论文部分内容阅读
在2020年第17期的《电脑数据最重要的通道总线技术“古”今谈》一文中，我们已经涉及到了当前的一些外部接口总线，例如USB（Universal Serial BUS）的名字就是“通用串行总线”，一统外设接口的雄心显露无遗，而与不断发展的PCIe总线关系更紧密的雷电接口同样逐渐成熟，潜力无限。再加上新一代显示系统亟待解决的更大带宽问题、外部数据与内部数据不断拉大的速度差等等，都使得外部接口和总线一样，即将迎来重大而快速的变革。
在这样的情况下我们应该如何理解、利用这些变革，尽量让自己和手头的设备跟上时代而不是被时代淘汰，避免走错方向，浪费时间、金钱和精力呢？这就需要对市场、技术以及未来的发展有一个比较清晰的认识了。
USB4呼之欲出 USB版本乱象终结
在最近两年，每次涉及到USB接口的标准，我们都不得不非常麻烦地反复说明，例如俗称的USB 3.0就是USB 3.2 Gen1，也曾经叫USB3.1 Gen1，而标注则有USB3.0（图1）、USB 3.1、USB 3.2（图2）、SS（图3）、SS 5、5Gbps等多种可能性……这还只是一个接口，再加上后来俗称的USB 3.1、USB3.2以及更早的USB 2.0，其接口版本名称、标识、接口类型、需要的线缆（图4）等都非常混乱。
在混乱的USB 3.0/3.1/3.2时代之后，大家都期待性能更强大，但从名称到接口都更为简洁的USB4登场后彻底结束这一混乱的情况。不过在标准公布很长时间后，仍没有面向消费市场的产品出现，直到近期，作为USB标准的主要推动者，英特尔的USB4控制器才终于露出了端倪，让我们可以一睹USB4的风采。
作为核心平台厂商，这次英特尔带来的并不是位于芯片组或处理器的内置USB控制器，而是和雷电控制器一样的独立芯片，从目前的信息来看，恐怕在下一代酷睿平台中也不会内置USB4控制功能。不过这些独立芯片也让其他平台（主要就是AMD平台）搭载USB4的前景更加明朗了。要知道USB4的技术来源之一——雷电3，就因为过于依赖英特尔的独家技术，所有相关产品都需要英特尔技术人员参与调校，因而无法在日益受到欢迎的AMD主板上找到，甚至连最适合雷电3发挥的高端、专业向X570主板上都鲜有露面，所以很多人不得不购买雷电3扩展卡（图5）使用。而作为更加开放的标准，USB4就不会在AMD平台上缺席了。当然，AMD将这一标准集成进芯片组和处理器也不会很快，预计近期大家还是只能使用USB4扩展卡或搭载独立芯片的主板来体验USB4。
火速链接
关于目前的USB版本、速度等信息，可以参考本期的《USB接口速度排行》一文。
从目前的信息看，USB4将彻底放弃Type-A接口，仅有Type-C一种构型，也只有这样才能支持DP 3.0充电协议;其理论文件传输速率有20Gbps和40Gbps两个档次，且完全兼容雷电3。从这些信息中，大家是否会发现一些问题？没错，USB4的两个速度檔次与USB 3.2（USB 3.2 Gen2×2）标准和雷电3的标准（图6）完全一致，且完全兼容雷电3，这几乎可以直接说明USB4实际上是两个标准的混合产物。
雷电4定型 新的发展新的机会
近期英特尔还发布了雷电4控制器8000系列，包括面向计算机制造商的JHL8540、JHL8340主机控制器和面向配件制造商的JHL8440设备控制器，支持4个雷电4接口（图7）。雷电4也会集成在最新的英特尔移动处理器平台（Tiger Lake）上。
不过雷电4没有任何可以支持其开源的协会组织，而是完全由英特尔自主控制。它仍然保持了40Gbps的带宽，但是规格全面增强，支持双4K输出及4D雷电4扩展坞。当然40Gbps的带宽其实已经很高，这相当于4通道PCIe 3.0总线，理论上可以让目前的PCIe 3.0×4固态硬盘跑到满速。 雷电4接口的连接能力、兼容性、可靠性及安全性有了明显的提升。它仍然使用USB Type-C物理接口，可以兼容最新的USB4，直接提供了PCIe通道外联，当然也仍然支持DisplayPort视频标准，而且据称可以完全兼容前代雷电和USB产品。
