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2021Apr.13
<科技趣談> 陪您一起「充」到今天 - USB 家族演進史

在USB誕生前的90年代初期,電腦界蓬勃發展,硬碟容量上限快速加大,但是當時接口的傳輸速度卻完全跟不上,不但速度慢,而且充斥著大量不同種類的接口,比如IBM推出,用來連接滑鼠/鍵盤的PS/2接口;經常用來接印表機的LPT接口等等,又多又雜,直到微軟(Microsoft)與英特爾(Intel)召集業內龍頭,組成了USB標準化組織(USB Implementers Forum),簡稱USB-IF。

 

經過一連串的研發與醞釀,1996年USB(Universal Serial Bus中文譯稱通用串列匯流排)1.0震撼登場,跟以前的其他接口相比,USB能夠做到:

1. 支援即插即用和熱插拔,使用者的插拔與否不會影響主機的工作,在這之前的其他接口要在開機之前就連上,否則開機之後再接,裝置是不會動的,而且如果開機的時候強行拔出來,還有燒壞主板的風險。

2. 提供5V 500mA,共計2.5W的供電能力,以滑鼠鍵盤的PS/2接口舉例,它只能提供5V 100ma,供電能力一下翻了5倍。

3. USB接口在當時也十分先進,以往的接口又大又胖,插上去甚至還要多加螺絲來固定,USB直接用塑膠片固定,直接插進去就很穩定,至於現在飽受批評 - 拿反了插不進去的設計,在當時其實還是個十分先進的防呆設計呢。

4. 傳輸速度上升到1.5Mbit/s,幾秒鐘就能灌滿當時一張3.5吋的磁片,對不管在哪個時代的電腦設備來說,更快的速度,都是不變的追求

5. 超高的兼容性與通用性

 

不過一推出就完美的標準並不存在,USB1.0在當時雖然紙面傳輸速度在當時非常高,但是在傳輸線裡面信號衰減十分嚴重,線長一點就用不了了,即便USB-IF大力推動,各大鍵盤滑鼠廠也只試著推出幾款產品,導致USB規範在一開始其實是挺為使用者詬病的。

 

所幸USB-IF內部成員在日日夜夜地撓頭搔腦,獻祭掉不知道多少工程師的頭髮後,在1998年推出了USB1.1,配合當時得以產品化的磁環線,大大降低了信號衰減的問題,並且把傳輸速率大翻8倍,來到了12Mbit/s(1.5MB/s),並且硬體設備商也開始研製相容的USB設備,USB進入一個高速發展的時期。

 

而真正讓USB成為業界龍頭中的龍頭的,則是在2000年時發表的USB2.0,在保持接口硬體不變的條件下,再把傳輸速度狂翻15倍,也就是480Mbit/s(60MB/s),也可以向下兼容以前的接口,短短4年間傳輸速度狂漲320倍,用能有極高兼容性的USB接口,給本就蓬勃發展的電子業帶來無限的商機,不只上述的鍵盤、滑鼠,相機、手機、印表機、音響、藍芽...等等裝置,USB接口的設立變成幾乎是必須的標準。

 

而我們現在熟知的手機端安卓頭是怎麼出現的?USB是怎麼橫掃其他標準的?詳細請看下一期USB 家族演進史(中)!

 

 

2000年同年,USB-IF還一併推出USB MINI接口,功能與USB完全一致,但是接口更小,更適合放在手機與相機上,筆者手上就還有一台那段時間出產的Sony的DV攝影機,就是使用USB MINI,而那段時間用戶們...

 

怨聲載道!

 

因為接口太脆弱,太容易壞了,而且當時手機大廠如Nokia、Sony Ericsson等等雖然都能支援USB傳輸,但在自己手機上的接口上都是自己做自己的,縱使在2003年USB有進行結構性上的加強,但是仍改變不了手機大廠的接頭各自推自家標準接頭的情況。

 

手機廠家各顯神通,時間到了2007年,iPhone橫空出世,真正地向世界打開智慧型手機的大門,大有一種「我花開後百花殺」的意味在。其餘各家手機廠感到巨大的威脅,終於在USB-IF的牽頭下,Nokia、Sony Ericsson、Samsung等大廠終於同意使用共同的接頭,正是2007年初推出的Micro-USB,也就是我們現在俗稱的安卓口,Micro-USB不但保持USB2.0協議的所有優點,還更小、更穩定,再搭配上同年推出的BC(Battery Charge,後文均簡稱為BC)充電協議,讓USB的充電速度終於能突破5V 500mA的桎梏,從此,不只是作業系統,行動裝置的接口也從群雄割據演變成兩強相爭的狀態:

iOS VS Android

 

