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Intel Thunderbolt接口科普

线缆行业朋友分享圈 2023-09-12 10:12:15

Intel的Thunderbolt接口目前已经Mac上实现超快的数据传输速度和改进的外部显示器支持,下一代Thunderbolt5(英特尔高管称下一代Thunderbolt 5的速度可能是4代的两倍)将在每个方向提供80Gbps的带宽,与当前速度相比,未来Mac和支持该标准的外部存储驱动器之间的数据传输速度最高提升2倍。据消息,下一代Thunderbolt还允许外部显示器高达120Gbps的带宽,这将允许Mac支持高达60Hz的双8K显示器。据悉,最新的14英寸和16英寸MacBook机型配备雷雳4/USB4接口,每个方向的带宽高达40Gbps。不过目前,没有Mac支持即插即用的8K显示器,最新的14英寸和16英寸的MacBook Pro型号最多支持两个或三个外部显示器,最高6K@60Hz,具体规格取决于该MacBook的芯片性能。日前苹果iPhone15系列USB-C数据线曝光,也开始采用兼容Thunderbolt 接口,未来可期.


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Thunderbolt 接口科普

2016年6月3日,Intel正式公布了Thunderbolt 3接口规范,该接口需要占用4条PCI-E 3.0通道,传输速率可达40Gbps,为了跟USB接口竞争,Intel主导研发了Thunderbolt接口,因为其高额的版权授权费用,让其并没有得到普及,只有苹果Mac电脑以及少数高端主板才支持该接口,而且相关外设的价格非常昂贵,Thunderbolt 3接口能支持双4K(4096×2160)60Hz显示器输出,且提供更强的供电能力,可给设备提供15W电力,如果是专门用来充电的话,最高能支持100W供电;令人吃惊的是,Thunderbolt 3接口居然和USBType-C一模一样,而且兼容USB 3.1标准。这么做的好处相当明显,未来USB Type-C设备可直接插在Thunderbolt3接口上使用,这显然会带动Thunderbolt 3接口的发展;最新Tiger Lake已经确认首发Thunderbolt 4(雷电/雷雳4),由于Thunderbolt 4的带宽保持在40Gbps,它和USB4某种程度上也算是一回事了.基于Intel雷电4接口协议,带宽40Gbps且只有USB Type-C一种接口形态,同时支持100W功率供电,充分的带宽能让它支持菊花链承载外置独立显卡,或两台4K显示器/一台5K显示器.

Thunderbolt简介

ThunderboltI/O技术由Intel公司开发,每个接口配备两个10Gbps全双工数据路径链路,要比Firewire800接口快达12倍。Thunderbolt采用64b/66b数据编码格式,而Intel开发的接口控制器可将PCI–Express和DisplayPort复用成为一个单数据流。Intel公司开发的第一代控制器代号为Light Ridge,随后的第二代、第三代控制器代号分别是Cactus Ridge和Redwood Ridge,而新一代(第四代)控制器的代号是Falcon Ridge。

在主机设备中,控制器从I/O控制器集线器中获取PCI–Express数据,从I/O控制器中的负信号或如图1所示的外部图形控制器中获取DisplayPort数据。接下来,该组合信号通过全双工差分信号发出。一般情况下,每个控制器配备两个端口,可进行菊花链方式的连接。

Thunderbolt接口定义的简单讲解

前两代雷电使用的是mini DP接口,而雷电3开始其使用的是Type-C的物理接口,这个接口有20根引脚。

如图。其中Ground都是接地,一共8根,其中2根保留未使用。引脚2用于热插拔的检验,引脚3到6是一对双向串行差分信号,引脚15到18是另一对双向串行差分信号。所以雷电1是基于 PCI-E 2.0 X2的,利用两路PCI-E通道(也就是4路差分信号)进行传输,速度为双向各10GT/s,全双工。引脚9和11可能是USB2.0的差分信号(也就是“向下兼容USB”)。引脚20是正极供电。关于雷电2,官方给出的速度是20Gbps,基于PCI-E 2.0 X4,依然使用miniDP接口(接口定义不变,所以完全兼容)。然而根据接口定义,miniDP只能承载4路差分信号,也就是全双工下的两对(X2通道)

