你不一定知道的英特尔

秋季，是发烧友的狂欢季，手机大厂会陆续发布新机，一个好消息是，苹果今年的新机接口不得不“放下架子”换成USB-C接口了，坏消息是，前几代的手机接口线不能通用了。而讲到接口的演变，我们不得不提一下英特尔。

英特尔，被众多人誉为CPU技术的巨头，但是英特尔也是众多接口技术的缔造者。从USB、PCIe、Thunderbolt的诞生，到后摩尔时代的推动芯片进步的CXL和UCIe，这些关键连接技术背后，英特尔的影响力不可忽视。

在USB诞生之前，早期的电脑背后有各种大小和形状不一的接口和端口，每个端口都专门用于一种类型的外围设备，例如鼠标或键盘，打印机、游戏杆、调制解调器和音频设备等。如果您想连接更高级的外围设备，比如扫描仪，还需要在电脑上插入一个SCSI（小型计算机系统接口）卡，仅这个步骤，就难倒了不少英雄好汉。据英特尔介绍USB历史的相关资料所述，大约有三分之一的购买的扫描仪因为客户无法进行配置而被退回。类似这样的问题层出不穷，这对零售商、用户都造成了很大的困扰，这样下去，还将限制外围设备的创新。

于是，1992年，英特尔架构实验室的几位工程师开始探索如何简化向个人电脑插入设备的过程。很快，在英特尔的推动下，一群公司包括Compaq计算机公司、DEC、IBM、微软、NEC和Northern Telecom联合起来创建了一个解决方案：通用串行总线（USB：Universal Serial Bus）。

当时管理USB开发团队的Cadambi说道：“公司并不介意在标准化技术周围进行健康的竞争，因为随着市场的增长和创新的机会出现，每个人都会受益。简单地说，拥有巨大馅饼的一小块总比拥有小馅饼的大块好。”

说到USB的命名，英特尔非常喜欢缩写，其很多团队、组织、技术和项目的名称都常用缩写。而“Bus”总线这个词尽管在一开始看来似乎有些违反直觉，但是这个词在电脑行业是大家都熟悉的。在那个时期，人们对“总线”这个词的使用有一种观念，认为它代表一种高效且一致地从一个地方传输到另一个地方的方式。

在设计USB的过程中，有几项关键的技术决策，一是廉价且简单，不能在不考虑成本的情况下不断添加功能；二，还要能即插即用，这在看起来似乎是平平无奇，但早期真的是很大的提升，USB实现了“热插拔”，也就是说连接和断开设备而无需关闭或重新启动计算机，后来的“即插即用”解决方案的流行也可以归功于USB简单的接口取得的成功；三，他们还希望接口能够为外围设备提供电力，这样可以利用电脑给其他小型设备充电，这也是很有影响力的决策之一；四，通过集线器来扩展端口的数量，这不仅提高了使用的便利性，还导致了外围设备的“爆炸式增长”，从而推动了个人电脑产业的发展。

英特尔知道，要确保平台和设备制造商（最终是消费者）广泛采用USB，公司必须将技术集成到自己的芯片组中。1994年英特尔开发了USB规范的最初内部草案，后来经过多次的修订。终于，在1996年春季，英特尔开始将USB集成到其芯片组中，USB规范正式推出。

USB 1.0是USB的第一个商业版本，于1996年1月发布。USB1.1于1998年9月发布，具有两个速度：1.5 Mbps（低速）和12 Mbps（全速）。

在将这一标准引入世界的USB联盟中，明显缺少一家大公司。1998年，USB的发展普及来到了一个关键转折点。在此之前，USB并未集成到个人电脑操作系统中。但在1998年6月，USB 1.1规范的草案版本得到了当时全球主导的操作系统Windows 98的支持，尤其是1998年史蒂夫·乔布斯领导的苹果公司发布了开创性的第一台仅USB设备 iMac，没有用于外部设备连接的 串行端口或并行端口。苹果带头，从此以后，市场上的USB设备数量开始迅速增加。

