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一文看懂USB和雷电接口规范的发展史

充电头网 11-16 14:30 关注

对于苹果来说2020年是一个不平凡的一年,首次在秋季召开了3场发布会,发布了一系列重磅的产品,常规升级的Apple Watch以及iPad、外观大改的iPhone 12系列,以及最重要的基于苹果自研M1芯片的MacBook Air、Pro、以及Mac mini,无论是对苹果自己还是整个笔电行业来说都是一次大震动。

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苹果的一系列动作也在践行着苹果的理念,打造产品生态,使用全套服务。苹果自研芯片M1确实是大动作,不过除了这个小编还关注到了一个不同的地方,在新款MacBook笔记本的介绍当中已经将接口的介绍变成了两个雷雳/USB4端口。两个USB4接口均支持充电、DP视频传输、雷电3协议以及USB3.1 Gen 2。

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USB4是什么?它出现在了苹果最新款的Mac产品上是不是也代表了最新的传输标准,今天就来聊聊传输标准的发展史。

一、物理接口变迁史

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USB接口是生活中最常见的接口之一,无论是充电还是数据传输。但无论是充电还是数据传输一个单纯的USB-A接口也也分好多种类。USB全称Universal Serial Bus,中文名称通用串行总线,由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司于1994年底联合提出。

USB接口使用范围非常广泛, 被广泛地应用于个人计算机和移动设备等信息通讯产品,并扩展至摄影器材、游戏机等其它相关领域,也是目前最常见的接口类型之一。

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目前常见的USB-A接口内部白色底座,当然也有其他配色的接口。从上图中可以看出USB-A接口内部有4个触点,其中两侧的2个触点稍长一些,中间的2个触点稍短一些。这是因为两侧较长的触点负责电力连接,中间的两个稍端的触点负责数据通讯。所以原则上在拔掉线材时先断开数据传输再断电,可以防止数据损坏。内部带有4个针脚USB-A接口也是使用范围最广,使用时间最长的接口之一。直到2020年的现在依旧有很多设备在使用。

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后来USB-IF和Intel等大公司推动USB-A接口的发展,一种新的接口类型出现了。整个接口的大小不变,只不过内部的触点数量由此前的4个增加到了9个,并且USB-A接口的性能也大幅度增强。

USB-A接口发展较早,加上有很多科技巨头主推,所以得以快速的普及。但USB-A接口也不是很完美的,接口体积较大,并且不支持盲插,所以相信有很多用户在使用的时候需要尝试2次甚至3次才可以成功连接。

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USB-C的出现彻底改变了这一局面,USB-C全称USB Type-C,也叫Type-C。是一种新型的物理接口类型,其规范由USB标准化组织USB-IF发布。相较于USB-A来说,USB-C有着体积小、支持盲插等特点,彻底解决了’USB永远插不准‘的世纪难题。

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正因为如此使得USB-C得以在很多设备上使用,在2020年的今天USB-C接口已经非常普及,但USB-C真正第一次出现在大众的眼前是在2015年,首款USB-C手机乐视超级手机1、首款USB-C笔记本New Macbook、首款平板Nokia N1、首款USB-C充电器Apple 29W、首款USB-C充电宝羽博YB-CP1,这些先行者为日后USB-C接口迅速普及做出了推动作用。

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相较于USB-A,USB-C除了物理接口体积更小,支持盲插等特点外,内部可以容纳更多的针脚也是USB-C的特点之一。由于单个针脚的体积更小,所以在USB-C接头内部最多可以容纳24个针脚,也就是常说的满pin的针脚。

针脚数量越多也就代表着可以实现更多的功能特性,至于都有哪些功能特性,这个我们会在后面提及。但从2020年推出的设备与接口的更新迭代来看,USB-C大有取代USB-A成为新一代大众普及的接口类型。

二、充电功率的提升

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由于USB1.0和1.1过于老旧,这里就直接略过,直接从USB2.0开始聊起。USB2.0是以USB-A物理接口类型存在的,上面也提到了最初的USB-A接口内部只有4个触点用于传输电力和数据,当然,最大输出电流也仅有5V 500mA。

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到了USB3.0阶段,USB-A内部的针脚就从4个增加到了9个,同时充电性能也有所增强,支持最大5V 900mA的充电,虽然有所增强,但在现在看来肯定是不够看的。这也就是为什么将数据线插在笔记本或者台式机箱的USB-A接口充电慢的原因,因为电流小,仅仅处于能充电的程度。

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常规的USB-A接口支持的充电不高(魔改USB-A暂且不谈),这时候USB-C和PD出现了。USB-C的出现使得充电变的不同,最高可以支持20V5A 100W的功率传输,USB-C的出现瞬间就让充电功率有了质的提升。

三、USB接口传输速率的提升

前面已经讲了一些常见的接口类型,USB-A到USB-C算是一个大的接口迭代。而每个物理接口还会因为内部针脚的不同而存在着不同的功能特性,下面就来讲一下基于这些物理接口所支持的传输速度的不同。

