Thunderbolt会发出轰鸣吗

Thunderbolt 技术及市场发展介绍

Thunderbolt会发出轰鸣吗（一）：

英特尔与苹果提出的集成型接口构想

2011/07/21 00:01

连接个人电脑、电视及便携设备等的外部接口迎来了新的技术潮流。那就是将各种接口的物理层通用化，把各种规格的信号传输集成为一束。作为这种时代的先行者，一种接口终于问世了。

“英特尔到底在想些什么？现在明明是USB 3.0好不容易要起飞的紧要关头”（某设备厂商的技术人员）。“将用于什么用途？尽管部门内部经过了反复讨论，但总是看不到明确的用途”（某半导体厂商的技术人员）。

在个人电脑、电视及便携设备等数字家电的产品策划及开发现场，一种接口技术的影响力正在不断扩大。那就是由美国英特尔公司开发、已被美国苹果公司用于个人电脑的“Thunderbolt”接口（图1）。

图1：Thunderbolt动向

英特尔以“Light Peak”的代码名推进开发的新一代高速接口于2011年2月作为

“Thunderbolt”发布。目前已被苹果的笔记本电脑采用。索尼2011年6月在笔记本

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电脑中也采用了基于Light Peak的光接口。

Thunderbolt的特点是最大数据传输速度可达到10Gbit/秒，在个人电脑的外设接口中速度超群。目前已被苹果公司的“MacBookPro”及“iMac”采用（图2）注1）。索尼也在笔记本电脑“VAIO”中采用了以Thunderbolt为基础的“Light Peak”（开发代码名）光接口。

图2：支持10Gbit/秒高速传输

苹果的MacBook Pro不仅配备了FireWire 800、USB 2.0及Gbit以太网等，还采用

了Thunderbolt（a）。Thunderbolt可实现超过传统内部接口及外部接口的高速传

输（b）。（图（a）由《日经电子》根据苹果公司资料绘制）

注1）英特尔表示，佳能也计划在相机中采用Thunderbolt。

Thunderbolt在开发现场引发种种猜测的原因是，其用途并不明确。是像USB那样用来连接硬盘等存储设备，还是像DisplayPort或HDMI那样连接至显示设备并交换影像信号，主要用途并不清楚。因此，业界一时出现了多种看法，比如“肯定是USB 3.0的竞争规格”，以及“如果没有明确的用途，就不会被采用”等。

不成立业界团体

而且英特尔几乎没有公开Thunderbolt方面的技术信息，也没有为结交伙伴而成立业界团体的迹象。该公司负责Thunderbolt营销的产品市场工程师Ray Askew并不热情地表示，“Thunderbolt的定位是我们的自主技术。我们会在必要的时候致力于该技术的标准化”。

英特尔甚至没有为确保支持该技术的设备之间的相互连接性而进行标志认证的迹象。这些应有信息的缺乏，使得人们对Thunderbolt的怀疑进一步增加。

没有特色正是本色

但这种表面上的“异质性”恰恰可以说是Thunderbolt的特点。Thunderbolt是肩负着传统接口所不具备的新使命诞生的。那就是未来“集成所有接口”。

Thunderbolt的最大特点是，上层可传输多种协议的信号。比如，MacBook Pro及iMac采用的现行Thunderbolt，便可传输DisplayPort及PCI Express（以下简称PCIe）的信号（图

3）。而且，数年后“还可以传输USB信号”（英特尔的人士）。索尼基于LightPeak的光接口已经实现了对USB的兼容。也就是说，Thunderbolt能够代替多种高速接口的基本功能。

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图3：一个传输信道支持两种协议

Thunderbolt具备协议转换功能，支持PCI Express与DisplayPort两种协议（a、

b）。经由Thunderbolt控制器LSI进行外围芯片组、外置独立型GPU及

Thunderbolt用连接器之间的信号交换（c）。

只需转换物理层与协议即可

Thunderbolt之所以能够发挥各种接口的基本功能，是因为只规定了大带宽物理层与协议转换功能两个要素。与原来的普通接口不同，并没有规定上层协议（图4）。此处的协议转换功能是指，将