不過雖然接頭上面勢不兩立,但是iOS的手機都能兼容支援USB的通訊協定,所以到了這邊,USB幾乎已經可以說是獨佔了市場...之所以還要加一個「幾乎」,那是因為在當時Apple仍在使用火線(FireWire)傳輸介面,勉強與USB分庭抗禮,然而持續不了多久,隔年2008年對於Apple來說,除了金融危機之外,USB-IF的再次突破成為了壓倒火線的最後一根稻草,USB-IF推出傳輸速度到達5Gbps的版本,也就是我們俗稱的USB3.0,比原先的傳輸速度又高了十倍還多,而Apple的領軍人物賈伯斯對此表示「算了不打了,火線壽終正寢」,於是2008年後,前文所述的「幾乎」就被拿掉,USB完全獨佔市場了。

 

總的來說,USB3.0除了以前USB2.0的規範外,還新增了:

1. 保持硬體外型的一致,可以兼容USB2.0規格,只有接口改成藍色,用以區分

2. 充電可以支援到5V 900mA共計4.5W的供電能力

3.  理論資料傳輸速度可以到達5Gbps

 

而USB-IF也沒有因為獨佔市場鰲頭就停止開發,2009年發表USB BC1.1,把純充電能力抬升到5V 1.8A(共計9W),緊接著又在2010年平板電腦出現後,再次修改充電標準為USB BC1.2,最大上限可以到達5V 5A之多,直到現在,市面上大部分透過Micro-USB供電的設備,都仍使用此一標準。

 

 

俗話說沒有比較就沒有傷害,本來用戶其實已經習慣了USB Type-A只能正插的防呆設計,然而2012年Apple的iPhone 5問世,而iPhone 5捨棄掉前代又扁又長的接口,改成使用lighting接口,居然淘汰掉了防呆設計,正反兩面都可以插!原先使用Micro-USB接頭的用戶頓時覺得原先還可以的防呆設計真是怎麼看怎麼不順眼,從此要求USB-IF設計一款可以兩面都能插的呼聲就沒停過。

 

而USB-IF總結了客戶這幾年來的規格需求,總結下來不外乎就是要「充得更快」、「傳輸更快」、「正反可插」,於是開始照著自己的研發腳步,一步步統合成一個全新的規格,

2012年,繼BC1.2後,發布USB PD(Power Delivery,下文全部簡稱為PD) ,將供電能力分成五種級別,最高的級別可以到達20V5A(100W)的供電能力,並且支援BC與USB2.0/3.0,達成目標「充得更快」。

2013年,發表USB3.1標準,理論速度可以達到10Gbps,達成目標「傳輸更快」,而同一時期USB-IF跳出來告訴所有用戶,USB3.0以後就不叫USB3.0了,改叫USB3.1 GEN1(5Gbps),而這次推出的標準就叫作USB3.1 GEN2(10Gbps)。

2014年USB Type-C,正反可插,支援USB PD,達成目標「正反可插」。

 

乍看之下好像是一氣呵成,如順水行舟的完成了迭代,然而研究室的腳步飛快,工廠與市場就像各位讀者,還在努力消化前面的訊息,後面的訊息又源源不斷地冒出來,開始導致了一系列的問題。

 

首先接口是接口;裡面的標準是標準,由於相容性是相通的,USB Type-C的接口裡面是可以放入USB 3.1GEN2,也可以放入USB3.1GEN1(也就是我們前文裡的USB3.0)...甚至是USB2.0標準的!接口沒有用上最新的標準,是沒有最新標準的速度的!而即便接口與標準都有了,充電器是否有辦法支援這麼快的充電速度,也是個問題,時至今日,強如Apple仍然只提供20W與30W兩種充電器,就很說明問題,而假使標準跟充電器都備妥了,線材能不能承受這麼高強度的電流(或是大量的數據傳輸)通過,又是另外一回事了。

 

就像趕進度的補習班老師一樣,USB-IF也沒在管下面的人來不來得及消化,2017年時準時推出USB3.2,速度達到20Gbps,並且USB-IF又再次跳出來告訴所有用戶說,考慮到之前的分類方式不好理解,於是再次改名方便用戶記憶,於是乎,現在我們有:

USB3.2GEN1(5Gbps)、USB3.2GEN2(10Gbps)、USB3.2GEN2x2(20Gbps)

以上這三種,用戶想必腦袋已經在隱隱作痛,而Intel發表的雷電第三代傳輸標準也於2015年開始使用USB Type-C接口,有或者沒有雷電3、使用哪一個標準?於是一般用戶簡直如罩五里霧中,只記得每個環節都要買原廠的才好,然而手機行的店員只好拿出強聞博記的本事,搞清楚手中產品的USB Type-C哪些是支援雷電3的;哪些是普通的USB;使用的規格是哪個時期出的?是USB3.1的GEN1或GEN2?還是USB3.2發布後的GEN1、GEN2、GEN2x2?

 

筆者也只能為手機行的小哥暗暗祈禱最新推出的USB4(40Gbps)在以後不會又再搞一次改名風波了,其實,面對日新月異的科技發展,不論是研發者、製造者還是使用者,腳步都需要不斷地互相配合著調整,才能真正形成進步,而非徒增壓力與困擾。

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