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连接器接口索尼Light Peak终于发光:光版USB的诞生?

  【Light Peak终于发光】(一):接口集约化是大趋势

  “利用光的Light Peak笔记本电脑也许7月份就上市了”。

  2011年5月底,美国。听到眼前采访对象的这番话,笔者有一瞬怀疑是否是自己听错了。但几度确认,得到的回答都是一样的。那就是:配备美国英特尔开发的光传输技术“Light Peak”(开发代码)的笔记本电脑将于今年7月亮相。尽管他表示“上市产品的具体企业还不清楚”,但他的表情明显告诉笔者他掌握着确切的信息。果不其然,他的消息是正确的。2011年6月28日,索尼宣布将于7月底上市配备Light Peak光接口的笔记本电脑(图1)。也就是说,“光版”Light Peak闪亮登场了。

  业界早就“传闻”说索尼正考虑将光版Light Peak配备在笔记本电脑上。但笔者一直认为,Light Peak笔记本电脑不会在2011年内面世。因为“电气版”Light Peak,也即“Thunderbolt”率先实现了实用化。

  Light Peak是英特尔于2009年9月在IDF上发布的高速接口技术。面世之初,该公司表示将采用光传输技术,这是其最大的特点。但之后英特尔宣布,最初将利用电信号而非光信号。然后在2011年2月,美国苹果公司发布了配备Thunderbolt的笔记本电脑“MacBook Pro”。所以笔者认为2011年内采用光传输技术的Light Peak该不会亮相。

  但笔者的想法完全错了。索尼预定2011年7月底上市的笔记本电脑“VAIO Z”系列的新产品“VPCZ21V9E”将配备基于Light Peak的设备间光接口。为此,本文将分数回介绍Light Peak相关的内容。

  实现接口的“集约化”

  Light Peak于2009年9月首次在IDF上公开。其最大特点是采用了光传输技术。由此,数据传输速度提高到了10Gbit/秒以上,将来有望实现100Gbit/秒。通过提高速度,利用一根线缆可传输多种规格的接口信号。也就是说,物理层等下位层可在各接口规格间共用,协议层等上位层可按照接口规格利用不同的信号。简言之,该技术就是如同在一根粗管道中流通各种不同的东西。

  准备一个高速的物理层,在此之上传输多种接口信号以实现集约化。这种想法已经成为目前接口业界的一种潮流。例如,DisplayPort可利用转换适配器连接DisplayPort与HDMI和DVI。DisplayPort的数据传输速度较高,因此还能传输HDMI信号。在现行标准v1.2中,每个信道的数据传输速度为5.4Gbit/秒。最大可利用4信道,一根线缆能实现21.6Gbit/秒的数据传输速度。如果利用辅助信道“AUX”,还能传输USB 2.0规格的信号。

  HDMI也从1.4版本开始支持以太网信号的收发。被称为中国版HDMI的“DiiVA”不但能传输音频和非压缩HD影像,还可传输以太网和USB 2.0的信号,甚至还能供应电力。以色列Valens Semiconductor公司等主导的“HDBaseT”除了音频和非压缩HD影像外,也能传输以太网和USB 2.0信号,而且可供给100W级的电力。

  其中DiiVA和HDBaseT的特点是,其线缆可利用以太网线缆。也就是说,DiiVA和HDBaseT利用以太网的物理层传输视听类信号。

  另外,面向便携终端的接口包括美国晶像(Silicon Image)公司等推进的“MHL”、意法合资公司意法半导体(STMicroelectronics)和瑞士ST-Ericsson共同开发的“Mobility DisplayPort(MYDP)”以及美国硅谷数模半导体(Analogix Semiconductor)公司开发的“SlimPort”,均可共用5端子microUSB传输非压缩HD影像。也即支持USB数据信号和HD影像。由于可共用microUSB,3种接口技术均无需专用连接器。

  其中,率先实现实用化的是MHL。目前已经用于韩国三星电子的智能手机“Galaxy S II”。MHL和HDMI一样,利用TMDS传输影像数据,因此,如果利用转换适配器,可连接配备HDMI端子的电视。据笔者所知,Galaxy S II并没有特别强调“配备MHL”,而是强调了可利用转换适配器与HDMI连接。

