本文來自半導(dǎo)體行業(yè)觀察，作者/龔佳佳.
“科技改變生活”這句話向來都不是隨便說說的。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，過去的有些技術(shù)已經(jīng)悄無聲息得融入到我們?nèi)粘Ｉ钪?，從某種意義上來說，越是被人們認(rèn)為是理所應(yīng)當(dāng)?shù)拇嬖?，越是說明了那些技術(shù)對(duì)人們生活的重要性，USB就是一個(gè)很好的例子。
現(xiàn)如今，應(yīng)該沒有人會(huì)不知道USB的作用吧！手機(jī)、平板、耳機(jī)、智能手表…這些智能設(shè)備的充電、數(shù)據(jù)傳輸都靠USB接口來完成，很難想象如果沒有USB，這個(gè)世界還會(huì)不會(huì)這樣便捷？
然而，就是這樣一個(gè)現(xiàn)在看起來并不起眼的技術(shù)，也是經(jīng)過了二十多年的更迭，才變得如此普遍。
史前期：為通用而生
想必很少有人會(huì)知道USB的全稱是什么——Universal Serial Bus。“公共汽車”看起來和現(xiàn)在我們所理解的USB風(fēng)馬牛不相及，但從功能上說，USB確實(shí)是和“公交車”一樣的存在。USB開發(fā)團(tuán)隊(duì)之一的Bala Cadambi此前在提到USB名稱來源時(shí)表示，當(dāng)時(shí)開發(fā)團(tuán)隊(duì)希望尋找與用戶可能相關(guān)，并且還能用來描述技術(shù)的東西來命名，在大多數(shù)人的印象中，公共汽車是將乘客從A點(diǎn)運(yùn)送到B點(diǎn)的交通工具，而USB的“通用”則能夠?qū)SB標(biāo)記為可以與任何硬件一起使用的工具。
USB的中文全稱為通用串行總線，是一種串口總線標(biāo)準(zhǔn)，也是一種輸入輸出接口的技術(shù)規(guī)范，從誕生之初就是為了打破設(shè)備間的隔閡，從而實(shí)現(xiàn)通用這個(gè)目的。或許你還記得過去被笨重又繁瑣的電腦主機(jī)支配的恐懼，五顏六色，令人眼花繚亂的各種接口，音響接口應(yīng)該是最能快速被找到的一個(gè)，其余dvi等接口，哪怕人直接湊在主機(jī)面前，或許都很難一下子連接成功。
圖源：網(wǎng)絡(luò)
上世紀(jì)八九十年代的人們就時(shí)常面臨著這種煩惱，各不相同的接口占據(jù)了電腦主機(jī)大半的位置，難找、難插、難用…再加上主機(jī)位置有限，很難添加更多輸入端口，進(jìn)而限制了連接外圍設(shè)備的數(shù)量。即便連接上了外圍設(shè)備，辦公桌上也會(huì)擺滿了一堆雜亂無章的線組，調(diào)制解調(diào)器需要一條線、鍵盤需要一條線，打印機(jī)也需要一條又粗又大的線，甚至有時(shí)候用戶還需要打開計(jì)算機(jī)并添加硬件來為他們提供所需的通信端口…而種種的這些問題都是由于行業(yè)供應(yīng)商缺乏通用標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致的。
“天下苦接口久矣”，消費(fèi)者亟需一個(gè)通用接口來運(yùn)行外設(shè)，系統(tǒng)供應(yīng)商也需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來取代對(duì)大量不同接口的需求，并降低生產(chǎn)成本。就在這“水深火熱”之中，1994年英特爾聯(lián)合IBM、康柏、微軟、NEC、DEC等多家公司聯(lián)合提出USB傳輸協(xié)議，并于1995年成立了USB-IF組織（USB Implementers Forum），也就是現(xiàn)在的USB標(biāo)準(zhǔn)化組織，目的是支持和加快市場(chǎng)以及消費(fèi)者對(duì)USB兼容外設(shè)的采用。
不得不承認(rèn)，英特爾作為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中的老大哥，與如今的很多技術(shù)都有著千絲萬縷的關(guān)系。最初有開發(fā)通用即插即用通信系統(tǒng)想法的Ajay Bhatt就是英特爾的工程師，作為Bhatt USB想法的首個(gè)資助方，英特爾擁有USB技術(shù)的全部專利。1990年代初，Ajay Bhatt與來自康柏、DEC、IBM、微軟、NEC和加拿大北電網(wǎng)絡(luò)的工程師結(jié)成了USB開發(fā)團(tuán)隊(duì)。
