殊途同归？雷电vsUSB扩展坞的归

OverLord

从USB说开去

USB标准的设立就是为了解决外接设备困扰问题的。早年，电脑分为串口、并口等连接方式，而且不同的设备使用的接口也不尽相同，如打印机接LPT、调制解调器接RS232、鼠标键盘更多使用PS/2等（图2）。可以做到”大一统“的外接方式，就成为了厂商的努力方向。

于是在1994年，由Compaq、DEC，IBM、英特尔、微软、NEC以及Nortel等多家公司联合研发制定的全新外部接口协议诞生了，这便是USB。其全称为UniversalSerialBus，即通用串行总线，是连接电脑与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范。1995年，初创协议标准的几个公司成立了USB标准化组织USB-IF（USBImplementersForum），并于1995年正式推出了USB1.0规格。USB1.0规格的传输速率为1.5Mbps，最大输出电流5V/500mA，可以支持的设备极为稀少，甚至主板厂商都不愿意将其设计在主板之上。到了1998年，USB-IF發布USB1.1规范，将USB的技术规格提升了一个档次，最主要的变化就是传输速率跃升到了12Mbps，在当时可以称之为”高速“了，不过供电没有改变，依旧是5V/500mA的水准。

随之而来的1998年9月，朗科公司发明了全世界第一款USB闪存盘产品（图3），并且申请了专利——我们习以为常的事物，其实已经诞生了23年之久，想不到吧？

当然，USB规格如果就此裹足不前，也不会有后面的发展——同一时期，还有一个非常著名的IEEE1394接口与之竞争。

在2000年的时候，USB-IF推出了著名的USB2.0标准，传输速率达到了惊人的480Mbps，是USB1.1的40倍，最大输出电流依旧为5V/500mA，时至今日，我们依旧在大量使用USB2.0的相关设备（例如无线键鼠的USB接收器），是USB接口规范里最长寿的一个标准。

USB2.0的纸面数据虽然非常出色，但面对IEEE1394还是差了一些。如IEEE1394A标准只有400Mbps的传输能力，但是因为它对CPU的占用更小，因此实际使用中的传输速度、传输稳定性是超过USB2.0的，也因此被重视速度与稳定性的视频、专业领域大量采用，很多电脑不得不额外增加IEEE1394扩展卡（图4）。IEEE1394接口规范的问题在于需要授权费用，而不是像USB接口规范那样免费使用，所以最终还是更为开放、灵活且免费的USB赢了。

为了更好地区分USB的不同版本，USB-IF在2003年的时候作出了调整，将USB的几个标准重新命名了：如USB1.0改称为USBLow-Speed，USB1.1改成为USBFull-Speed，USB2.0改称为High-Speed（图5），名义上是为了更好的区分不同USB之间的差异，同时简化称谓。

时间转眼来到了2008年，USB2.0显然依旧不能满足用户的使用需要，传输速率成为了瓶颈，新版本的标准迫在眉睫，于是USB3.0，即USBSuperSpeed诞生了。USB3.0最大传输速率达到5.0Gbps，即640MB/s（理论值）（图6），远超USB2.0的480Mbps，而且一直没有变化的供电也作出了设计修改，最大输出电流5V/900mA，超过以往的5V/500mA。它向下兼容2.0，支持全双工数据传输（即可以同时接收数据和发送数据，USB2.0是半双工）。为了在接口规格不变的情况下实现更大的传输速率，USB3.0的针脚由USB2.0的4针增加至9针（图7），其中4针和USB2.0保持一致，增加的5针针脚则是用来提升传输数据的能力。