第一代版本具有丰富的硬件和软件功能，但人们发现USB不仅仅适用于键盘和鼠标，而且还有一大用途是存储，U盘等存储设备来了。

USB 2.0（高速USB）于2000年4月发布。这个新版本的规范提供了最高480 Mbps的信号速率，比USB1.0的全速USB快40倍。2008年11月12日，USB 3.0 发布，数据传输速率高达5 Gbps。USB 3.1于2013年7月发布，提供高达10 Gbps的数据传输速率。USB 3.2于2017年9月发布,它引入了USB-C连接器，提供高达20 Gbps的数据传输速率。而所有的这些USB版本都可以向后兼容。

各版本USB的基本情况（制表：半导体行业观察）

USB的出现，是接口技术的重大变革，它为外设设备提供了一个标准化、简化的连接方式，取代了多种串行和并行端口。USB可以说是当时以及现今个人计算历史上最成功的接口之一。

2009年英特尔和苹果开发了Thunderbolt技术，早期它叫Light Peak，采用光纤来传输，数据传输速度高达10Gbps，由英特尔硅光子实验室发明。后来，英特尔和苹果意识到，使用传统铜缆可以达到与光纤一样快，而且生产成本更低。因此，铜就成为了首选的传输介质。苹果也很快就为该技术注册了Thunderbolt名称。不过由于英特尔拥有该技术的主要知识产权，苹果将商标转让给了英特尔。

那什么是Thunderbolt 技术？Thunderbolt技术可通过单个连接提供电源、数据和视频信号。Thunderbolt认证对电缆、PC 和配件制定了强制性最低要求，以帮助确保设备和供应商之间更高的可靠性和互操作性。除了外部显示器和其他外设之外，Thunderbolt连接还支持即插即用的外部GPU。

第一款Thunderbolt产品也来自苹果，2011年，MacBook Pro更新为Thunderbolt端口。在相当长的一段时间里，苹果是唯一使用Thunderbolt或Thunderbolt 2的主要计算机制造商。这是因为Thunderbolt外围设备和配件的成本相对较高。Thunderbolt最初的版本（1和2）使用 Mini DisplayPort 连接器。

让Thunderbolt开始大放异彩的是Thunderbolt 3所采用的USB-C的设计，这允许笔记本电脑可以设计得非常薄，而且在速度上，可以使笔记本电脑能够驱动外部图形加速器以实现真正快速的游戏或视频工作。因此，Thunderbolt 3接口标准在早期起步阶段，就获得了一众PC制造商的青睐，如惠普、戴尔、微星、华硕、雷蛇和宏碁，都在其2016年产品线中采用了Thunderbolt 3。

Thunderbolt 4是最新的版本，与3没有太大区别。最大的区别在于，认证要求非常高。笔记本电脑、外围设备和电缆制造商必须满足更严格的Thunderbolt 4认证标准，能够确保买家可以确信，他们至少将获得以下功能：

• 通过长达 2 米（6.5 英尺）的电缆实现 40Gb/s 的数据传输速度

• 32 Gb/s PCIe 数据传输（Thunderbolt 3 的两倍）

• 支持两台 4K 显示器（或一台 8K 显示器）

• 至少一个端口支持 100W 笔记本电脑充电

• 从睡眠中唤醒支持

虽然Thunderbolt 4与USB都使用USB-C连接器（都是椭圆形），但Thunderbolt 4品牌认证对电源、数据和视频的最低标准要求更高，每个方向的带宽均为恒定的40 Gbps，并支持PCIe连接，以实现快速数据传输速度。在端口上他们看起来是一样的，最好的区分办法是Thunderbolt端口和连接器标有“闪电”徽标。

不同USB-C端口如何区分（来源：tripplite）

Thunderbolt与USB的比较

Thunderbolt 4技术也将成为USB-C阵营的有力竞争者，因为它可向下兼容Thunderbolt 3以及数以百万计的USB 3和USB4产品。Thunderbolt4可在许多现代计算机上使用，并且与 Windows、Mac、Linux和Chrome操作系统兼容。所有英特尔Evo笔记本电脑和所有支持英特尔酷睿博锐处理器的笔记本电脑至少需要一个Thunderbolt 4端口。