  便携终端的内部方面,预定将传输技术“MIPI(Mobile Industry Processor Interface)”的新一代物理层“M-PHY”作为多种内部接口规格的物理层使用。比如,连接无线通信模块和应用处理器等的“DigRF v4”、连接摄像头模块和应用处理器的“CSI-3”。另外,预计面向存储卡的高速接口UFS也将采用M-PHY。

  在这些计划实现集约化的接口群中,Light Peak具备的最大特点是支持影像传输类和数据传输(存储)类两种接口规格。目前,已确定Thunderbolt支持的是DisplayPort和PCI Express。前者属于影像传输类,后者属于数据传输类。如果支持这二者,那么还能支持其他多种接口规格。例如,DisplayPort可支持HDMI、DVI和VGA。而PCI Express可支持SATA等。

  实现集约化的三个理由

  为何接口“集约化”的趋势会不断加速呢?理由至少有三个。第一,可削减连接器数量。目前,笔记本电脑和平板终端对薄型化的要求越来越高。为此,需要削减连接器数量。另外,数码相机和手机等小型便携终端增加连接器数量本来就很困难。

  第二,可降低成本。首先,减少连接器数量后,可相应削减连接器部件和电磁噪声对策部件等的成本。如果能共用物理层,通过量产效果还能削减物理层自身的制造成本。

  第三,可进行高速数据通信的物理层技术取得了进步。目前,支持5Gbit/秒以上速度的接口规格不断增加。这是因为,在发送端实施的加重处理和在接收端实施的均衡器处理技术取得了进步。

  连接器和兼容性测试尤为重要

  要想实现接口规格的集约化,光有高速传输技术还不够。关键在于连接器和兼容性测试。

  连接器之所以重要,是因为如果向旨在实现集约化的高速接口追加新连接器,削减连接器数量的效果就不明显了。大多情况下,作为“旧(Legacy)规格”,会配备原来的接口连接器。因此,即使可传输多种规格接口信号的新规格出现,很多时候也只是追加这种新规格的连接器。

  因此,Light Peak计划尽量使连接器实现通用。Thunderbolt直接沿用了DisplayPort的迷你连接器。另外,估计索尼采用的光版Light Peak采用了与USB 3.0具有兼容性的新连接器。Light Peak在连接器前方设置了USB 2.0端子,里面设置了USB 3.0端子,另外,里面设置的配备光信号收发专用端子的专用连接器目前正在开发中(参阅本站报道10)。此外,还可以插拔原来的USB连接器,而且能传输光信号。

  索尼的个人电脑配备之所以采用上述的新连接器,就是判断今后将会以这种连接器为基本器件。因为从索尼在发布资料中公开的照片来看,从Light Peak光收发模块中延伸出来的光纤是与USB连接器相连的(图2)。另外可插入USB 3.0连接器,所以可以判断电脑会根据连接终端的接口种类来改变传输信号。

  

  图:红圈部分是可支持USB 3.0的光接口连接器。估计开口部的尺寸与USB 3.0相同。(点击放大)

  兼容性测试之所以重要是因为,在与号称兼容的接口连接时,如果出现无法连接的情况,用户对其易用性印象会变差。例如,DVI就很难保证相互连接性,即使是支持DVI的终端,也发生过无法顺利相互连接的“兼容问题”。这是阻碍DVI普及的原因之一。对此,HDMI引以为戒,虽然采用了与DVI相同的传输技术TMDS,但加强了对兼容性的测试容,非常重视确保相互连接性。

  目前苹果和索尼虽然没有公布Thunderbolt和光版Light Peak之间的兼容性测试详情。不过,如果支持DisplayPort和PCI Express等多种接口,就“需要通过某种形式进行”(熟悉DisplayPort的某业界相关人士)各接口之间的相互兼容性测试。至少在2011年5月份时,“Thunderbolt尚未给出相关的兼容性测试方法”(熟悉DisplayPort的某业界相关人士)。