其實(shí)在USB出現(xiàn)以前，市面上已經(jīng)有了部分可用的接口技術(shù)，比如蘋果的IEEE 1394（Firewire火線標(biāo)準(zhǔn)），雖然傳輸速度快，但卻不夠通用，應(yīng)用范圍有限，而且1394接口一直沒有原生支持，只能靠第三方芯片提供接口，額外增加了使用成本。
USB開發(fā)團(tuán)隊(duì)在探索了Firewire火線標(biāo)準(zhǔn)、音頻接口等技術(shù)之后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)現(xiàn)有的技術(shù)沒有一個(gè)可以滿足團(tuán)隊(duì)的全部要求，尤其是無法滿足工程師們希望的價(jià)格低廉、能夠?yàn)橥庠O(shè)供電并提供大量帶寬等要求。經(jīng)過不斷嘗試，開發(fā)團(tuán)隊(duì)終于在1995年發(fā)布了首個(gè)USB設(shè)計(jì)，項(xiàng)目經(jīng)理Jim Pappas表示，USB 1.0的速度為每秒12兆比特，“比通常個(gè)人計(jì)算機(jī)背板上的任何連接方式都快”。
緊接著，1996年1月，USB-IF組織公布了USB 1.0規(guī)范，但由于USB 1.0每秒12兆比特的速度，對(duì)于計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)、操縱桿、鍵盤和其他帶有非屏蔽電纜的附件而言太快了，因此USB 1.0規(guī)范有了1.5Mbps和12Mbps兩個(gè)速度。
然而，作為一種新興接口，USB在誕生之初并沒有我們想象中那么受人歡迎，一方面是因?yàn)橹С諹SB接口的設(shè)備較少，另一方面是由于延時(shí)和供電問題，使得USB 1.0接口不支持使用延長(zhǎng)線，因此與傳統(tǒng)的傳輸接口對(duì)比，USB并沒有體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。
直到1998年，USB 1.1規(guī)范的發(fā)布，改進(jìn)了此前USB HUB方面的問題，最多能支持127個(gè)外部設(shè)備，同時(shí)市面上也出現(xiàn)了抗干擾能力比較強(qiáng)的磁環(huán)線，USB的長(zhǎng)線使用變得可行。當(dāng)然，更重要的還是來自Win98、蘋果iMac G3、以及英特爾主板芯片組等設(shè)備、硬件方面不斷加強(qiáng)的支持，USB迎來了發(fā)展的春天。
發(fā)展期：方興未艾的草莽時(shí)代
來自終端的支持是推動(dòng)USB發(fā)展的強(qiáng)大引擎，尤其是iMac的普及加快了USB進(jìn)入市場(chǎng)的步伐，再加上USB-IF組織的大力宣傳，越來越多的設(shè)備開始搭載USB接口。進(jìn)入21世紀(jì)后，USB規(guī)范進(jìn)行了多次修訂，命名也進(jìn)行了多次修改，雖然一度令人摸不著頭腦，但不得不承認(rèn)，正是在這個(gè)野蠻發(fā)展階段，搭載USB接口的設(shè)備逐漸呈現(xiàn)出井噴之勢(shì)。
USB發(fā)展史圖源：adata
USB 2.0規(guī)范是于2000年4月發(fā)布，當(dāng)時(shí)隨著外置大容量存儲(chǔ)設(shè)備及數(shù)碼相機(jī)等多媒體設(shè)備的日益普及，對(duì)接口的傳輸速度要求越來越高，USB 1.1 12Mbps的帶寬已不能滿足應(yīng)用的需求，在這種背景下，USB 2.0應(yīng)運(yùn)而生。相較于1.1版本，USB 2.0最大的特點(diǎn)就是傳輸速度跨越至480 Mbps，并且向下兼容低速1.5 Mbps和全速12 Mbps。此外，USB 2.0還陸續(xù)增加了ECN、OTG等功能，細(xì)分了接口類型，并統(tǒng)一了充電標(biāo)準(zhǔn)。
USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，意味著USB技術(shù)開始真正成熟起來，支持的設(shè)備越來越多，直至2012年，也就是USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)推出的12年后，憑借使用方便、穩(wěn)定性高與價(jià)格合理等特性，USB 2.0市場(chǎng)占比依舊超90%。
如果說，在USB 2.0時(shí)代，USB還有火線標(biāo)準(zhǔn)這一勁敵的話，那么等到2008年USB 3.0發(fā)布后，USB便開始完全獨(dú)占市場(chǎng)。2008年初，USB-IF發(fā)布了USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)，最大亮點(diǎn)就是，高達(dá)5.0 Gbps的超高速傳輸速度，這也成為了壓倒火線的最后一根稻草，蘋果領(lǐng)軍人物賈伯斯對(duì)此表示，算了不打了，火線標(biāo)準(zhǔn)就此壽終正寢。
除了超高速傳輸速度，USB 3.0還具備很多優(yōu)勢(shì)，比如：對(duì)外提供供電電壓仍然為5V，但最大電流達(dá)到了900mA；并且增加了新的電源管理功能，支持待機(jī)、睡眠以及暫定模式，更加省電；引入了全雙工通訊。
在USB 3.0推出后，2009年技嘉、華碩等主板廠商接連推出USB3.0接口的主板，全力上市推行。此外，金士頓、西部數(shù)據(jù)、力杰等PC外設(shè)廠商也紛紛推出了采用USB3.0接口的移動(dòng)存儲(chǔ)產(chǎn)品。到了2016年8月，USB-IF組織認(rèn)證通過了近120種符合USB 3.0規(guī)格的產(chǎn)品，涵蓋了主機(jī)板、筆記型計(jì)算機(jī)、外接式儲(chǔ)存裝置、儲(chǔ)存控制器、硬盤機(jī)、PCI Express與ExpressCard擴(kuò)充卡，以及單獨(dú)的芯片等多種產(chǎn)品類型。
相關(guān)設(shè)備的涌現(xiàn)加速了USB 3.0產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，相應(yīng)的價(jià)格也開始落入主流范圍，此后USB 3.0便完全融入到了我們的生活中。
在獨(dú)占市場(chǎng)之后，USB-IF組織并沒有停下研發(fā)的腳步，卻同時(shí)也開啟了“作妖之路”。2013年，USB 3.1發(fā)布，理論速度可以達(dá)到10Gbps，但在發(fā)布后2年，也就是2015年，USB-IF組織便發(fā)布公告稱，將USB 3.0改名為USB 3.1 Gen1，USB 3.1改名為USB 3.1 Gen2，這次改名給消費(fèi)者帶來了很多麻煩，消費(fèi)者常常因?yàn)橐粫r(shí)疏忽而落入奸商的陷阱。
2017年，USB-IF宣布基于USB 3.1改良，推出最新版本規(guī)范USB 3.2，將傳輸速度從10Gbps倍增至20Gbps，由于Type-C接口正反面都能嵌入針腳，所以可以讓傳輸速度攀升2倍。然而，過了2年，2019年USB-IF再次宣布改名，將USB 3.0、USB 3.1 Gen2的版本命名都統(tǒng)一劃入U(xiǎn)SB 3.2的行列，三者分別叫做USB 3.2 Gen 1、USB 3.2 Gen 2、USB 3.2 Gen 2×2，用戶們又開始了新一輪的記憶之路…
上述提到了Type-C接口，那么這里筆者稍微強(qiáng)調(diào)下，USB傳輸標(biāo)準(zhǔn)與USB接口之間并沒有絕對(duì)的關(guān)聯(lián)，決定USB最大傳輸速度的不是USB接口的形態(tài)，而是接口支持的USB傳輸標(biāo)準(zhǔn)，即便是使用近幾年出現(xiàn)的新型USB接口Type-C的設(shè)備，也可能只支持使用較慢的USB 2.0傳輸標(biāo)準(zhǔn)。
USB傳輸標(biāo)準(zhǔn)與接口之間的關(guān)系
圖源：中興文檔
成熟期：迎接USB4 X時(shí)代
現(xiàn)如今，USB傳輸標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)從3.x時(shí)代邁向了USB4 X時(shí)代，雖然2019年9月就誕生的USB4標(biāo)準(zhǔn)至今還未普及完全，但并不耽誤USB-IF推出USB4 2.0規(guī)范。