也是从这个时候开始，外部设备的数据传输需求也爆发式增长，很快USB3.0也出现了“性能瓶颈”，USB3.0发布后的5年，也就是2013年USB-IF更新USB接口规范至USB3.1，也被称之为USBSuperSpeed+。USB3.1的最大特点是传输速度提升到了10Gbps的水准，同时供电规格也作出了巨大的修改，不再坚守5V电压，提高到了20V之多，供电电流也允许提升到5A的水平——显然，这是为了应对更加庞杂的外部设备供电使用，而且需要芯片控制也增加了成本（图8），但无疑也进一步拓宽了USB接口规范的应用范围（图9）。

USB3.1对比USB3.0的变化还是比较大的，可能也是因为这个原因，USB-IF又开始改名活动了。USB3.0被修改为USB3.1Gen1，USB3.1则改名为USB3.1Gen2。无论出于什么目的，这样的修改其实并不合理，尤其是给消费者造成了不小的困扰，很多厂商开始借用新命名方式模糊视线，例如产品只标注USB3.1，但是不提及究竟是Gen1还是Gen2（同样的问题在HDMI2.1身上也出现了）。

接下来的发展，USB3.2于2017年诞生，不同于以往的是USB3.2在使用USBType-C接口时，第一次提供了双10Gbps的传输速率，极速为20Gbps，理论值为2.5GB/s，最大输出电流还是保持在20V/5A的水平，显然，它是对USB3.1Gen2的完善。

毫不意外的，USB-IF在观察一番后，2019年又祭出改名策略，USB3.1Gen1再次改名为USB3.2Gen1（原USB3.0），USB3.1Gen2改名为USB3.2Gen2（原USB3.1），USB3.2改名为USB3.2Gen2×2（图10）——不知道出于什么样的目的，USB-IF总是在改名，显然会给用户造成更多的困扰，虽然初衷是为了简化、方便识别。

在USB4来临之前，乱的不止是标准名称，接口也在不断变化——因此我们不得不认真的“学习”USB的各种名称，甚至是接口名称。

USB Type A～C你认全了吗？

在谈及USB 4标准之前，我们还有必要先了解一件事情：USB接口的样式。我们现在都熟知USB Type-C，殊不知最“常规传统”的USB接口正式名称是USB Type-A（图11）。所谓的Type-A全称为Standard Type-A USB，即标准USB接口的意思。在此规范下，所有的USB设备都按照此标准设计生产。

Type-A主要作为数据和电源的下行端口，比如2.5英寸移动硬盘、閃存盘、接收器等等。那么USB Type-B又是什么呢？从造型上看，它采用“凸”形外观设计（图12），作用很“单纯”，只传输数据，不提供供电能力，例如打印机、3.5英寸硬盘盒等。不过，USB Type-A和USB Type-B在电气特性上是完全一致的，没有任何区别，只不过它在外形上有所区别罢了。

此外，在USB Type-A之下，还衍生出了Mini USB-A和Mico USB-A（图13）;在USBType-B之下，还衍生除了Mini USB-B和MicoUS B-B。他们仅仅是对应的将外观尺寸进行修改，本质上的电气特性毫无区别。其中，MiniUSB-A、Mini USB-B率先于USB 3.0时代之前就别淘汰，取代者就是Micro USB-A、MicroUSB-B（图14）。而且，因为体积原因，它们也无法承载USB 3.0之后的9针针脚。

实际上Micro USB-A、Micro USB-B也面临同样的问题，但是在Type-C出现之前，MicroUSB-A、Micro USB-B必须“撑住”，所以才会有了拓展型Micro USB-A、Micro USB-B接口，它比传统接口宽了不少（图15），就是为了容纳更多的针脚。

这样的设计显然又违背了“Micro”的含义，新接口必须快速推出。2014年，USB Type-C（图16）出现，时至今日，几乎所有的设备都和USB Type-C密不可分，手机、相机、平板、乃至很多其他设备的充电接口，都变成了USB Type-C形式。