  现在已经确定Thunderbolt支持DisplayPort和PCI Express。估计索尼采用的光版Light Peak也一样。Thunderbolt与光版Light Peak支持的接口规格今后会进一步增加。比如HDMI和SATA等。随着支持接口规格的增加,兼容性测试也将变得更加重要。

  【Light Peak终于发光】(二):配备方面存在的三项课题

  在上一篇中曾介绍,连接器和兼容性测试是实现接口集约化的重要因素。本篇将介绍在消费类产品上配备Light Peak等光传输技术时存在的课题——成本、耗电量以及模块尺寸等。

  Light Peak目前正在试图解决上述三项课题。为光通信和Light Peak开发光元件驱动IC及光敏元件后段放大器等元件的美国Ensphere Solutions公司就表示,Light Peak光收发模块可较光通信利用的收发模块降低价格、缩小尺寸并削减耗电量。

  具体指标如下:光通信利用的“SFP+”标准收发模块的制造成本为每10Gbit/秒数据传输速度约14美元,尺寸为56.5mm×13.4mm,高度为8.5mm。耗电量为每10Gbit/秒1W(图1)。

图1:Light Peak和SFP+光收发模块的比较(图由本站根据Ensphere Solutions的资料制作)(点击放大)

  而Light Peak光收发模块的目标价格是,将每10Gbit/秒的制造成本降至2美元以下。美国Ensphere Solutions认为只要进行量产,这一数值是可能实现的。模块尺寸可缩小至12mm×10mm,高度可降至2mm(图2)。耗电量为每10Gbit/秒130mW,是SFP+的约1/8。

  Light Peak光收发模块之所以能降低价格,是因为其构成部材价格低,而且部件数量少。首先光源的激光元件采用振荡波长为850nm的低价位面发光激光器(VCSEL)。传输通道利用多模光纤。一般情况下,多模光纤要比光通信利用的单模产品便宜。光通信利用的激光器是可进行单模振荡,而且波长稳定性较高的高价位半导体激光器。光纤也采用单模产品。

  其次构成部材较少。例如,没有配备用来保证激光器一定程度光输出的“APC(Automatic Power Control)”功能用光敏元件。而在光通信中,为实现稳定的通信,会尽量将激光器的光输出保证在一定程度上。此时,为实现光输出的稳定化,通常需要实时检测激光器的光输出。该检测用途配备了不同于数据通信的光敏元件。而Light Peak没有配备这种光敏元件。

  另外,消费类产品利用的Light Peak无需像社会基础设施利用的光通信那样的可靠性和产品寿命,因此可削减成本。

  光收发模块能够实现小型化是因为构成部材少,而可削减耗电量是因为无需采用APC用光敏元件等。

  那么,制造Light Peak光收发模块部材的都是哪些企业呢?

图2:上面是Light Peak光收发模块。配备了Ensphere Solutions公司的激光器驱动IC和放大器元件。制造模块的是“香港新科集团”(Ensphere Solutions)。下面是用来在基板上配置光收发模块的模块收纳金属盒。可以看见“富士康”的标志。(点击放大)

  目前已知,美国Oclaro正在开发光源VCSEL。美国Ensphere Solutions正在开发激光器驱动IC和放大器元件。另外,该公司还开发出了将电力管理IC和存储器等收发光信号所需的半导体元件集成在一枚芯片上的技术。

  开发光模块的是美国安华高科技(Avago Technologies)和TDK的关联企业——香港新科集团(SAE Magnetics)(参阅本站报道)。估计正在开发连接器的是台湾鸿海精密工业(通称富士康)等。

  索尼似乎也在开发用于Light Peak的元件,熟悉Light Peak的某位人士介绍索尼开发的应该是“光敏元件”。索尼拥有激光器和光敏元件等光元件技术。正因为如此,除了光敏元件外,索尼还有可能在开发VCSEL。

  【Light Peak终于发光】(三):光版USB的诞生?

  前两回大致介绍了什么是Light Peak。本文将根据索尼的发表,依次介绍笔者感兴趣之处。

  1.索尼配备的Light Peak的正式名称是什么?