PCIe

与DisplayPort等不同规格的信号转换为能用Thunderbolt统一处理的数据包的功能。

图4：未规定上层协议

Thunderbolt的实质在于大带宽物理层与协议转换功能，采用了可

根据用途灵活调整上层协议的设计。理念接近于无线传输规格

UWB及WiGig。

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Thunderbolt将物理层作为通用帄台，在该帄台上采用多种规格。正因为有“通用物理层”，所以表面上看起来才“用途不明确”。反过来说，就是用途无限宽广。

Thunderbolt并没有预先规定好用于什么用途，而由使用这种接口的设备厂商来决定。目标是以此实现能以多种形态广泛使用、通用性较高的接口。这就是Thunderbolt的基本设计理念。

接口集成化的象征

其实这种理念并非是由Thunderbolt首次提出的。

使用数GHz超带宽的无线传输技术“UWB（ultrawideband）”，同样以大带宽物理层与协议转换功能为武器，瞄准的是“Wireless USB”及“Wireless HDMI”等多种传输协议的通用物理层。UWB因支持非常大的带宽，无法解决与其他无线服务之间的干扰问题，因此未能获得广泛应用，但其理念与Thunderbolt非常接近。

另外，最近英特尔积极推进的、利用毫米波频带（60GHz）的高速无线通信规格“WiGig”瞄准的同样是可在上层传输DisplayPort、PCIe及HDMI数据的通用物理层注2）。

注2）Thunderbolt以通用物理层为目标的理念，也和用于公司内部LAN及互联网传输的以太网接近。以太网的实质在于支持高速传输的大带宽物理层，并在其上层使用TCP及IP等协议。具备通用物理层后，得到了广泛普及。Thunderbolt的目标也是这种通用物理层。在英特尔负责Thunderbolt开发的是负责以太网等的LAN部门，所以可以推测以太网的设计思想对Thunderbolt产生了巨大影响。

Thunderbolt会发出轰鸣吗（二）：

对现有规格的不满起到推动作用

背景是智能手机与帄板终端的兴起

在这种发展趋势下，为何现在又新出现了Thunderbolt呢？其原因可归纳为以下三点（图5）。

图5：Thunderbolt应运而生

Thunderbolt问世的背景大致有三点。一是伴随着设备的小型化及薄型化，减少连接器数量的

要求日益高涨，二是主导企业英特尔与苹果的利害关系一致，三是自适应均衡器等信号传输

技术已成熟。

首先第一个原因是，为了轻松实现电子产品的小型化及薄型化，设备厂商强烈要求减少外部接口用连接器的数量。苹果公司的“iPhone”

及“iPad”等智能手机及帄板终端也要求实现小型薄型化注3）。此时，各种接口使用的不同连接器只会成为达到这种要求的“障碍物”。

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注3）英特尔帄板终端半导体业务负责人Douglas Davis（上网本与帄板终端部副总裁兼总经理）对帄板终端采用Thunderbolt充满期待，称“这是一项非常激动人心的技术”。

如果能够通过集成外部接口来减少连接器数量，就有利于降低成本。因此，非常需要一种能够用一个连接器和线缆传输多种协议信号的集成型接口。

如果能够使用具备通用物理层的集成型接口，那么设备的设计自由度便会大大提高。而且，利用Thunderbolt所具备的、速度高达10Gbit/秒及延迟时间仅为8ns的特性，还能实现新的使用形态，比如将设备的部分运算能力委托给外部设备等。

对现有规格的不满起到推动作用

Thunderbolt理念诞生的第二个原因是，英特尔与苹果均希望开发出符合各自业务战略的接口技术。

对于英特尔而言，要保持该公司微处理器的附加值，需要提高外部接口的速度，以赶上微处理器处理能力提高的步伐。从USB 2.0升级至USB 3.0时，几乎花费了10年的时间才将传输速度提高到了原来的10倍。这远远赶不上在此期间微处理器处理能力的提高速度。

因此，英特尔目前正在大力推进外部接口的光化。这是因为光化有望使速度大幅提高至100Gbit/秒。

该公司打算率先使微处理器、外围芯片组及外部接口等主要构成要素支持光传输，以继续在今后的个人电脑架构领域中保持主角地位。

根据这种战略，英特尔原本打算在制定USB 3.0规格时导入光接口。但相关企业因担心成本提高而表示反对，结果导致这一设想受挫。如果大多数企业在标准化方面步调一致的话，即便是英特尔这样的公司，其单独的设想也很难通过。