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USB2.0是最常见的传输速度标准,但有2.0有没有1.0呢?这个是有的,只不过由于时间太过久远与传输都太慢而逐渐被遗忘。最初的USB1.0推出于1996年,但传输速度只有1.5M/s。1998年升级为USB1.1, 速度也提升到了12M/s,现在USB1.0和1.1已经很少见了。

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USB2.0规范是由USB1.1规范演变而来的,于2000年推出。USB2.0将传输速度提升到了480Mbps,也就是60MB/s,被称之为HighSpeed,这一协议标准存在时间最长,到2020年今天依旧有大部分USB-A接口在使用着USB2.0的标准。

这里需要提醒大家,上面的USB1.0、USB1.1、USB2.0的命名规范还算正常,对应的传输速度标准也很好理解。从USB3.0开始,传输速度变快,命名规则也变得更多了。

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2008年,USB 3.0由英特尔、惠普、NEC、NXP半导体以及德州仪器(Texas Instruments)等公司共同开发,由USB-IF于2008年11月份推出。USB3.0的发布将传输速度标准从480Mbps提升到了5Gbps,也就是625MB/s,传输速度变快了,命名也被更新了,新的USB3.0传输速度标准被称之为SuperSpeed。

不过后面USB3.0的命名被USB-IF改了2次,第一次将USB3.0改为USB3.1 Gen 1,第二次将USB3.1 Gen 1改为了USB 3.2 Gen 1。按照USB-IF的说法是为了统一命名规范,可是改到最后用户也无法准确的分辨出哪个是USB3.0标准了。虽然被改了2次名字,不过传输速度标准依旧为5Gbps,这一点倒是没变。

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2013年,USB3.1发布,将数据传输标准从5Gbps上升到10Gbps,也就是1250MB/s,整整翻了一倍,而这一标准也被称之为SuperSpeed+。不过,后面USB-IF将USB3.1陆续更名为USB3.1 Gen2和USB 3.2 Gen2,虽然名字变了两次,不过传输速度标准还是10Gbps,也就是USB3.1的传输速度。

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2017年,USB3.2发布,将传输速度标准从USB3.1的10Gbps再度提升,而且依旧是翻倍的提升,最高可达20Gbps,也就是2500MB/s。嗯,是的,USB-IF又来改名了,不过这次只改动了一次,也就是USB3.2 Gen2x2。还是那句话,虽然命名改动了,但传输速度标准还是20Gbps,还是USB3.2。

四、另辟蹊径的苹果与雷电接口

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相较于USB协议的发展,雷电接口的发展要简单许多。这里就还需要提到苹果了,从1976年4月苹果成立,到1976年Apple I到1998年第一台iMac发布再到2007年初代iPhone的发布,苹果一系列的动作都说明了苹果在很多时候都没有随波逐流,而是自己站出来引领潮流。之所以在介绍雷电接口的时候提到苹果是因为苹果就是雷电接口的缔造者之一。

雷电接口即Thunderbolt,这个字眼相信在苹果官网浏览Mac电脑的时候经常看到。2011年,英特尔与苹果合作开发的、技术代号为“Light Peak”的Thunderbolt正式公布。而且雷电接口融合了PCIE和DisplayPort两种通信协议,所以在全功能TYPE-C之前,雷电接口是罕见同时支持高速数据传输和视频/音频传输的多功能接口,即同时具备USB和DP或HDMI/DVI/VGA转接输入/输出功能。且因其带宽达到10Gbps(雷电2为20Gbps),可以说是非常先进的接口扩展技术,而如此优秀的性能也注定让雷电接口会引领潮流。

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在雷电1和雷电2时期,基本是以Mini DP的物理接口搭载于苹果MacBook笔记本电脑上面。而且接口边带有一个带着箭头的闪电。但当时由于雷电接口相关设备稀有,即便有所搭载也都是在高端设备上,而且由于苹果MacBook笔记本电脑的售价一直很高的原因,导致其知名度在大众用户群体中一直不高,也很少被用户所主动关注。

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雷电接口逐渐被用户所熟知是在雷电3阶段,这是因为雷电3也采用了通用度更高的USB-C物理接口。但当时由于雷电3还没有远远达到多人了解的情况,所以很多用户将USB-C和雷电3联系在了一起,傻傻分不清楚。其实很好理解,雷电3的物理接口一定是USB-C,但物理接口是USB-C的不一定支持雷电3。

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雷电3是目前功能最全的协议,无论是传输速度、视频拓展还是充电都是目前性能顶级的接口协议。但搭载雷电3的USB-C接口大部分都出现了诸多高端设备上,比如苹果MacBook笔记本或iMac等设备。而且雷电接口支持PCIE通信协议,所以雷电3接口还可以直接连接外置显卡。

按道理来说一个接口支持的功能越多,性能越强大,应该会有很多人喜欢用的。但事实并不是如此,为什么很多人用不了,一大部分原因是因为贵,价格问题导致很多厂商与用户望而止步。这是因为雷电3接口标准的专利掌握在英特尔手中,所以如果有厂商想使用雷电3接口标准的话就需要向英特尔缴纳高昂的授权费用。这还没完,雷电3接口需要独立的控制芯片,所以如果有厂商想要使用雷电3接口标准的话就需要在芯片上付出成本和缴纳授权费(这就是配备雷电3接口和的设备以及雷电3线材售价很贵的原因)。