  只要正式名称公开,至少就可以判明索尼与英特尔今后发展Light Peak光接口的方向。就结论而言,笔者感觉索尼有意把这次的光接口应用于新一代USB,也就是USB 4.0。至少也会作为USB 3.0的选配指标。

  英特尔公司和索尼等公司虽然没有正式发表,笔者这样揣摩的理由有如下几条。首先,英特尔公司对于光化非常执着。过去制定USB 3.0标准时,该公司就曾打算加入光传输的标准。但由于其他USB-IF成员的反对,USB 3.0最终没有加入光传输,并于2008年正式完成了标准化。但就在USB 3.0即将普及之际,英特尔公司于2009年9月提出了Light Peak设想。

  第二个理由是英特尔对于支持USB 3.0态度谨慎。英特尔上市支持USB 3.0的芯片组是在2012年。当时USB 3.0已经问世了3年多。鉴于此,甚至有看法认为,“英特尔公司的目的估计是普及Light Peak,而不是USB 3.0”。

  接下来的理由是,试制Light Peak连接器的台湾鸿海精密工业(Hon Hai Precision Industry,通称Foxconn或富士康)一开始就把Light Peak叫做“USB 4.0”。笔者多次采访过鸿海的连接器负责人,在交谈中,对方频频提到USB 4.0。

  如果成为USB标准规格,就可以在各类产品中配备,市场有望得到扩大。而且,虽说是标准品,制作Light Peak连接器十分困难,可以确保先行者利益。这就意味着,对连接器厂商来说有可能是笔“划算”的买卖,鸿海或许最希望Light Peak连接器成为USB连接器。

  连接器制作之所以困难,是因为既要支持USB 3.0,还必须支持光传输,其结构将趋于复杂。USB 3.0的连接器已经在此前的USB 2.0端子的基础上,配备了最大数据传输速度达到5Gbit/秒的“Super Speed”模式专用端子。如果再加上光传输端子,结构还会更加复杂。特别是光传输线路具有光轴校准等传统电信号没有的设计要素,因此,连接器的实现比较困难。

  如今,公认如此难以实现的连接器已经达到了可以配备到个人电脑产品的水平。索尼配备光接口的个人电脑似乎安装了能够进行光传输、可以与USB 3.0兼容的连接器。如果英特尔与索尼,以及鸿海借助这一“成果”,在USB-IF上参与讨论,光传输也有望成为USB的指标。

  其实,在接口性能参数的制定中,几家公司首先制作试制品,在实际产品中配备后,再申请成为正式标准的情况屡见不鲜。例如DisplayPort的迷你连接器。苹果公司在制定DisplayPort的性能参数之前,就为该公司的个人电脑配备了DisplayPort的迷你连接器(参阅本站报道1)。当时的迷你连接器由鸿海制造。之后,该公司以这项成果为武器,成功使DisplayPort的连接器性能参数成为了标准。英特尔与索尼,以及鸿海或许也有着相同的目的。

  鉴于以上情况,Light Peak今后成为USB的可能性非常大。

  当然,除了成为USB之外,还有其他的可能。例如成为Thunderbolt的光版标准。这样一来,光版Light Peak估计会和电版一样使用“Thunderbolt”的名称。

  此外,索尼配备的Light Peak光接口的名称还可能既不是Thunderbolt,也不是USB。那样的话,市场上将会出现同样利用英特尔公司开发的Light Peak接口技术,但名称各异的接口标准。从而出现以往围绕IEEE1394的名称,苹果使用的“FireWire”与索尼使用的“i.LINK”相互对峙的格局。

  倘若思维再活跃一些,或许DisplayPort今后不会进行大幅更新性能参数,Thunderbolt将归入新一代DisplayPort的框架内,光版Light Peak将成为USB的新一代指标。这样在未来,个人电脑和数字家电等产品配备的接口也许会向Thunderbolt和新一代光版USB两个种类集中。也就是说,Light Peak将横扫市场。

  2.线缆会变成什么样?

  Light Peak似乎将利用多模玻璃光纤。这样的话,线缆也将使用玻璃光纤。音频产品传输音频使用的是塑料光纤(POF)。但把玻璃光纤应用于通信以外的消费产品用途基本还是第一次(在FTTH室内光布线用途或许已经得到了应用)。因此,笔者对线缆的耐久性和价格十分关注。

  3.对产品内光布线的波及效果如何?