因为4条通道可以同时单向工作,所以速度可以达到PCI-E X4的单向速度,也就是20GT/s,但是这时是半双工的。在全双工下,单向速度还是10GT/s。接下来是雷电3。雷电3使用的是我们都非常熟悉的Type-C接口,Type-C接口在USB时的定义如下

但是雷电3是4路差分信号,所以在针脚定义上和USB3.1(2路差分信号)完全不同。具体如何定义的,很遗憾,我并没有查到资料。不过我们可以大体分析一下。Type-C有24根引脚,但是,因为它是双面可插的,所以只有一半的引脚是有效的,也就是图中圈上的那部分

所以,有12根引脚可用。这12根引脚,分配给4路差分信号,需要8根引脚。加上1根屏蔽地、1根地线、1根供电(正极),还剩一根保留(可能用于热插拔检测),是完全够用的。在协议上,全速雷电3使用了PCI-E3.0 X4,和雷电2一样分两种模式——全双工和半双工。半双工下,最高速度为32GT/s,因为使用了128b/130b编码,所以实际速度为3.938GB/s(查表就可以知道)。当然,全双工模式下速度减半。那我就很好奇——“40Gbps”的官方宣传速度到底是怎么来的?个人猜想,节操丢尽的英特尔又在忽悠人。3.938,四舍五入,就是4了嘛!然后按照老的8b/10b的编码方式(实际上编码方式换了),4*8*(10/8)=40G/s,嗯,没毛病。另外,雷电3存在半速版,使用的是PCI-E 3.0 X2,这次就只有全双工模式——也就是双向各“20G/s”(实际上是16GT/s),虽然名义上是半速的,实际上在全双工下速度和全速没有区别。注意:雷电3接口速度不能达到PCI-E 3.0 X4的全部速度(全双工,双向各32GT/s)的原因不是计算机内部分配的PCI-E通道数不足,而是雷电接口本身的针脚数不足,只能容纳4路差分信号(而PCI-E 3.0 X4是8路差分信号)。最后总结一下。雷电这东西,在原理上还是比较先进的,楞是用4条差分通道达到了PCI-E X4的单向速度,反正消费者们也不关注到底是全双工还是半双工。个人认为,这种设计对于PCI-E而言完全就是浪费。在速度已经达到“双向各20G/s”的雷电3时代,仅仅就是为了和USB3.1争一个高低,就把本来全双工的PCI-E X4变成半双工工作来解决线数不够的问题,这就是很严重的浪费了(的确,为了找出4个全速雷电3需要的20条PCI-E 3.0,2017版高端MBP把给独显用的16条和给PCH(可以理解为南桥)的4条全给了雷电,所以,连独立显卡都没有!这可真是“Macbook Pro”啊!独显都没有,除了价格,真没看出哪里对得起Pro这个词。

Thunderbolt 接口的市场

HDMI接口、家庭视屏系统的霸主,DP接口(免授权)、 PC或显示器端的宠儿,MHL接口、皇亲国戚,是基于HDMI阵营的高速复合应用接口,相关应用已在市售商品,家电上看到的Thunderbolt接口、是FireWire的升级版本,是英特尔研发和支持的一种标准,戴尔的XPS产品线和惠普的Elite x2平板,苹果的MAC系列,而在未来,光纤版的Thunderbolt承诺带来最高120Gbps的速度;故其为未来唯一可以和USB TYPE C竞争的竞争对手,如果将来的趋势是一个接口打天下,假设USB与Thunderbolt之间的竞争态势没有太大的改变;这个接口仍然就是USB Type-C.

审核编辑:汤梓红

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