相比雷电3，雷电4的传输能力其实还是有了明显的提升，比如它可在2米线缆上实现40Gbps的全速传输能力，未来传输长度还有望达到5米甚至50米（图8）。它还可支持多达4个雷电4端口的坞站，支持电脑唤醒，支持基于英特尔VT-d的直接内存访问（DMA）保护，支持本机为至少一个其他电脑充电（受电方为充电功率小于100W的轻薄本）等等（图9）。
那么为何雷电4的传输能力有了提升，却并没有体现在速度上呢？其实这从雷电4的最高性能规范就可以看出来了。在使用PCIe通道模式时，雷电4已经达到了PCIe 3.0×4（PCI32Gbps）的水平，这对于目前的英特尔平台已经是极限，毕竟显卡、M.2接口等都需要PCIe通道，再分出4个通道给外部接口已经很勉强，确实也难以提供更高的速度了。
USB4与雷电4 江山易主不容易
从速度、兼容性等方面来看，雷电4似乎与USB4非常相似，而且从市场规划来看，我们会发现在新一代通用数字接口中，雷电4将更早地成为主流平台的标配。难道它将替代USB，成为新一代的通用接口吗？恐怕并没有那么简单。
这里我们必须说明的是，对旧标准的兼容性仍然是雷电系列接口的明显短板，它对USB标准的兼容性很可能仅限于USB4（因为这一协议包含了雷电3技术），目前最常见的USB 3.x/2.0标准则均不在兼容之列。在这种情况下，USB4的作用就有些不同了，能够全面兼顾旧产品是它的最大优势。不管是刚刚开始在一些高端外设中使用的USB 3.2 Gen2×2设备（圖10），还是已经被很多高端、专业用户接受的雷电3设备，或是更早的USB 3.0甚至USB 2.0设备，应该都可以直接用在USB4接口上，最多只需要加一个USB Type-A转Type-C接口的转接/转接线而已。
另外，从现在的实际需求看，雷电3/4接口与PCIe通道相连的设计有些过于超前了，这虽然带来了直接支持外置显卡等优势，但也明显限制了它的发展。估计目前的设备只能提供1个～2个雷电4接口，而独立芯片提供的4个雷电4接口应该只能存在于PCIe×16扩展卡上，对只有20个～40个PCIe通道的消费级电脑来说，不仅无力提供更多的支持能力，甚至在提供这样的4个雷电4接口（相当于4个PCIe×4通道）时也必须牺牲一部分内部的接口，例如显卡插槽减速、M.2或SATA接口失效等。如果需要更多的雷电4接口，就只能选择半专业级的酷睿X（图11）、线程撕裂者等PCIe通道超多的平台了。
相对来说，USB4接口的数量更自由一些，如今的中高端平台普遍能提供4个～8个USB 3.2，这应该也是未来USB4的配置水平。
此外在对比中我们还会发现雷电3/4接口与USB4标准的设备的最小供电需求不同，这一点看似并不起眼，但很可能决定了两个接口的发展方向。比如键鼠、闪存盘、摄像头、无线网卡等低功耗设备仍将以USB接口为主，主要强调更多的同时连接数量;而雷电4应该会主要以大容量外置硬盘（图12）、外置显卡、显示器等高功耗外设为连接对象，而且更强调对外设的通用性。比如用户的另一台轻薄本需要充电、临时连接到显示器上等需求都可以使用雷电4接口，这样在功能上“一个顶十个”但数量并不多的接口，在很多电脑，特别是笔记本电脑上还是非常需要的。
从这些信息看，在选择外设时，我们应该可以放心地选择价格虽然有一定松动，但仍然相对比较昂贵的USB 3.2 Gen2×2与雷电3设备，它们未来的兼容性还是有一定保障的。而在选择未来的平台时，已经拥有前述高端、高速设备的用户则应该特别关注USB4接口，它很可能会快速取代分立的两种接口，成为最适合这些外部设备的接口。而面向未来应用的用户则可将重点放在雷电4接口的支持能力上，因为它内置多种标准、支持多种外设的能力很可能是未来“通用接口”的发展方向。
其实在主机平台上，我们还发现了另一个具有高速数据传输能力的接口，即Xbox Series X采用的Storage Expansion接口，它的速度估计在PCIe×2～PCIe×4之间，基于直连处理器的PCIe通道（图13），可以插入一块1TB的高速SSD（图14），从设计到能力都非常像雷电3/4。考虑到这款主机使用的AMD平台很可能仍然无法搭载雷电4接口，那么Storage Expansion的意义就很大了，它是否会发展为AMD平台上的“雷电”接口呢？也许在之后的一两代平台上就会看到答案了。
4K高刷新 视频接口的选择
火速链接