诚然，USB Type-C这种接口形式是在USB 3.1标准规范后推出的，也确实是以USB 3.1为依托设计的，但是USB Type-C≠USB 3.1！因为命名的混乱以及部分产品设计的需要，Type-C接口（图17）可能是支持USB 3.1 Gen1的，也可能是USB 3.1 Gen2规格的，或者是USB 3.1Gen2×2的，乃至于雷电3、4接口，甚至是USB4，都有可能，具体还是要看使用的是哪种协议，但是绝不可以将其划为等号。

还有一点，USB Type-C这种接口形式之所以会迅速成为主流，小巧固然是一个方面，更重要的是，它可以实现正反盲插的安装方式，而不是像Type USB-A、Type USB-B那样需要分清正反方向！最后，别看USB Type-C接口个头小巧，实际内部最高可以容纳最多24个针脚（图18），对于新协议的支持，冗余度足够。

雷电来袭 殊途同归？

笔者在前文中提及了一个与USB竞争的协议规范IEEE1394，它倒下的原因是专利授权费用更高，而不是技术不够好。IEEE1394实际是是由苹果、英特尔公司等开发的一种高速传送接口，但是它在当时要收取1美元至2美元左右的专利费（每个接头）！这样高昂的专利授权费甚至连“同盟”的英特尔公司都难以接受。不过不可否认，这个在苹果电脑上被称作“FireWire”火线（图19）的IEEE1394确实在技术规格上非常先进，只是失败的商业政策导致其无力竞争。

但随着时间的推移，苹果、英特尔等公司依旧认为有必要设计一个高速的外部设备传输协议规范，最终的结果就是雷电！雷电接口即Thunderbolt，2011年由英特尔与苹果联合发布，它最大的特点是融合了PCI-E和DisplayPort两种协议，它是当时仅有的可以支持同时高速传输数据、影音传输的接口，直白的讲就是可以同时具备USB、DP/HDMI/DVI/VGA的输入输出功能，而且第一版雷电的速度就达到了惊人的10Gbps，两年后也就是2013年USB-IF才推出了10Gbps的USB 3.1，且只能作为数据传输使用。而在接口外形方面，第一代雷电接口采用了MiniDP接口形式（图20），第二代亦是如此（需要独立的控制器）。也是在2013年，雷电第二代接口规范推出，带宽达到了惊人的20Gbps，是同时期USB 3.1的两倍，这是十分惊人的。

不過，它固然拥有傲人的传输性能和多元的功能性，但是普及程度甚至连USB的“零头”都不到——拥有第一代、第二代雷电接口的设备几乎只限于苹果的MacbookPro笔记本上（电脑产品上苹果拥有一年的专利独享权），在MiniDP接口处标有闪电箭头的图标才是雷电接口，除此之外仅仅是寥寥几家主板厂商生产过具备雷电2接口的产品。根本的原因，其实还是在于专利墙，USB协议规规范免费，且性能不差，谁还会多花钱呢？

显然，从第一代雷电到第二代雷电，都只不过拥有一个“昂贵的名字”，真正让大家能够熟悉起来的，还是第三代雷电。2015年，第三代雷电协议规范推出，并且摒弃了MiniDP接口，转而使用了USB Type-C接口样式，这样一下子就拉近了与普通用户的距离——毕竟USB Type-C太常见了。不过，它和USB Type-C并不能划等号，即雷电3的物理接口必然是USB Type-C，但是USB Type-C的未必是雷电3接口（图21）。

雷电3引以为傲的首先就是传输速度达到了惊人的40Gbps，远远超过USB同时期的能力，达到了USB 3.1的4倍。此外，在供电上，雷电3支持最高100W的双向供电能力，这是USB很久之后才拥有的功能（基于PD协议）。不仅如此，它可以连接两个4K分辨率、60Hz刷新率的显示器或者一个5K分辨率、60Hz刷新率的显示器使用（图22），这是USB 3.2都不具备的。更为独特的是，由于它融合了PCI-E协议，雷电3支持外接显卡坞站（图23），这也是雷电和USB最大的区别。