  过去Light Peak问世时,由于采用光传输技术,人们曾期待随着普及的推进,会获得消费产品采用光布线的效果。因为Light Peak这一先行者问世后,除了能够积累“光传输技术”在消费产品中使用的知识经验,还有望降低光布线使用的部材成本。例如光轴校准等光传输独有的调整技术知识,VCSEL、光敏元件和光传输线路的低成本化等(参阅本站报道2)。对于产品内光布线,消费产品配备“光传输技术”这一事实最有望成为巨大的推动力。

  随着利用电信号的Thunderbolt的登场,上述期待灰飞烟灭,但索尼的个人电脑问世后,获得普及效果的期待再度出现。而且,如果USB采用了Light Peak,普及效果估计还会更加强劲。

  而且,从索尼发布的笔记本电脑的内部结构来看,连接器与光收发模块的距离较远,可见机壳内铺设了光纤(图1)。也就是采用了“产品内光布线”。索尼一直在研发光布线(参阅本站报道3)。涉及的范围包括光驱、激光器元件、摄像元件以及镜头等。因此,该公司对于处理光学部件是轻车熟路。这恐怕也是索尼率先采用Light Peak的一个原因。

  4.利用场景是哪些?

  

  图:就笔记本电脑的内部结构来看,连接器与光收发模块的距离长,由此可见,机壳内铺设了光纤。(点击放大)

  采用Light Peak光接口后,会产生哪些利用场景呢?这也是笔者关心的地方。索尼在推出采用光接口的笔记本电脑的同时,还将上市通过光接口连接的外设“Power Media Dock”。Power Media Dock配备有光驱和高处理能力GPU等。按照推测,这两款产品使用光接口的利用场景可能如下。

  在外出时,随身携带超薄轻量(约1.2kg)的笔记本电脑,在外面完成工作和资料编辑等。回家后,当进行视频编辑、3D图形游戏等大处理负荷的操作时,通过Light Peak把Power Media Dock与笔记本电脑连接。然后,利用Power Media Dock内置的美国AMD(Advanced Micro Devices)的GPU“Radeon HD 6650M”和1GB视频存储器(VRAM),进行大处理负荷的操作。因为处理性能高于笔记本电脑的GPU,所以可以流畅地享受视频编辑、3D图形游戏等操作的乐趣。

  现在,能够想到的“Light Peak独特”的利用场景,还只有这种与外部高速GPU连接的用途。实际拿到相应产品后,或许还能发现更多巧妙的用途。

  5.接口行业的格局将如何改变?

  Light Peak集成了各种接口。如果能够作为Thunderbolt得到苹果公司个人电脑,以及索尼个人电脑的采用,Light Peak接口估计也将向其他公司的个人电脑和外设拓展。到未来,除了个人电脑之外,还有可能拓展到诸如平板终端、智能手机、电视之类的产品。这一动向将如何改变接口行业的格局呢?

  可能产生的变化至少有两个。一个是减少个人电脑配备的连接器数量。这样一来,除了能够大量低价生产连接器的厂商,以及在连接器方面具有卓越技术实力的厂商,其他厂商的生存将变得困难。

  另一个变化是遵循特定接口标准的收发LSI的数量将会减少。只要使用基于Light Peak的接口技术,不只是DisplayPort和PCI Express,就连HDMI和SATA信号也能够传输。也就是无需再为各个标准逐一准备收发LSI。而且,英特尔公司的芯片组还可能配备Light Peak桥接LSI和控制器LSI等部件,或是在CPU中集成。因此,收发LSI厂商今后给自身产品添加附加值会恐怕将是难上加难。

  并且,如果Light Peak接口普及,能够传输几乎全部接口标准的数据的话,新接口标准陆续问世的情形今后或许会减少。过去,每当新接口标准问世的时候,都会出现生产相应收发LSI的新兴企业,随着新接口的扩大实现发展。但是,随着Light Peak的普及,这种商业模式在今后有可能无法再现。

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