USB4 全名為Universal Serial Bus Generation 4。USB 這個介面在1996 年發布USB 1.0 規格， 傳輸速度支援低速1.5 Mbps 與全速12 Mbps，以及之后陸續發表支援速度480 Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps 等，并在2019年9 月發布最新一代USB4 規格，支援20 Gbps 與40 Gbps。USB 介面演進及相對應的logo，請參考圖表一。

圖表一

USB4新功能三大重點

1. USB4 只采用USB Type-C 連接器，USB4 訊號采雙通道傳輸; 而過去的連接器如USB Type-A 或Micro-B，僅支援單通道傳輸，無法支援USB4。

2. USB 傳輸速度最快支援40G （20Gbps x2），并可同時傳送DisplayPort 影音。旨在將多種協議組合到單個物理接口，可以動態共享USB4 架構的整體速度和性能。

3. 向下相容USB 2.0 與USB 3.2及支援Thunderbolt 3。

USB4連接器與線纜重點

1.USB4 只采用USB Type-C 連接器。

2. USB4 Cable 被動線纜，可支援的被動線纜長度由USB 3.2 Gen2 的1 公尺，降為USB4 Gen3 的0.8 公尺。

3. 若需較長的線纜，如連接大尺寸螢幕，或是VR 應用，可使用主動式線纜。USB4 主動式線纜為含有Repeater 元件（如Re-timer，Re-driver 等主動元件）的線纜，以及光纖線纜等。至于可支援的主動式線纜長度最長為5 公尺。

USB4架構重點

USB4 主要構成元件有路由器（Router） ，適配器（Adapter），以及TMU （Time Management Unit，時間管理單元）。

1. 路由器是USB4 的一個主要建構模塊，路由器將隧道協議轉換成USB4 封包傳送，并透過TMU來作時間同步。主要由USB Host 內建的Connection Manager 來偵測及管理。

2.適配器是內建在路由器里，主要功能為路由器與外部元件溝通的媒介，進行協定轉換。例如USB4 Host在傳輸USB3 資料（如圖二），由內部USB3 Host 透過USB3 Adapter 進行協定封裝成USB4 Tunneled Packet。一個路由器內部最多可以支援64個適配器。

3.TMU 是內建在路由器里，使用分布式時間管理單元（TMU），在路由器間做時間同步。

圖二

USB4以功能區分五種層級

1. Protocol Adapter Layer：負責USB4 與不同協議間進行對應，并把不同協議封裝成Tunneled Packet，在USB4 介面內傳遞。

2. Configuration Layer：負責處理由Connection manager 傳送來的控制封包（Control Packets） ，并附加路徑中對應的地址（address），確保其可靠的傳送機制。

3. Transport Layer：定義封包格式、路徑、流量控制與時序控制，并產生link management Packets 以提供時間同步封包、流量控制封包等。

4.Logical Layer：負責建立2 個裝置之間的USB4 連結，提供資料傳送與接收、編碼與解碼，電源管理，錯誤偵測及復原機制，并且透過Sideband Channel 進行通道初始化的溝通，包括速度及雙通道溝通。

5. Electrical Layer：定義USB4 電氣訊號的特性，如電壓、抖動、編碼等。

圖三

如圖四，以USB3 Tunneling為例，USB4 Host 透過USB3 Protocol Adaptor，將USB3 Protocol 經USB4 Transport Layer、USB4 Logic Layer、USB4 Electrical Layer 轉USB4 Link 傳送到USB4 Hub Electrical Layer。再依圖四順序進行一連串USB3/USB4 轉換，將訊號傳送到USB4 Device。

圖四

USB3 隧道協議

USB4 訊號由PCIe、USB3 及DisplayPort 隧道協議組成。此篇幅單就USB3 隧道協議講解。USB3 隧道協議，指的是將原始USB3 封包經由Protocol Adapter Layer 封裝成Tunneled 封包，藉由圖五可以清楚知道，紅色部分是USB3 的封包，而藍色部分是Tunneled 封包，UFP（Upstream Facing Port）與DFP（Downstream Facing Port）之間會使用Physical Layer 傳輸。

圖五

USB4產品類型

1. USB4 Host：產品有一個以上DFP，沒有任何的UFP。

2.USB4 Hub：產品有一個UFP，并且有一個或多個DFP。

3.USB4-Based Dock：產品有一個UFP，并且有一個或多個DFP，且產品內還有其他元件的功能，如儲存裝置或網路功能。

4.USB4 Device： 產品有一個UFP，沒有任何的DFP。

USB4支援的隧道協議

依據規格，對Host/ Hub/Dock/Device 必須支援的隧道協議有不同要求，如下圖，打“V”為必須支援，其余則是可選擇支援與否。

例如USB Host 必須支援USB3、DisplayPort 與Host-to-Host Tunneling，可以不支援PCI Express 與TBT3 Tunneling。

圖六

USB4支援的傳輸速率

USB4 支援USB4 Gen2 的20Gbps 及USB4 Gen3 的40Gbps 速度，是不是宣告支援USB4 就一定要支援這兩個速度？

對USB4 Hub 與USB4-Based Dock 來說，必須同時支援20Gbps 及40Gbps。

對USB4 Host 與USB4 Device 來說，可以只支援20Gbps。（40Gbps 可列為額外支援，非必要支援速度）。

圖七

結論

USB4 傳輸速率提升到40 Gbps，并且可以動態分享頻寬，當使用一條USB Type-C 連接線就可以相容于市面上Thunderbolt 3 和Display Port 產品，對于消費者來說是一個更加便利的介面。但對于產品開發者來說，USB4 是一個比較大的挑戰，除了產品設計和以往USB3 的產品在架構上的差異，加上高頻信號在PCB 及連接器上的衰減，須更關注高頻阻抗匹配，在開發階段確保傳輸的信號品質。