阻碍它普及的一个重要原因是控制器，雷电1、雷电2时代，英特尔的处理器并没有集成雷电控制器，而USB控制器一直以来就存在于PCH芯片中，所以都需要一个独立的控制器来实现对雷电的驱动控制。到了第十代移动端酷睿处理器时（10nm的Ice Lake构架处理器），直接在处理器内部集成了雷电3的控制器（图24），这就进一步降低了雷电的使用门槛。

2020年，英特尔再次推出雷电4，相比之下，雷电4更像是雷电3的完善补充——它们的传输速率最高仍然是40Gbps，但进行了一定程度的优化，雷电3为DP视频输出预留了18Gbps的传输带宽，数据传输带宽则为22Gbps，在雷电4中，DP视频输出带宽预留改为8Gbps，数据传输带宽则提升到了32Gbps，这样其他外接设备的连接速度（极速）会更快。

除了视频信号、数据传送外，雷电4还支持电力传输。规格上，雷电4最高支持20V/5A，也就是100W，协议兼容USB PD快速充电标准。笔记本可以方便地使用雷电4接口，连接扩展坞、显示器、充电器、鼠标键盘、U盘等外设，享受一线通所有的便捷体验。此外，雷电4虽然和雷电3同样采用了USB Type-C的接口，但是针脚的功能定义和其完全不同，也有别于后来者USB4（图25）。

不可否认，从雷电3开始，英特尔就想办法在降低它的使用门槛，只是对比完全没有专利制约的USB，雷电还是棋差一着，现在是时候作出改变了。

时间回到2019年，USB-IF发布了最新的USB规范USB4，这恐怕是USB有史以来最大的改变，而不是升级、再升级，因为USB4规范基于雷电3协议规范！是不是似曾相识？没错，雷电4也是基于雷电3的优化而生——并且，二者皆以USB Type-C形式出现，某种程度上讲，雷电4和USB4是“有着一脉相承的血缘关系”。究其原因，就在于英特尔开放了雷电3的专利授权，它将成为免费的协议标准（雷电4依旧有专利授权问题）。

这也意味着，USB 4和USB 3.x有着本质的差异，它已经从USB走向了雷电（图26）。这表现在它需要使用USB PD协议进行供电，同时拥有了USB以往一直不曾拥有的PCIe和DisplayPort两种协议，这正是雷电的核心特质。这种架构定义了一种与多个终端设备类型动态共享单个高速链路的方法，该方法能够最好地按类型和应用处理数据传输。

要注意，USB4只支持USB Type-C接口，传统的USB Type-A、USB Type-B被排除在外，因为这些接口无法支持10Gbps及以上的传输速度。当然，USB4依旧向下兼容，包括USB 2.0、USB 3.x，这一点不需要担心。USB4将分为两种规格，第一种是20Gbps带宽，第二种是40Gbps带宽，它们的名称可以标识为USB4 Gen2×2、USB4Gen3×2。其中，USB4 Gen3×2是全双工工作状态，即每个通道同时发送和接收数据。刚刚也谈到了，USB4和之前USB版本的区别还有一点，就是供电，USB4设备在连接后，其供电机制产生了变化，首先要完成USB Power Delivery（PD供电协议）协商，它的每个接口必须至少能够提供5V/1.5A的供电能力，最高支持100W PD供电（亦可反向供电），这和之前的USB标准并不一样。

显然， USB经过多年的升级、改变，已经实现了和雷电的融合（图27），可以说USB4是雷电3的衍生品，雷电4则是雷电3的升级版。得益于雷电天生的技术规格特性，USB4将实现更多元的应用方式——记住不仅仅是传输速度，在功能上USB4也将大幅度提升。尤其是当下移动端设备的外接扩展需求越发旺盛（超薄机身的代价），如何能够为移动设备（笔记本电脑）提供更多元、更具效率的扩展方式，将是未来的重中之重，这也是为什么USB在USB4上作出如此巨大改变的根本原因之一。