那有没有可能改变这一局面呢?还真有,USB-IF组织在2019年9月份推出了USB4规范,USB4的推出彻底改变了雷电3接口标准的巨额成本问题。

五、大一统的USB4/雷电3

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2019年9月份,USB-IF组织推出了USB4规范,USB 4整合Thunderbolt3的先进技术,直接具备了超大带宽的数据传输能力,支持和雷电3同等的视频拓展能力,具备充电功能。可以说,一枚全功能的USB 4接口是目前功能最全、体积最小、速度最快的物理接口。并且向下兼容USB 3.2、3.1、3.0、2.0,兼容雷电3。

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为什么把雷电3和USB4放在一个小标题里?2019年3月份,英特尔宣布向USB-IF开放Thunderbolt协议,USB4具备了雷电3的所有功能特性,并且免费向大众开放。以后众多厂商可以使用USB4接口标准获得雷电3的高性能标准,这样做势必会让雷电3进一步的普及,加速高性能接口标准的落地。

六、一个接口走天下

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一台笔记本所配备的接口需要承担充电、数据传输以及视频拓展等任务,而可以将以上任务全部包揽并且还可以获得更好的性能,目前来看只有搭载USB4规范的USB-C接口了。100W大功率的充电、40Gbps的数据传输速度以及支持拓展5K分辨率的显示器也使得其成为了目前功能最强大的接口。

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2015年首款搭载USB-C接口的New MacBook,2016年首款搭载雷电3的MacBook Pro,再到2020年搭载自研M1芯片并且配备USB4接口的MacBook系列笔记本。苹果一直走在推广雷电3/USB4的前沿。相信此次USB4的推出会让雷电3的性能标准进一步得到普及,会有越来越多的用户使用上雷电3的性能标准。

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文章的结尾就用一张图看懂USB和雷电接口标准的发展史吧,由于最开始的USB1.0和USB1.1太过老旧所以没有统计在里面。从早期的USB2.0到最新的USB4、从雷电接口到雷电3接口。之所以在表格中将USB4放在最后面是因为USB4的出现颇有统一接口规范的趋势,可以加速雷电3的普及,让更多的用户可以使用USB4的高性能标准。

充电头网总结

从USB1.0到USB4,USB协议规范已经走过了近24年,传输标准从1.5Mbps到现在的40Gbps,充电从最开始的5V500mA到现在的20V5A。USB协议规范也在不断的发展,现在的充电以及传输速度已经是最开始的27000多倍了,我们在见证USB协议规范发展的同时也在享受着它带来的便利。

而苹果在协议规范的领域一开始就没打算走USB协议规范的路,于是和英特尔研发出了雷电标准,并且从诞生开始就遥遥领先。虽然领先但由于硬件以及成本等关系导致雷电一直无法普及大众,只有在苹果MacBook笔记本等高端机型当中才看得到。

2019年,USB-IF推出USB4协议规范,USB4的推出彻底改变了雷电3无法普及的局面。相信以后USB4会大面积普及,厂商无需再支付高额的授权费用就可以生产制造带有USB4协议规范的产品配件以及硬件产品,而雷电3的性能标准也会伴随着USB4的普及而受用于大众。随着制造成本的降低,雷电产品的售价也会走低。这样就会加速USB4的普及,让雷电3的性能标准快充落地,让越来越多的用户享受到高性能带来不一样的使用体验。

USB-C接口已经普及,兼容雷电3的USB4协议规范也会大面积普及。以后用户进行充电、数据传输以及视频拓展统统只需要一条USB4线缆即可搞定。并且高达100W的充电功率、40Gbps的数据传输速度以及5K的视频拓展会让用户更进一步体会到便利。

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全部评论 (7)
Szymon
2
11-20 20:33

写得很清楚 我明白了。对于我这种usb2.0 3.0时代 typec还没用上的人 太落伍了

xiuxiuxium
2
11-18 23:28

雷电三出来五年了才刚开始来到普及的路上,目测雷电三跟usb标准要用到2025左右才会有新标准了。不过反过来,之前的雷电三的设备也支持usb4对吧?

维克多煒偉
1
11-16 17:02

雷电3跟USB3.2gen2×2是否兼容呢?

零零零二九六
0
11-27 11:53

早就该一条线走天下了,出去玩,随身需要带至少三条线,一分三的线刚出现,让人眼前一亮,真正买到手使用体验却是鸡肋一般

马桶盖砸猫
0
11-26 15:00

雷电4没说???

xxx杰
0
11-25 00:46
维克多煒偉: 雷电3跟USB3.2gen2×2是否兼容呢? 1

雷电3上能用usb3.2,usb3.2上用不了雷电3

sarswang
0
11-17 11:29

感觉便利性是刚需。

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