USB接口中的皇帝!浅析雷电Thunderbolt的前生今世

CFan 电脑爱好者 2020-10-16 09:24产品 标签:雷电 皇帝 接口

随着武装AMD移动锐龙4000系列笔记本的全面爆发,英特尔面临着前所未有的巨大压力。为了重新夺回竞争优势,英特尔带来了代号为“Tiger Lake”的第11代酷睿,而雷电4就是该平台主打的新功能之一。今天,就让我们聊一聊雷电接口的那些事儿。

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雷电接口的前世

雷电(Thunderbolt,在苹果设备上又称为雷雳)接口最早诞生于2009年,是英特尔倡导的一种高速I/O接口,只是当年它长期处于实验室状态,直到2011年才以Mini DisplayPort(下文简称miniDP)接口的形态集成在苹果旗下的Mac设备中。

雷电的本质

没错,雷电在本质上只是一种技术协议,它需要“寄生”在某个具体的接口标准上,而miniDP就是它的第一个“宿主”。

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雷电1技术的传输速率为10Gbps

2015年,随着USB Type-C接口标准的出现,它很快就被最新的雷电3技术盯上,至今网上也仍在流传“雷电3一定是USB Type-C,但USB Type-C却不一定支持雷电3”的科普内容。

和传统的USB接口相比,雷电技术最大的特色就是更快。

比如第一代雷电就拥有10Gbps的传输速率,而且最多可以串联4部设备,和它相比同期的USB3.0(5Gbps)简直“弱爆”了。

2013年,USB-IF(USB推广组织)发布USB3.1技术规范,好不容易才将理论传输速率提升到10Gbps,英特尔却已携手苹果推出了雷电2,依旧是采用miniDP接口形态,但传输速率却实现了翻倍,20Gbps再度让传统USB的“羡慕嫉妒恨”。

2015年诞生的雷电3,哪怕用今天的眼光来看也是一众I/O接口中的“皇帝”,它拥有高达40Gbps的传输速率,而且这还是在全双工状态下的,如果是单向传输其理论速度最高可达80Gbps,与2019年才刚刚定下标准的DisplayPort 2.0(DP 2.0)标准相当。

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此外,雷电3还兼容你所熟悉的各种多媒体传输协议,可以扩展出几乎所有接口,甚至还能用于接驳外置显卡,让1kg重的轻薄本也能通过桌面版RTX 2080显卡玩上最新的3A游戏大作。

雷电的融合

雷电与USB之间的战争终于在2019年迎来曙光,当年3月初,英特尔将雷电技术协议开放给了USB推广组织,USB-IF随后便发布了USB4,它在底层就实现了雷电和USB协议的融合,增强基于USB Type-C接口的产品之间的兼容性。

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可惜,直到今天就连USB3.2标准还没普及,USB4和雷电4也刚刚伴随第11代酷睿正式走向前台。在正式介绍这一全新接口之前,我们还需回顾一下昔日最热门的雷电3接口的生存现状。

雷电接口的今生

我们都知道雷电3是众多接口中的“皇帝”,无论是实用性还是用于宣传上的噱头都是一等一的存在。但是,纵观移动和桌面领域,只有极少数高端笔记本和设计师主板才有所涉猎,绝大多数笔记本身上的USB Type-C别说支持雷电3了,就连传输速率还停留在USB3.1 Gen1(5Gbps)的水平上。

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那么,是什么原因导致了雷电3难以普及呢?

雷电的荆棘之路

在过去,一款笔记本要想支持雷电3,需要购买并安装额外的雷电3控制器芯片,而且英特尔也需要收取不菲的授权费用。

这些额外的开销对本就昂贵的苹果MacBook来说根本不算啥,但对讲究“薄利多销”的Windows笔记本而言就是难以承受之重了。

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MacBook Pro 2018拆机图,主板两侧各配有1颗英特尔JHL7540雷电3控制器芯片

此外,雷电3想要获得40Gbps的满速性能,需要占用4个满速的PCI-E 3.0通道(即PCI-E 3.0×4)。问题来了,在第八代酷睿(移动版)以前,整套平台的PCI-E 3.0通道只有16条,在搭配高性能独显和高速PCI-E 3.0×4 M.2 SSD硬盘之后,如果再加上雷电3可能就会引起“抢带宽”的问题了。·

在现实中,很多支持雷电3的笔记本只为该接口准备了2个PCI-E 3.0通道(即PCI-E 3.0×2),在业内又称为“半速雷电3”,其理论传输速率只有20Gbps,虽然功能不受影响但在连接外置显卡时的性能耗损却较为明显。因此,在无数发烧玩家眼中,只有满速的雷电3才是真正的雷电3。

到了2019年,这些问题“貌似”得到有效的解决。

想当然的原生机制

正如前文所述,2019年英特尔开放了雷电3的授权,相关的授权费用被变相减免了。此外,传说第10代酷睿处理器平台全部“原生支持”雷电3,以Ice Lake为代表的平台还将PCI-E 3.0通道数增加到了32条,从种种迹象来看,如果新品不配雷电3都没有天理了!

