在USB標準的發展歷史上，USB4可能是USB自從問世以來，重要性僅次于Type-C 接頭的發展里程碑。由于USB4 整合了Thunderbolt 3協定，不僅介面頻寬的極限值一口氣拉高到40Gbit/s，支援其他協定的方法也更優雅、更有效率，為USB介面開拓了更多潛在應用市場。
USB4性能全方位提升 性價比遠超Thunderbolt
威鋒電子新市場開發部總監Terrance Shih（圖1）指出，提到USB4，一般都會想到更快的傳輸速率，但與先前的USB版本相比，USB4不只是速度更快而已，在傳輸機制方面，也有很明顯的改良。
圖1 威鋒電子新市場開發部總監Terrance Shih指出，由于傳輸機制改良，USB4的整體性能有了十分明顯的突破
在USB3.x介面，藉由Alternative Mode，USB可以支援Displayport或HDMI等影音介面的訊號格式，進而讓USB介面可以當作影音傳輸介面來使用。但Alternative Mode會占用一條專屬通道，如果用USB3.x介面同時連接Displayport跟其他資料儲存裝置，即便Displayport沒在使用，分配給Displayport的專屬通道也不會釋放給其他資料傳輸應用，降低資源運用的效率。
針對這個問題，USB4採用穿隧（Tunneling）協議的作法。例如在USB、Displayport跟PCI Express三種協定同時存在的情況下，USB4的主控端（Host）會把這三種不同協定的封包匯聚起來，在一條共通的通道上傳輸；到了裝置端再把不同協定的封包分離，配送到對應的周邊設備。
由于傳輸機制的改良，USB4介面的資源使用變得更有效率，不同協定的資料在傳輸時彼此拖累的情況大有改善，讓USB4變成一個更理想的多用途介面。這對于筆記型電腦擴充基座（Docking）這類需要連接多樣化周邊的應用來說，是相當關鍵的。
而且，雖然USB4跟Thunderbolt4使用一樣的協定，具有相同的傳輸效能，但因為拿掉了vPro這類高階功能，驗證跟取得Logo授權的成本也低很多，因此，支援USB4的產品會比Thunderbolt4要便宜得多，有利于市場推廣跟普及。
測試工作繁重 自動化將成關鍵
在USB4的相容性測試跟合規測試方面，由于頻寬增加，又強化了對多種協定的支援性，因此USB4產品的設計驗證跟測試工作，變得更為複雜。
是德（Keysights）科技技術專家邱柏勝（圖2）指出，由于頻寬增加，因此USB4對電氣特性的要求，變得更為嚴謹。因此，工程師需要更精準的抖動（Jitter）跟雜訊分析工具，測試設備也必須支援更先進的等化（Equalization） 與數學運算功能。而在協定分析方面，因為USB4是一個主打多協定融合的介面，所以工程師所使用的工具除了要能涵蓋USB4，還必須支援Displayport 等其他協定。
圖2 是德科技技術專家邱柏勝表示，為降低USB4測試的人力作業負擔，測試工具的自動化將是必然的趨勢
但除了儀器本身的訊號擷取跟協定分析功能外，邱柏勝認為，自動化測試能力，將是儀器廠商能否真正協助USB4開發者解決問題的關鍵所在。USB4的測試規范十分嚴謹，又要支援多種協定，意味著工程師需要執行的測試項目將大幅增加，且其中有些測試項目需要相當長的時間才能完成。因此，更強大的自動化功能，將是USB4測試方案中不可或缺的一環。
確保介面性能表現 USB-IF要求線纜品質
作為承載訊號的介質，線纜的品質是決定介面真實性能表現的重要因素，尤其是對于像USB4 這種高速界面來說，線纜的好壞，更會對介面的傳輸性能造成極大影響。為確保線纜的品質合乎規范，USB-IF對USB4的線纜設計，也提出了對應的規范與測試要求。
優力國際安全認證（UL）專案工程師葉建緯（圖3）指出，USB-IF 已經發布USB4 Gen 3線纜以及連接器標準及需求，規定線纜跟連接器必須支援15GHz頻寬，測試時的頻寬則為20GHz。目前USB-IF正在著手制定USB4 Gen 4相關規格，就目前可以掌握的消息，對裸線的設計沒有太大的變化。
圖3 優力國際安全認證專案工程師葉建緯表示，為確保USB4的性能表現，USB-IF對線纜有明確的規格要求跟測試規范
但因為USB4必須搭配Type-C 連接器，因此USB4線纜設計還是須符合Type-C的結構設計要求，如圖4所示。此外，除了訊號線以外，USB4線纜還須包含其他功能性芯線，如VBUS VCONM SBU等。針對這些芯線的設計規格，USB-IF均有對應的規定，且USB-IF規定線纜結構直徑不可超過4.8mm+/- 0.2，所以使用長度上必定會有所限制。
圖4 Type-C纜線結構設計要求
葉建緯指出，整體線徑的規范是使用便利性跟效能、成本妥協后的結果。線徑變粗固然可以讓線纜具有更好的性能，但同時也會讓線纜變得難以彎折，對使用者造成許多不便，更會增加生產成本。
基本上，對于USB4纜線這類電纜而言，同軸線的設計及製程，會決定線纜特性及品質的好壞。成纜、編織以及外被押出，對于同軸線來說都是損耗，所以在各製程的機臺選擇、參數設計及製程能力都需加以驗證及設計。
加工方式也會直接或間接的影響同軸線的生產。大多數加工廠使用光學鏡頭對焦及雷射切割，因此芯線本身的顏色，也會是影響製程穩定性的主要因素之一。遮蔽材料的包覆也會影響加工的便利性，加工時導體及絕緣長度，則會直接影響線纜的所有特性。
USB PD3.1配套還需醞釀
除了頻寬跟協定的改良外，更大的功率傳輸能力，也是USB介面的重要發展方向。在USB進入4.0時代之后，專門規范USB 供電能力的USB PD也進入了3.1 時代，將功率傳輸的極限提高到240W。
偉詮電子資深處長羅汶光（圖5）指出，USB PD3.1規范最重要的變動，在于增加了EPR（Extended Power Range）跟AVS（Adjustable Voltage Supply）兩個機制。EPR 讓USB PD的供電電壓可以提高到48V，進而實現240W供電能力；AVS則是考量到電壓變化范圍加大，既有PPS模式沒有規范到20~48V這個區間，所做出的電壓調節補充規范。
圖5 偉詮電子資深處長羅汶光指出，雖然USB PD3.1將供電能力的上限提高到240W，但受到電路拓撲的限制，120W以下的應用產品會發展得比較快
但羅汶光也指出，雖然PD3.1 將供電能力的極限提高到240W，但因為是透過將供電電壓提高到48V來實現，所以在充電器設計、受電端的安全防護方面，都需要做好對應的配套。
在充電器設計方面，目前最大的挑戰在AC/DC電路拓撲的選擇。目前已經很成熟的QR、ACF拓撲，在48V條件下的效率表現不是很理想，因此業界正在探索使用混和式拓撲的可能性，讓充電器的AC/DC電路在低壓跟高壓工作條件下，都能有良好的效率表現。
在受電裝置的安全性方面，由于電壓提高到48V，所以在Type-C接頭被拔出受電裝置時，可能會產生電弧火花。這會帶來相當大的安全疑慮，故受電裝置的製造商，例如NB廠商，必須導入對應的保護機制，才能降低意外事故發生的風險。