关于这两种新版本视频接口，本文更多的是其应用能力、购买选择方面的讨论，它们的具体发展、对比，以及和雷电接口的关系等，可参考本刊2020年第17期《视频输出的秘密浅析最新的雷电、HDMI和DP接口》一文。
如果说USB4和雷电4主要解决的是外设的数据传输速度与电脑内部计算、存储速度不匹配的问题，那么新的视频接口就是专门解决显卡处理能力和输出能力的不匹配。
从目前的趋势来看，中高端游戏为4K优化已成为一种潮流，连《帝国时代2：决定版》这样炒冷饭的游戏都可以凭借4K画面（图15）带来的冲击力再次大卖，可见其优势。但在显卡日益强大、4K画面处理已经不是梦的今天，4K与高刷新率却不可兼得，这对于已经被高刷新率的超稳定画面宠坏了眼睛的高端玩家有些难以接受。
当然4K高刷新率的实现，主要基于显卡的强大计算能力和4K高刷新率显示器的支持，但在两者早已达到标准时，我们会发现目前的瓶颈出现在接口上。现在消费市场上的最强视频传输标准——HDMI 2.0和DisplayPort（以下简称DP）1.4，都是为2K游戏和4K视频设计的，并不适合即将到来的4K游戏/8K视频时代。
至于解决方案，当然就是早已正式公布的HDMI 2.1和DP 2.0两个新视频接口标准。其中HDMI 2.1因为得到了新一代游戏主机PS5（图16）和Xbox Series X的支持，应该会更早地来到我们面前。
HDMI 2.1相对于HDMI 2.0的带宽升级非常惊人，甚至超过了从HDMl 1.x到HDMI 2.0的变化。同时它在很多重要功能上也有大幅改进，比如现在越来越常见的HDR图像，因为多了亮度数据，所以在HDMI 2.0标准里要挤占带宽，在HDMI 2.1里就干脆给它加了一条单独的通道，可以更好地传输动态HDR数据等等（图17）。另外其音频通道也提升了带宽，可以直接传输无损5.1声道和7.1声道音频，无论是玩游戏还是欣赏大片，都能获得更好的听觉享受。
在纯粹的游戏能力方面，HDMI 2.1的VRR刷新同步功能（图18）目前已经被RTX 20显卡兼容，不会再出现HDMI 2.0刷新虽快，却不能开启画面同步，只能接受碎裂画面的尴尬。此外，HDMI 2.1的自动低延迟模式ALLM等新技术也能提升游戏画面的刷新和响应速度。
相關的需求同样也被电视和显示器厂商注意到，目前各大厂商已经发布了不少支持HDMI 2.1的电视和显示器（图19），预计在新一代游戏主机正式开卖前后，就能很容易地从市场上买到这些匹配的电视和显示器了。
不过作为HDMI家族的一员，HDMI 2.1仍然是偏向于家电标准，在电脑上使用存在一些限制，例如支持的高刷新率是120Hz、HDMI接口相对庞大，以及很可能是普及的最大限制——价格高昂的线缆。
相对来说，虽然DP 2.0接口肯定会来得更晚一些，但它对电脑需求、设计的适应性远高于HDMI 2.1。比如DP 2.0兼容Type-C接口，这一接口形态很可能是未来笔记本甚至台式机和显示器的主流外部接口，可以更好地支持144Hz等显示器规格的能力就更不在话下了。至于线缆的价格，目前来看，DP 2.0兼容线缆必然也会更贵一些，但因为DP标准、USB Type-C接口设计的前瞻性（图20），估计其价格还是会比HDMI 2.1线缆便宜一些。
那么，在下一代游戏和显卡、显示器眼看就要出场的情况下，我们到底应该偏向于哪一种标准呢？笔者的建议是：已经确定会入手新一代游戏主机的话，应该优先更换HDMI 2.1电视机;而电脑玩家则必须考虑未来一段时间的升级需求，所以在不增加成本的情况下可以考虑选择支持HDMI 2.1的显示器，因为这一标准应该也会更早出现在显卡中;但有机会得到DP 2.0的支持能力的话，那么宁可略微加点钱也要选择DP 2.0显示器，如果是同时支持HDMI 2.1和DP 2.0就更好了。在未来升级显卡后，DP 2.0显示器能展现出更适合电脑平台的高分辨率、高刷新率游戏画面。
小知识
也许有些读者觉得奇怪，4K高刷新率显示器早已出现，在没有HDMI2.1和DP 2.0的时代，它们是如何工作的呢？我们以Predator X27为例，即使使用它要求的DP 1.4接口，因为带宽的限制，在启用4K高刷新率时实际上也是靠牺牲色彩的方式来节约带宽运行的，也就是用4：2：2的色度抽样显示游戏画面（图21），色彩表现无法达到面板的最佳状态。