PCIe是近几十年来计算机硬件发展中的一项重要创新。在讲述PCIe之前，不得不提及其前身——PCI。PCI由英特尔在1992年推出，主要作为并行总线存在。它简化了计算机内部的连接方式，但随着技术的发展，PCI的传输速度逐渐无法满足需求。

2004年，一群英特尔工程师意识到了并行总线的局限性，英特尔与其他公司一起成立了PCI-SIG。他们开发出了一个新的标准，这就是PCI Express（快速外围组件互连，简称PCIe）。它和原来的PCI有相似的功能，但设计上完全不同。PCI是并行的，而PCIe是串行的，这使得它在传输速度和稳定性上都有了显著的提升。

PCIe是一种用于连接高速组件的接口标准。每个台式电脑主板都有许多 PCIe 插槽，可用于添加GPU、RAID卡、 Wi-Fi卡或SSD（固态硬盘）附加卡。

（图片来源：MMXeon/Shutterstock）

PCIe 1.0a版本的传输速度为每通道250MB/s，总速度为2.5GT/s（千亿次/秒）。随后，PCIe的标准也不断升级，传输速度逐渐提高。2007年引入的PCIe 2.0版本传输速度是前一版本的两倍。而后，随着大数据和云计算的崛起，数据传输的需求也日益增长。PCIe技术也在持续地迭代和升级。2010年推出的PCIe 3.0版本使用了更高效的编码方式，传输速度为8GT/s，Google的TPU 3和USB4标准都是基于PCIe 3.0；PCIe 4.0的传输速度又提高了一倍，达到16GT/s，而且许多现代设计都主要基于这个版本；PCIe 5.0的性能达到了32GT/s。而PCIe 6.0的性能更是达到了64GT/s，并且会切换到PAM4信号方式，每个时钟周期有两位。

（制表：半导体行业观察）

在PCIe之前，PC历史上还出现了多种扩展插槽类型：ISA（行业标准架构）、MCA（微通道架构）、EISA（扩展行业标准架构）、VLB、PCI、PCI-X、AGP等等。如果一项互连技术能够在十年内维持三代带宽改进，则该互连技术被认为是成功的。PCIe架构已经远远超过了这个标准。PCIe不仅仅是一种简单的互连技术，更是一种整合了多种先进技术的综合架构。从1.0到现在的5.0、6.0版本，PCIe不断地刷新自己的带宽记录，从最初的250MB/s到64GT/s，每一次的进步都为行业带来了实质性的飞跃。

随着我们进入PCIe技术诞生的第三个十年，它已经成为整个计算领域中无处不在的I/O互连标准。PCIe不仅在桌面计算领域得到广泛应用，也在移动设备、工业控制、医疗设备等多个领域得到了广泛应用，显示出其强大的适应性和普适性。所以，PCIe技术的成功不仅仅体现在其带宽的飞速进化上，更重要的是其在多个领域中的广泛应用，成为真正意义上的“通用”互连技术。

随着 PCIe 开始接近铜的实际极限，PCI-SIG在今年已经宣布成立PCIe光学工作组，通过光学接口实现PCIe。PCIe技术的未来充满希望。

在人工智能和机器学习愈演愈烈的今天，加速器在数据中心的作用正在凸显。于是，用于高速通信的行业开放标准接口——CXL应运而生。

CXL全称为Compute Express Link，是由英特尔于2019年3月在InterconnectDay 2019上推出的一种开放性互联协议，它基于PCIe标准，主要为加速器而建立。CXL能够让CPU与GPU、FPGA或其他加速器之间实现高速高效的互联，这将有助于减轻数据中心的压力，以更少的资源做更多的事情。

如同PCI-SIG一样，CXL也有自己的联盟，2019年英特尔、谷歌、微软、HPE、戴尔易安信、思科、Meta 和华为作为初始成员，该联盟成立。并在2019年推出了基于 PCIe 5.0 的第一版规范CXL 1.0。此后，越来越多的大厂纷纷加入，包括英伟达、三星、AMD、IBM、新思科技、Marvell、瑞萨、Keysights等等。