我们都知道,第10代酷睿包含10nm Ice Lake(轻薄本)和14nm Comet Lake(轻薄本和游戏本)两大平台。从底层架构来说,Ice Lake将雷电3控制器整合进了CPU内核中,而且原生就支持4个雷电3,其PCI-E 3.0通道数量高达32条。虽然这些通道中有16条(4×4)是仅供雷电3专属使用,但却再也不会占用CPU提供的PCI-E总线数量或者是与PCH一起抢夺原本就已拥挤不堪的总线资源。

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但是,你以为Ice Lake“原生支持”雷电3,搭载这一平台处理器的笔记本就一定能标配雷电3接口吗?

答案自然是你想多了,现阶段雷电3接口需要支持USB PD协议充电,这就需要额外的PD电源管理芯片。

此外,像Ice Lake的这种设计也意味着雷电3接口与(集成控制器的)CPU之间距离较远,存在一定的信号衰减问题。为此,Ice Lake平台笔记本想要支持满血的雷电3,还需要搭配名为JHL8040R Retimer的信号增强器,虽然一颗Retimer芯片就能直连2个满速(40Gbps)的雷电3接口,但它毕竟也是需要2.4个美元的,而且背后还存在为PCB主板的优化布局等研发费用。

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来自英特尔官网的价格和参数信息

再来看看Comet Lake平台,它在底层架构上和英特尔早期平台没有什么差异,雷电3功能依旧被挂在了PCH(传统意义上的北桥)芯片组中。

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换句话说,搭载Comet Lake平台的笔记本,想支持雷电3还是需要搭配额外的雷电3控制器芯片,并不是传说中的“原生支持”,不仅成本更高,还存在与其他设备抢PCI-E 3.0通道和挤占DMI 3.0总线资源的问题。

如果说Ice Lake平台的雷电3功能是以“CPU(集成雷电主控)→Retimer→接口”路径实现,那Comet Lake平台就是“CPU→DMI→PCH→雷电主控→接口”,步骤更多,成本、性能和功耗损失也就更大。

现在,大家知道为什么那怕是Ice Lake平台的第10代酷睿笔记本,能配备雷电3接口的产品却少之又少了吧?

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同理,第11代酷睿虽然也号称原生支持雷电4,但也存在上述问题,所以依旧只有中高端第11代酷睿新品才能用上这种接口,绝大多数低端机型的USB和USB Type-C依旧维持5Gbps,也就是USB3.0(包括3.1 Gen1和3.2 Gen1)的速度。

雷电接口的未来

问题又来了,第11代酷睿Tiger Lake平台支持USB4和雷电4,它们之间有啥区别?

变与不变的雷电4

USB4存在20Gbps传输速率的“半速版”,用来取代现有的USB3.2 Gen2×2标准,同时,USB4还有更高速的USB 40,我们可以将其理解为雷电3的简化版。

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而雷电4,则可视为“全功能满血USB4”,不仅需要拥有40Gbps的满速,还需同时兼容USB PD充电和原雷电3的全部功能,在视频输出能力(支持双4K显示器)、配套线缆和安全等方面的认证要求更高。

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随着第10代和第11代酷睿平台的普及,轻薄本增加雷电3(以及未来的雷电4)功能的成本其实已经不算太高了,完全可以成为4000元~5000元价位的主流产品的标配。真正阻碍雷电功能普及的因素,其实还是缺少杀手级的应用环境。

比如,现在全功能USB Type-C(支持USB PD充电和PD视频输出)就足够绝大多数用户的使用需求了,为何还要再多花钱配雷电4?很多玩家特别在意的外置显卡扩展坞虽然算是雷电接口的专属卖点,但相关扩展坞的价格非常昂贵,它与笔记本之间也存在各种兼容性问题,在体验上并不完美。

对笔记本厂商来说,雷电接口成本较高,在应用范围不大时没必要强行列装;对软件和外设厂商来说,雷电接口的普及度不高,没必要为它开发更多的产品和功能。最终,就是我们面临的现状:雷电接口太贵,而且没啥用。

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USB4的出现,也会抢走不少原本应该属于雷电4的市场份额,因为前者所需要的成本更低。雷电4的希望,在于英特尔最新倡导的Evo平台认证计划,也就是我们过去常说的雅典娜计划2.0,雷电4和第11代酷睿是Evo平台的基础配置,但通过Evo认证的新品价格普遍都是6000元起步,想让更低价位的轻薄本享受可以外接显卡,拥有皇帝级待遇的雷电4,似乎还是遥遥无期。

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