正如其开发代码名Light Peak所表示的那样，Thunderbolt蕴含着“再次挑战USB 3.0光化”的意思。Thunderbolt正是英特尔对USB 3.0标准不满意的部门开发出来的接口技术。

索尼在笔记本电脑中采用的正是可称为光版USB3.0的接口（图6），推进Thunderbolt的光化进程只是时间问题。注4）

图6：索尼采用Light Peak

索尼在笔记本电脑“ VAIO Z”系列新产品中采用了基于Light Peak的光接口。安装有

支持这种接口与USB 2.0/3.0接口的板卡（红圆圈为板卡）（a）。内部装有用于光

接口的模块（b）。

注4）Thunderbolt目前还只是电接口，但2011年10～12月将开始提供光缆。这种光缆的插头中嵌有光收发模块，因此可在线缆内进行光传输。由此，个人电脑等主机端便不再需要更改设计，比如在板卡上安装光部件等，只需将光缆插入现行Thunderbolt端子即可实现光

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传输。英特尔将在此之前的2011年7～9月开始提供Thunderbolt开发套件（参考设计）。 追求自主性的苹果公司

对于苹果公司而言，外部接口同样是有助于实现产品设计及自主性的重要要素。在业界其他公司纷纷配备USB 3.0接口之时，苹果打算通过采用特性超过USB 3.0的自主接口来突出其先进性注5）。“这正是苹果公司独特的差异化战略”（某测量仪厂商的技术人员）。

注5）英特尔表示，“我们并没有以Thunderbolt取代USB 3.0的打算，二者应该会发展为良好的互补关系（英特尔架构部门”Thunderbolt策划及营销总监Jason Ziller）。知名USB 3.0主控制器LSI厂商瑞萨电子表示，“USB3.0

获得企业采用的速度超过了我们的预期。给人的

印象是提前了半年到1年左右的时间”（该公司SoC事业本部产业网络事业部连接性解决方案设计部担当部长友田嘉幸）。

苹果此前一直对自主接口非常执着（表1）。比如，便携式媒体播放器“iPod”的初始机型就采用了该公司大力推进并制定的FireWire（IEEE1394）标准。从Thunderbolt这一豪气的名称可以感受到，苹果对其寄予的厚望与FireWire相通。

Thunderbolt得以问世的第三个原因是Gbit/秒级信号传输技术已逐步成熟。高速传输所需要的自适应均衡（自适应均衡器，Adaptive Equalizer）等关键技术不断进步。

Thunderbolt会发出轰鸣吗（三）：集成是“光化”的准备阶段 加快接口集成步伐

像Thunderbolt这样将各种接口物理层通用化的动向，今后将对数字家电设备的设计带来巨大影响（图7）。主要影响有以下两点。

图7：将对电机行业产生巨大影响

据预测，各种高速接口的物理层实现通用化以后，接口集成将会加速，相关部品的成本也会

下降，接口的面世方式及标准化方法也会大大改变。

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第一点是外部接口的集成步伐将加快。现行Thunderbolt只能代替PCIe与Display-Port。但将来必定会增加USB、HDMI及Serial ATA（SATA）等可在上层传输的协议数量。这样的话，便有望为苹果等设备厂商带来明显的降低成本效果，比如可减少连接器数量等。

对于面向各种接口开发连接器、线缆及控制IC等的企业而言，集成型接口也会带来关系到生死存亡的危机。对Thunderbolt这样的集成型接口充满期待的设备厂商也表示，“将来希望所有设备都能实现无线化”。这样的话，在支持被集成设备传输协议的专用连接器及专用线缆等领域，市场规模缩小将不可避免。

集成是“光化

”的准备阶段

接口集成后，便有望降低相关部件的成本。如果大多数接口都能实现物理层通用化，就会对连接器及线缆等相关部件产生规模效应。

如果接口不断集成，就能轻松实现将传输介质由铜线改成光纤等重大改进。其原因是，与每个接口单独进行光化相比，集成型接口最初就有望实现大量供货，因此可降低光缆及连接器等开发厂商的风险。

这样，“光传输便有望颠覆高成本这一普遍看法”（某测量仪厂商的技术人员）。正因为通用性较高的集成型接口可支持多种规格，才容易使传输介质发生重大变化（图8）。即便继索尼之后，集成接口又不断被其他企业采用也不足为奇。

