經常使用電腦或是 3C 產品的消費者大概都對 USB 不陌生。滑鼠連接到電腦,把手機裡的照片複製到電腦裡做編輯及整理,從網路下載一段影片存放在大拇哥,再插到電視播放出來,這些都是一般消費者熟悉以 USB 作為傳輸介面的應用場景。其實,以 USB 作為 “通用” 的連結介面並不是一直都那麼順暢無阻,也不會永遠都是標準。

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  回顧上個世紀九十年代 (確切地說,1996年) 當 Intel 推出 USB 規格並大力推廣其應用時,那可以算得上是科技產業的 1 項創舉及里程碑。在過去二十多年 USB 經歷了至少三代演化,而且從電腦的周邊也跨進消費性電子產品成為傳輸介面的主流。 我們就從電腦科技產業在這段二十多年間的進程談起,了解為什麼這幾年新興 Thunderbolt 的誕生可以視作另一次科技產業的革命,以及這個產業創新可以帶給科技人哪些重要的應用。
thunderbolt 3

Computer 我們稱作電腦,或是有人稱作計算機,如果追根究底要用名字明確表達它的功用,可能要使用如下一長串形容詞:數位資訊泛用高速運算處理機。這裡筆者只想強調其中兩個特性:“泛用” 以及 “高速”。
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高速的意思是說,電腦作為輔助人類工作的工具,很重要的因素是因為電腦的速度比人腦快。這裡所指的速度包括運算速度對比人腦計算以及資料傳輸速度對比人的聽說讀寫。既然使用這個工具的目的是要比人快,當然是速度越快越有價值。電腦 CPU 的效能 在過去四、五十年的進程一直遵循 Moore’s Law 所預測的,每 18 個月增快一倍。 當運算速度及效能不斷倍增的同時,人們對於資料傳輸速度的要求必然也是不斷提高。

 

Thunderbolt 從第一代 (2011) 的 10Gb/s,第二代 (2013) 的 20Gb/s,到目前 Thunderbolt 3 的 40Gb/s,都是那一個時期速度最快的連接介面。
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讀者可以從其他大量的技術文件或是評測文章找到 Thunderbolt 與其他傳輸介面(包括 USB 3.1 Gen2 ) 在速度上對比所具有的優勢,本文不再贅述。但是另一方面,一般消費者可能會有誤解,以為 Thunderbolt 的優勢不過就是速度比較快。他們可能會提出質疑,是否一定要追求高速傳輸?即使承認高速傳輸是王道,除了速度之外是否還有其他動力一定要擁抱 Thunderbolt 這個新的傳輸介面? 前面已經洩露了答案,關鍵在於電腦的泛用性。

 

人類發明電腦作為輔助工具,最開始的時候只是為了特定功能,例如最早的電腦,計算機,僅僅處理數位(0&1)的邏輯與算術運算。但是隨著半導體技術的進步,電腦的核心,CPU 體積越來越小,運算速度越來越快,電腦演變成可以依照人類賦予的各種指令(程式),實現各式各樣的應用。回想一下我們現在每天日常生活中需要使用“電腦”來達成哪些事:上網收發郵件以及社群網站(通訊),觀看YouTube影片(影像處理),照片、檔案整理(儲存)等等,這些都不是簡單的算術與邏輯運算,而是運用了電腦的泛用性。拜智慧型手機之賜,以上消費者的這些日常行為並不需要拿一台真的電腦到面前,而可以使用手機來完成,其實智慧型手機就是一部電腦,而且如果跟早期的電腦相比, 手機的效能可以算是那個時代的超級電腦。
in life
但是手機真的可以取代電腦嗎?就用以上三個使用案例來說,通訊,影像處理,以及儲存,如果通訊需要更大頻寬在短時間內傳輸大量資訊,如果影像不是只有瀏覽而需要做編輯,如果需要更大更快的儲存空間超過了手機內建的資源,那就需要使用電腦來完成工作。而在這些應用的專業領域,電腦更是因為“高速”以及 “泛用”兩種特性成為執行這些專業工作不可或缺的工具。

 

電腦的核心是CPU,雖然透過各式軟體賦予任務可以使其具有泛用性來處理各類工作,但是以這個方式執行工作在每一個專業領域都不能達到專精。
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於是 CPU 的龍頭 Intel 在 1992 年制定了 PCI(Peripheral Component Interconnect, 顧名思義,定義 CPU 與周邊元件連結的協定) 這個介面,由其他各家 IC 廠商分別在各個專業領域中開發了解決方案,諸如以 GPU 來處理影像,以 RAID controller 來組織 RAID storage 等等。這些以特定專業領域為對象所開發的解決方案便可以透過 PCI 與電腦的核心 CPU 傳遞訊號,分擔 CPU 負荷而能達到各專業領域所要求的工作品質與效能。PCI 的規格歷經數代演進,在 2004 年進化成 PCI Express 簡稱 PCIe,至今發展到 PCIe 3.x(註:PCIe 4.0 預計在 2017 年發佈,但在本文撰稿時仍屬於草案階段,所以目前最新正式的 PCIe 規格仍是3.1)。