就在9月1日，USB-IF公布，計(jì)劃在11月舉辦的USB DecDays上發(fā)布USB4 2.0新規(guī)范，同時(shí)預(yù)告USB4 2.0的部分功能特性。據(jù)透露，USB4 2.0版將支持高達(dá)80Gbps的帶寬，是USB4 1.0版40 Gbps的兩倍，也是當(dāng)前最快的物理接口速度。USB Promoter Group首席執(zhí)行官Brad Saunders指出，從這種速度提升中受益最大的解決方案，包括更高性能的顯示器、存儲(chǔ)和基于USB的集線器和塢站。
除此之外，由于采用全新物理層架構(gòu)，USB4 2.0還能讓無源USB-C線纜支持40Gbps速率，同時(shí)添加了對(duì)最新DisplayPort(2.0)和PCIe(5.0)規(guī)范的支持。據(jù)Angstronomics爆料，USB4 Version 2.0或?qū)⒅С諴AM3（脈沖幅度調(diào)制）數(shù)據(jù)編碼，并帶來高達(dá)120Gbps的非對(duì)稱傳輸。
雖然USB4 2.0版具體特點(diǎn)要等到11月份才能揭曉，但是僅憑上述預(yù)告就足以令人驚嘆。作為USB4 1.0的升級(jí)版本，USB4 2.0確實(shí)值得期待。需要注意的是，USB4 1.0與此前的規(guī)范相比，整合了雷電3的先進(jìn)技術(shù)，具備了超大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸能力，支持和雷電3同等的視頻拓展能力，具備充電功能。在雷電3的加持下，USB4 1.0直接成為了目前功能最全、體積最小、速度最快的物理接口，那么在USB4 1.0基礎(chǔ)上的USB4 2.0自然也將成為未來最優(yōu)異的物理接口。
這里筆者解釋下，雷電協(xié)議是由英特爾和蘋果合作開發(fā)，目前已經(jīng)發(fā)展到了第四代，也就是雷電4，其中雷電3作為第三代協(xié)議，功能齊全、性能頂級(jí)，早在2015年雷電3就開始使用USB Type-C接口，然而由于成本過于昂貴，大部分使用搭載雷電3的Type-C接口的都是諸如iMac等高端設(shè)備，USB4 1.0的推出則徹底改變了雷電3接口標(biāo)準(zhǔn)的巨額成本問題。未來隨著USB4 2.0的發(fā)布，或許雷電3也將變得更加普及。
一般來說，標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布與相關(guān)設(shè)備的推出之間往往會(huì)間隔很長(zhǎng)一段時(shí)間，以USB Type-C為例，2014年其規(guī)范就已宣布，但至今許多筆記本電腦仍然沒有USB Type-C接口。據(jù)Angstronomics預(yù)測(cè)，英特爾將在2023年通過其第14代酷睿“Meteor Lake”平臺(tái)支持USB 4 2.0，因?yàn)橛⑻貭栆呀?jīng)通過其媒體暗示支持80 Gbps Thunderbolt輸入/輸出接口，至于AMD則將在2025年僅提供支持USB 4 2.0的CPU。換句話說，想到等到USB 4 2.0變成主流接口，仍需要很長(zhǎng)時(shí)間。
從USB的發(fā)展史來看，問世二十多年以來，USB技術(shù)的每次更新都帶來了巨大的改變，未來勢(shì)必也將繼續(xù)向前發(fā)展。
寫在最后
或許有人會(huì)擔(dān)心，無線技術(shù)會(huì)不會(huì)成為USB技術(shù)的頭號(hào)勁敵，但從目前來看，短期內(nèi)，無線技術(shù)很難撼動(dòng)USB的地位。一方面無線技術(shù)面臨著速度問題的限制，傳輸大量照片或視頻所需的時(shí)間遠(yuǎn)高于使用USB，另一方面雖然無線充電技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，但是這種充電方式仍然存在許多缺陷，目前大部分電子設(shè)備依舊采用有線方式充電。
相較于擔(dān)憂，我們或許更應(yīng)該期待USB Type-c接口時(shí)代的到來，當(dāng)一個(gè)接口連接所有設(shè)備將成為可能，USB離真正的通用也就不遠(yuǎn)了。