图8：将导致信号传输介质发生巨变

有线接口的无线化与光化动向日益活跃。通用性较高的集成型接口的面世将使信号

传输介质发生巨变。

汽车将采用以太网

接口实现集成后相关部件的成本快速下降的实例之一是公司内部LAN及互联网中的主流传输规格以太网（Ethernet）。以太网被这些领域重点采用后，线缆及主要部件的价格急剧下降。应用领域也在不断扩大。

比如，丰田制定了基于以太网的车载LAN接口规格，并开始开展旨在实现国际标准化的活动。该公司选择以太网的原因是比较重视以下优点，“由于能够利用现有物理层，因此可降低开发成本，还可轻松扩展至光传输”（该公司）。这一典型事例表明，在成本与扩展性方面具有优势的集成型接口，会因其他行业的参与而进一步加快集成步伐。

强手联合推进接口的集成化

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第二个影响是可能会大大改变接口的确定方法及标准化方法。

虽然英特尔推迟了Thunderbolt的标准化，却将与苹果联手制定真正的业界标准放在了第一位。令人吃惊的是，台湾台积电（TSMC）也加入了这种强强联合（图9）。苹果、英特尔及台积电三家电机行业“巨头”围绕Thunderbolt建立了紧密的合作关系。

图9：通过省去标准化的企业封闭合作开始推进Thunderbolt

Thunderbolt目前看起来是在英特尔与苹果的封闭合作下推进的。不过，从英特尔

的Thunderbolt控制器LSI的电路构成等可以看出，该公司打算将来将其作为通用

规格向业界推广。

对于英特尔而言，这种确定接口的方式有助于大幅缩短时间。如果像制定USB规格那样，多家企业聚集在一起反复进行定期讨论的话，参与企业越多，讨论时间就会越长。制定规格所花费的时间越长，微处理器处理能力与外部接口传输速度的差别也就越大。

Thunderbolt这样的接口是通过企业在某种意义上“省去标准化”的封闭合作来确定的，如果这种方法有效的话，

今后就有望以相同的方法确定接口。以前经常由拥有众多加盟企业的业界团体及标准化团体来确定接口，今后这些团体的应有形态也会发生变化。

英特尔的Askew就Thunderbolt表示，“全面普及需要2年多的时间”，为了避免重蹈UWB等的覆辙，英特尔打算踏踏实实地推广这种接口。Thunderbolt带来的变革今后或许会为接口业界增加新的常识。即便这种规格不会普及，走向集成型接口的大潮流也不会停止。届时，顺利适应这种变化的企业将在新一代设备的设计及产品策划中发挥优势。

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Thunderboltは轟くか

高速インタフェースが迎えた転換期

第1

部＜登場の意味＞

IntelとAppleが打ち出す

集約型インタフェース構想

パソコンやテレビ、携帯機器などをつなぐ外部インタフェースに新たな技術潮流が訪れている。各種インタフェースの物理層を共通化し、さまざまな規格の信号伝送を1本に集約していく。そんな時代の先兵となるインタフェースが、いよいよその姿を現した。

Thunderboltをめぐる業界の動き

「Intelはいったい何を考えているのか。USB 3.0がようやく離陸しようという、とても大事なタイミングなのに」（ある機器メーカーの技術者）。「どんな用途で使うのか。部内で議論を重ねているが、どうにもアプリケーションが見えない」（ある半導体メーカーの技術者）──。

パソコンやテレビ、携帯機器など、デジタル家電の製品企画や開発現場で、あるインタフェース技術の存在が波紋を広げている。米Intel社が開発し、米Apple社がパソコンに採用した「Thunderbolt（サンダーボルト）」と呼ばれるインタフェースだ。

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最大データ伝送速度が10Gビット/秒と、パソコン周辺インタフェースとしては、ずば抜けて高速な点を特徴とする。既に、Apple社の「MacBook Pro」や「iMac」に搭載された。さらにソニーが、Thunderboltの元となった「Light Peak（ライトピーク）」（開発コード名）に基づく光インタフェースをノート パソコン「VAIO」に導入した。 このThunderboltの存在が開発現場にある種の混乱を生じさせているのは、その用途がはっきりしないためである。USBのようにHDDなどのストレージ機器と接続することに使うのか、またはDisplayPortやHDMIのようにディスプレイ機器に接続して映像信号をやりとりするのか、主用途が不明なのだ。しかもIntel社は、この