 

PCIe以及其前身PCI維持了CPU作為“中央”處理器的地位以及其泛用性,而開放了與各種專用方案協作的管道。它的限制是這個介面的設計是以桌上型電腦,工作站,伺服器這種大型電腦或是內建裝置為考量,並沒有考慮作為外接式裝置的介面。使用PCIe與CPU溝通的解決方案,需要內建在電腦主機板上,要不然就是在電腦上預留了PCIe插槽,能夠安裝這些解決方案作成的PCIe卡。為了支援外接式裝置的便利性,規格設計上需考量合適的連接端子,由連接線供應電源,以及熱插拔等等。在定義了PCI規格的4年之後,一樣是由CPU龍頭老大Intel在1996年定義了USB,主要目的便是作為一個簡單好用的外接端口,支援各式各樣外接式應用,增進電腦的泛用性。
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可是對於 CPU 來說,它仍然是以 PCI/PCIe 作為對外的溝通管道,只是需要多增加一個中繼翻譯站與 USB 溝通。對於開發周邊的解決方案的 IC 廠商看起來, 這時可以有兩大類與 CPU 溝通的管道可以選擇:沒有移動需求的應用最好直接與 CPU 以 PCIe 溝通,可以達到最大速度與效能;不求最高效能但是需要隨時可以插拔而有移動方便性的應用就選擇 USB。問題來了。如果要求移動方便性,隨著不同應用而需快速變換解決方案,可是也不能放棄效能而要求直接與 CPU 溝通,這怎麼選擇呢?這種兩難的情形終於在 Thunderbolt 誕生之後解決了。

 

 Thunderbolt 最主要的精神就是把4-lane PCIe作成與USB一樣方便的外接介面(註:Thunderbolt 協議另外的要點是還帶了 DisplayPort 影像訊號,以及架構上使用串接的方式而不是一對多 HUB 的形式,不過這幾個部分的規格不在本文討論的範圍內)。原本需要內建在電腦裡面,或是插在大型電腦 PCIe 插槽上的解決方案,現在可以移到電腦的外部而具有可攜帶性,而且不犧牲與 CPU 直接溝通的效能。特別是自從 Thunderbolt 3 採用與 USB 一樣的 USB-C 端口,而且 Intel 宣布自下一代 CPU 開始要把 Thunderbolt 功能直接加入到 CPU 裡面之後,Thunderbolt 這個介面似乎就要一統天下,消弭過去 20 年來各種專業解決方案如何與 CPU 溝通而遇到的兩難選擇。接下來我們就舉一些實際的例子,藉由 Thunderbolt 把 PCIe 解決方案從電腦內部帶到外部,實踐在各種場景的應用。
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以下筆者把 PCIe 解決方案分成兩大類,第一類是這些 PCIe 解決方案分擔了電腦 CPU 的工作,使用這些解決方案處理特定工作比起 CPU 來做要更有效率,我們稱之為 A 類:Assistant processor。第二類是藉由這些 PCIe 解決方案作為中繼站,讓電腦 CPU 可以與其他各種不同協議的介面溝通,我們稱之為 B 類(Bridge)。這裡各舉幾個 A 類及 B 類的應用實例。

 

