计于2022年下半年发布台式机 Raphael平台支持USB4.0
Intel也于2020年下半年开始发布了支持USB 4.0的系列处理器：笔记本 Tiger Lake平台于2020年下半年问世；台式机 Alder Lake平台于2021年下半年问世；Intel 2022年后发布的下一代DT/NB CPU平台皆支持USB4.0。
综上所述，USB IP主要可分为Host IP、Device IP，Host端指拥有驱动程序的台式机、笔记本之主控制器；Device IP端则为手机、音响、屏幕、鼠标、外接硬盘等终端产品配合Intel、AMD新一代的CPU支持USB4.0规格。USB4.0将率先渗透于台式机、笔记本这类Host端产品，待Host端渗透率达一定程度后，Device端将跟上升级需求。
我们下期将着重介绍USB4.0技术难度与面临的挑战，敬请期待。