USB4全名為UniversalSerialBusGeneraTIon4。USB這個介面在1996年發布USB1.0規格，傳輸速度支援低速1.5Mbps與全速12Mbps，以及之后陸續發表支援速度480Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps等，并在2019年9月發布[敏感詞]一代USB4規格，支援20Gbps與40Gbps。USB介面演進及相對應的logo，請參考圖表一。

USB4新功能三大重點

1.USB4只采用USBType-C連接器，USB4訊號采雙通道傳輸;而過去的連接器如USBType-A或Micro-B，僅支援單通道傳輸，無法支援USB4。

2.USB傳輸速度最快支援40G（20Gbpsx2），并可同時傳送DisplayPort影音。旨在將多種協議組合到單個物理接口，可以動態共享USB4架構的整體速度和性能。

3.向下相容USB2.0與USB3.2及支援Thunderbolt3。

USB4連接器與線纜重點

1.USB4只采用USBType-C連接器。

2.USB4Cable被動線纜，可支援的被動線纜長度由USB3.2Gen2的1公尺，降為USB4Gen3的0.8公尺。

3.若需較長的線纜，如連接大尺寸螢幕，或是VR應用，可使用主動式線纜。USB4主動式線纜為含有Repeater元件（如Re-TImer，Re-driver等主動元件）的線纜，以及光纖線纜等。至于可支援的主動式線纜長度最長為5公尺。

USB4架構重點

USB4主要構成元件有路由器（Router），適配器（Adapter），以及TMU（TImeManagementUnit，時間管理單元）。

1.路由器是USB4的一個主要建構模塊，路由器將隧道協議轉換成USB4封包傳送，并透過TMU來作時間同步。主要由USBHost內建的ConnecTIonManager來偵測及管理。

2.適配器是內建在路由器里，主要功能為路由器與外部元件溝通的媒介，進行協定轉換。例如USB4Host在傳輸USB3資料（如圖二），由內部USB3Host透過USB3Adapter進行協定封裝成USB4TunneledPacket。一個路由器內部最多可以支援64個適配器。

3.TMU是內建在路由器里，使用分布式時間管理單元（TMU），在路由器間做時間同步。

圖二

USB4以功能區分五種層級

1.ProtocolAdapterLayer：負責USB4與不同協議間進行對應，并把不同協議封裝成TunneledPacket，在USB4介面內傳遞。

2.ConfigurationLayer：負責處理由Connectionmanager傳送來的控制封包（ControlPackets），并附加路徑中對應的地址（address），確保其可靠的傳送機制。

3.TransportLayer：定義封包格式、路徑、流量控制與時序控制，并產生linkmanagementPackets以提供時間同步封包、流量控制封包等。

4.LogicalLayer：負責建立2個裝置之間的USB4連結，提供資料傳送與接收、編碼與解碼，電源管理，錯誤偵測及復原機制，并且透過SidebandChannel進行通道初始化的溝通，包括速度及雙通道溝通。

5.ElectricalLayer：定義USB4電氣訊號的特性，如電壓、抖動、編碼等。

圖三

如圖四，以USB3Tunneling為例，USB4Host透過USB3ProtocolAdaptor，將USB3Protocol經USB4TransportLayer、USB4LogicLayer、USB4ElectricalLayer轉USB4Link傳送到USB4HubElectricalLayer。再依圖四順序進行一連串USB3/USB4轉換，將訊號傳送到USB4Device。

圖四

USB3隧道協議

USB4訊號由PCIe、USB3及DisplayPort隧道協議組成。此篇幅單就USB3隧道協議講解。USB3隧道協議，指的是將原始USB3封包經由ProtocolAdapterLayer封裝成Tunneled封包，藉由圖五可以清楚知道，紅色部分是USB3的封包，而藍色部分是Tunneled封包，UFP（UpstreamFacingPort）與DFP（DownstreamFacingPort）之間會使用PhysicalLayer傳輸。

圖五

USB4產品類型

1.USB4Host：產品有一個以上DFP，沒有任何的UFP。

2.USB4Hub：產品有一個UFP，并且有一個或多個DFP。

3.USB4-BasedDock：產品有一個UFP，并且有一個或多個DFP，且產品內還有其他元件的功能，如儲存裝置或網路功能。

4.USB4Device：產品有一個UFP，沒有任何的DFP。

USB4支援的隧道協議

依據規格，對Host/Hub/Dock/Device必須支援的隧道協議有不同要求，如下圖，打“V”為必須支援，其余則是可選擇支援與否。

例如USBHost必須支援USB3、DisplayPort與Host-to-HostTunneling，可以不支援PCIExpress與TBT3Tunneling。

圖六

USB4支援的傳輸速率

USB4支援USB4Gen2的20Gbps及USB4Gen3的40Gbps速度，是不是宣告支援USB4就一定要支援這兩個速度？

對USB4Hub與USB4-BasedDock來說，必須同時支援20Gbps及40Gbps。

對USB4Host與USB4Device來說，可以只支援20Gbps。（40Gbps可列為額外支援，非必要支援速度）。

圖七

結論

USB4傳輸速率提升到40Gbps，并且可以動態分享頻寬，當使用一條USBType-C連接線就可以相容于市面上Thunderbolt3和DisplayPort產品，對于消費者來說是一個更加便利的介面。但對于產品開發者來說，USB4是一個比較大的挑戰，除了產品設計和以往USB3的產品在架構上的差異，加上高頻信號在PCB及連接器上的衰減，須更關注高頻阻抗匹配，在開發階段確保傳輸的信號品質。

usb連接器