A 類 :
1. GPU:包括 nVidia 或是 AMD 的顯卡都是這一類。大家最熟悉的是外接這些 GPU 顯卡之後可以在遊戲,VR 虛擬實境等等應用中大幅提升電腦效能。這一個領域確實有很大需求,不過真正強大的應用領域並不止於此。舉凡 CAD 電腦輔助繪圖,影音工程後製作,甚至是最熱門的人工智慧深度學習,這些應用都需要依靠 GPU 來完成。當原本的電腦只有 CPU 而沒有 GPU,或是原本的 GPU 效能不夠足以處理這些專業工作時,可以用 Thunderbolt 外接 GPU 的升級方式增強電腦效能。在影片後製作常常用到的 Red Rocket 卡,其實也屬於這一類。
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2. PCIe儲存裝置: 對於很多領域的專業人士,他們最重要的工作資產就是存放在電腦裡面的數位資料或是稱作檔案。現代影音解析度大幅提高,以及大數據資料量急速增加,使得這些檔案越變越大,需要越來越大的頻寬才能在合理的時間之內存取這些工作檔案。CPU 只負責做運算,而最有效的方式便是把這些工作檔案放在 CPU 可以直接存取的 PCIe 裝置上,而不需要再透過一層控制器存放到各式硬碟或是其他儲存媒體。 Samsung,Intel 以及許多 NAND flash 製造商提供了 NVMe SSD 就是以 PCIe 為介面達到最大效率及存取頻寬。Intel 新一代的 Optane 技術更是身兼記憶體與儲存裝置於一身,一方面作為 CPU 運算的暫存記憶區,又可以兼作工作檔案的快速存取。這些以 PCIe 為介面的儲存裝置,現在便可以使用 Thunderbolt 外接的方式成為電腦的周邊設備保留擴充性以及可攜帶性,不需內建在電腦裡面,卻又不犧牲速度效能。
Node Lite Optane SSD P4800X

3. RAID卡:  前段所提到的大檔案及大數據資料,隨著時間越久累積地越多越大,不能經常存放在電腦內部,而放在高速的 PCIe 儲存設備成本太高,所以需要放在可靠的外接儲存裝置。如果是個人小量資料,可能可以存放在雲端。但是當資料量太大,而且要求在很短時間能夠取得資料的情形下,以往在伺服器可以安裝一張 ARECA 或是 Highpoint RAID 控制卡來外接磁碟陣列,甚至作成磁碟陣列網路 SAN。 有了 Thunderbolt 介面之後,個人電腦作為工作站,電腦內部雖不能安裝 PCIe 卡,還是可以透過 Thunderbolt 介面(PCIe)外接連結這些 RAID 卡,而可以存取這些磁碟陣列的檔案資料。
PCIe storage

4. 音效處理: CPU 當然也可以處理音效。不過在專業音效工程師的工作中,他們仍需要專用的工具做進階處理。AVID 以及 Universal Audio 是這些音效工程師常用的 PCIe 卡,現在也可以經由 Thunderbolt 而變成外接裝置。
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B 類 :

1. 高速網路:  一般消費性產品用戶已經漸漸習慣並滿足於無線網路的頻寬及便利。但是在專業工作領域,時間就是金錢,不能為了傳輸大檔案而忍受增加幾分鐘甚至幾個小時的等待時間。但即使是使用有線網路,平常的電腦(尤其是筆記型電腦)最多只配備 1G Base-T 的網路端口,這樣的最大速度並不比最新一代的WiFi (802.11ac) 快。如果不變更既有的網路佈線,可以用 PCIe 網卡的方式把網速升級至 2.5G, 5G, 以及10Gbps。 如果使用光纖網路,更可以讓工作站到機房伺服器之間的連線達到 25G,40G, 100G, 甚至更快的網路速度。 AKiTiO 有搭售10G Base-T PCIe 網卡,Chelsio、Emulex、ATTO、Myricom 等等廠家有更高速或是光纖網路卡。這些都可以 Thunderbolt 外接的方式來提升工作電腦的網路速度。
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2. 影像擷取及播放:  AJA 以及 Blackmagic Design 是這個領域最常用的解決方案,他們兩家都有各式各樣介面與功能的影像擷取卡。這裡把這些 PCIe 卡歸類在 “B” 類,不過這些影像卡有些不僅僅只是提供介面轉接的作用,也還帶有部分影像處理,分擔 CPU 處理運算的功能,所以嚴格來說是 A+B 的綜合類型。
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3. 外接儲存裝置(不需RAID): 例如以 Thunderbolt 外接接一張 ATTO SAS 卡便可以支援磁帶機 LTO。
4. 使用PCIe卡提供新式電腦所不具有的舊介面:例如 Sonnet 及 Caldigit 等廠商便各自有此類支援 Firewire, eSATA 等等介面的 PCIe 卡。

 

以上所提到的這些應用,分別列在下述網頁這個相容性列表當中:http://www.akitio.com.tw/information-center/pcie-card-compatibility-chart

 

根據使用者所使用的電腦具備 Thudnerbolt 2 或是 Thunderbolt 3 介面,以及要安裝的 PCIe 卡的尺寸(全長/半長)和電源的需求,AKiTiO 設計並生產了 Thunder2 PCIe Box, Node Lite, 以及 Node 等等以 Thunderbolt 外接 PCIe 卡的產品以符合這些不同需求,大幅增加具有 Thunderbolt 介面電腦的泛用性,為各個專業領域提供快速便捷的解決方案。