由于CXL能允许CPU和连接设备上的内存之间的低延迟连接和内存一致性的优点，CXL在大型数据中心内越来越受欢迎，越来越多的企业在他们的下一代 SoC、加速器、SmartNIC和GPU以及内存扩展设备中采用CXL。

获得了众多财力雄厚公司的支持的CXL，发展速度非常快。才三年，CXL就已经发布了3个版本。CXL 2.0于2020年11月发布，相比CXL 1.1，CXL 2.0增强了对单级交换机的支持、对持久内存、内存池和安全性的支持。同时保持与CXL 1.1和CXL 1.0 的完全向后兼容性，并兼容PCIe 5.0。

不同版本CXL对比（来源：CXL3.0白皮书）

2022年8月，CXL 3.0发布。CXL 3.0基于PCIe 6.0技术，将传输速率提高一倍至 64GT/s，且与前代产品相比没有额外的延迟。CXL 3.0规范引入了互连能力和管理功能，改进了内存共享与汇集、增强了一致性，并实现了点对点通信。

CXL 3.0为CXL联盟在加速计算、内存和面料架构方面迈出了重要的一步。不过虽然CXL标准发展的很快，但要广泛采用还需要时日。数据中心不同于其他领域，他们在采用新技术方面相对比较保守，因为随便的一个故障将可能导致巨额的损失。

2022年3月，英特尔联合台积电、三星、AMD、微软、谷歌、日月光等大厂组成UCIe联盟，来降低小芯片（Chiplet）先进封装技术的设计成本，推动小芯片的发展。UCIe联盟的目标是为小芯片之间的互联制定统一的规范，实现Chiplet的即插即用。

UCIe联盟在ISC 2023中指出，其正在开发的UCIe新技术将有两个版本：一个是标准版（UCIe-Standard），速度为73 GB/s，适用于2D封装；另一个是高级版（UCIe-Advanced），速度为630 GB/s，适用于2.5D封装。UCIe基于PCIe 5.0，并支持CXL 2.0。UCIe还不涵盖 3D 封装，但是正在向前研发中。与传统的PCIe连接相比，UCIe连接会更加紧凑，而且会更加节能。UCIe标准连接的能效是PCI 5.0的10倍，而UCIe-Advanced 的能源效率是 UCIe-Standard 的四倍。

图源：hpcwire

发展至今，UCIe联盟已经发布了两个版本，分别是UCIe 1.0和1.1。其中，UCIe 1.1有四大增强功能：1）汽车行业对UCIe表示了兴趣，但它带来了不同的要求，UCIe联盟宣布成立新的汽车工作组；2）引入了新的流媒体协议；3）为了降低连接成本，推出了新的封装布局；4）UCIe正进入一个新阶段，考虑进行合规性测试以支持可互操作的芯片组件。而且，UCIe 1.1规范向后兼容演进，用于通过新的使用模式驱动开放式小芯片生态系统。

在后摩尔时代，Chiplet这样的先进封装技术在推动芯片性能继续提升上至关重要，UCIe将像CXL一样，在芯片的未来发展中起到关键作用，成为芯片制造的基础技术之一。

在USB、Thunderbolt、PCIe、CXL和UCIe等接口技术中，尽管每一种技术的研发都是众多公司共同努力的成果，但英特尔的贡献显然是关键的。独乐不如众乐，一个人吃小蛋糕的大部分和吃大蛋糕的小部分，可能结局是一样的，但又是不一样的。

参考资料：

1. 《How USB Became the Most Successful Interface in Computing History》，英特尔

2. USB Decoded: All the Specs and Version Numbers，tomshardware

3. A Brief History of Thunderbolt Technology，OWC

4. Thunderbolt 4 Explained，tripplite

5. Everything You Need to Know About the PCI Express，hardwaresecrets

6. For the First Time, UCIe Shares Bandwidth Speeds Between Chiplets，hpcwire

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