Thunderboltに関して、技術情報をほとんど開示しておらず、仲間作りに向けた業界団体を立ち上げる気配も無い。

だが、実はこうした「異質」に見えることこそが、Thunderboltの特徴そのものと言える。これまでのインタフェースに無い、新しい役割を背負って登場してきたのだ。それは、将来的に「すべてのインタフェースを集約する」ということである。 第2部＜実装から読み解く＞

銅線を使う暫定版で

段階的な移行を促す

Apple社がパソコンに搭載したThunderboltは、既存技術をうまく生かして実現したものだった。そこには、理想形への段階的な移行を促すというIntel社とApple社の狙いが透けて見える。対応機器を広く普及させるためのIntel社の秘策も浮かび上がってきた。

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「MacBook Pro」のメイン基板

2011年5月31日～6月4日に台湾 台北市で開催された「COMPUTEX TAIPEI 2011」。ここで米PROMISE Technology社は「Thunderbolt」インタフェースに対応したRAID装置「Pegasus」を出展し、Thunderboltを採用した効果を示す実演を行った。

同社は、米Apple社のパソコン「iMac」とPegasusをThunderboltで接続し、Pegasusに格納した1080pのHD映像を7本同時に再生してみせた。同じ映像を、iMacの内蔵HDDから読み出す場合はデータ伝送が間に合わず、数秒ごとに静止画が切り替わるような状態になってしまう。これに対してThunderboltで接続したPegasusから読み出す場合は、コマ落ちが発生することなくきちんと再生できていた。

この実演から見えてきたのは、パソコンなどコンピュータの内部と外部の境界が曖昧になる世界だ。通常は必要最低限の性能で動作するモバイル コンピュータが、Thunderboltで外部機器とつないだ途端に高性能なデスクトップ コンピュータ並みの能力を発揮する──。米Intel社の「Light Peak」が打ち出した集約型の高速インタフェースというコンセプトを最初に体現したThunderboltによって、こうした未来が近づいてきた。

Intel社とApple社は今のところ、情報非開示の契約を結んだ企業だけに

Thunderboltの詳細情報を公開している。ここでは、Thunderboltを採用したノート パソコン内部におけるチップセットの利用状況や、Intel社などが公開した情報を基に、Thunderboltの実像に迫る。

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第3部＜注目の要素技術＞

Gビット伝送を陰で支える

アダプティブ イコライザ

ThunderboltのようにGビット/秒級の高速信号伝送を行う際には、信号が減衰したり、歪んだりしやすいという大きな課題がある。その改善に向け、アダプティブ イコライザの利用が広がっている。

等化器は用途で使い分け

10Gビット/秒のThunderbolt、1レーン当たり8Gビット/秒のPCI Express 3.0（PCIe 3.0）、5Gビット/秒のUSB 3.0──。このような超高速インタフェースの実現を、陰で支えている要素技術がある。高速信号の波形などを受信回路で補正してきちんと読み取れるようにする、波形等化（イコライザ）と呼ばれる信号処理技術だ。

高速信号は、伝送経路上にあるケーブルや基板上の伝送線路、コネクタなどを伝うときに、減衰して波形（いわゆるアイ パターン）が保てなくなる。特に、数Gビット/秒を超える高速インタフェースでやりとりされる信号は極めて高周波であるため、誘電損失や放射損失の影響を受けやすくなる。

従って、このまま受信回路で信号を読み取ろうとしても信号波形が潰れてしまい、正しい振幅値を得ることができない。潰れたり歪んだりしたままの信号を基にしてデータ復調を行うと、伝送誤りが発生しやすくなる。そこで、受信回路で信号を増幅し

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たり、逆に雑音成分を取り除いたりすることで、波形を補正して読み取れるようにする。

中でも、この波形等化をさまざまな伝送路環境の変動に適応して処理できる、適応等化（アダプティブ イコライザ）と呼ばれる手法に注目が集まっている。 次世代インタフェースで続々

アダプティブ イコライザは、伝送路特性の変化が受信データに及ぼす影響を検出し、最適な状態で受信できるように等化器の係数を自動的に調整する。これにより、伝送路特性が異なっても、原理的には等化器からの出力信号をほぼ同じにすることができる。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6i11.html