完全看懂 Intel 新介面：10Gbps 超高速 Thunderbolt

Intel 推出新的外接傳輸介面 Thunderbolt，擁有驚人的 10Gbps 傳輸速率，其速度更勝於 USB 3.0 以及 SATA 6Gbps 介面。目前 MacBook Pro 已經採用此介面，以及一些企業級產品也逐漸引入，從表現效能來看，Thunderbolt 的發展值得大家期待。

儲存應用相關傳輸介面，近幾年正值改朝換代的高峰期。推行時間達2年的USB 3.0與SATA 6Gb/s，雖然稱不上普及，但已經被市場廣為接納採用。然而這2項技術並非唯一的高速解決方案，在傳輸效率與多元應用等要求下，例如Thunderbolt與超高速固態硬碟， 紛紛轉向採用PCI-E匯流排介面。

外接傳輸介面誰與爭鋒

USB 3.0承襲以往的所有優點，具有相容性廣泛與製造成本低廉等優勢，並大幅改善資料傳輸效率，因此能夠快速普及到個人電腦市場。儘管USB 3.0完全取代IEEE 1394陣營，成為新一代高速傳輸介面熱門人選，卻得提防在一旁虎視眈眈的Thunderbolt。

由Intel主導開發的Thunderbolt，是項能夠承載多種傳輸協定的底層連接技術，擁有驚人的10Gbps傳輸速率，資料傳輸頻寬更勝於SATA 6Gbps介面。其應用特性和USB相當接近，不過基於建置成本等因素，想取代USB 3.0未必容易。但是充裕的傳輸頻寬與串接架構等優點，在專業與企業儲存應用上，未來發展相當值得期待。

▲ 現階段的Thunderbolt控制晶片，仍為Intel自行設計製造生產。

儲存傳輸介面趨勢轉變

無獨有偶，SATA 6Gb/s也對上同樣來自Intel的戰略佈局武器NVM Express和mSATA。mSATA是以SATA傳輸協定為基礎，只不過改採用PCI-E Mini Card的接腳與裝置型式。在桌機平台，可搭Z68晶片組的Intel Smart Response Technology混合磁碟功能使用，至於應用在筆電環境，則是能夠取代佔空間的2.5吋儲存裝置。

事實上，尚未全面普及的SATA 6Gb/s介面，其理論頻寬已經快被第3世代高速固態硬碟塞爆。mSATA值得注意的地方在於，除了兼容於SATA訊號，又能以PCI-E匯流排與系統連結，可突破SATA 6Gb/s頻寬枷鎖。NVM Express具有同樣的利基點，改以PCI-E匯流排取代SATA介面，能為超高速固態硬碟提供充足頻寬，展現高達1GB/s以上的傳輸速度。

10Gbps超高速電火球

USB 3.0發展的同時，Intel正在醞釀自家傳輸介面技術Light Peak。這項以光纖傳導訊號的技術，最早在2009年IDF開發者論壇上揭露，後於今年初正式推出時正名為Thunderbolt。其中最為人津津樂道的，莫過於高達10Gbps的傳輸速率，遠超越其他傳輸介面。

個人電腦常見傳輸介面頻寬比較
傳輸介面	傳輸速率
Thunderbolt	10Gbps
USB 3.0	5Gbps
USB 2.0	480Mbps
IEEE 1394a	400Mbps
SATA 6Gb/s	6Gbps
SATA 3Gb/s	3Gbps
eSATA	3Gbps
Gigabit網路	1000Mbps
IEEE 802.11n	450Mbps

Intel專利非關Apple

部分人對Thunderbolt的認知，是來自採用該技術的Mac產品，因為現階段也就只有Apple桌機與筆電支援。無論叫Light Peak或Thunderbolt都好，這項技術很明確是由Intel開發，Apple不過是第一個搭載Thunderbolt主控制器的電腦平台而已。

即便如此，Intel現階段端出來的菜，仍和其遠大的夢想有段差距。在Light Paek原始構想中，規劃以光纖傳導訊號，然而現階段的方案，是採用銅纜線傳輸。因為光纖傳輸相關裝置成本高，除了要價不低的光電轉換器外，還有不耐曲折，身嬌肉貴的光纖線材成本問題，對個人電腦平台來說是項不利因素。

銅纜線帶電更好用

相較於SATA 6Gb/s和USB 3.0，Thunderbolt表定傳輸速率規格，宣稱每個埠都能提供獨立雙向10Gbps傳輸頻寬。其訊號線材連接器標準，沿用Mini DisplayPort規格，1條線即可同時傳遞PCI-E和DisplayPort這2種訊號，能夠和現有DisplayPort顯示器相容。

▲ Thunderbolt能以單一纜線，同時傳輸PCI-E匯流排與DisplayPort影音訊號，連接至Thunderbolt周邊裝置，或是具備DisplayPort介面的顯示器。

此外，Thunderbolt支援菊花鏈串接模式（daisy chain），最多能夠串連7個周邊裝置。串接鏈中可包含1∼2個高解析度DisplayPort介面顯示器，只不過必須連接在其他裝置的最後面。在現有銅纜線架構上，每條線材的長度限制為3公尺，經由串接仍可符合個人電腦平台普遍的長度需求。而且還能夠提供10W電力，遠高於USB 3.0的4.5W。

值得留意的是，儘管光纖版本理論線材長度可達100公尺，但反而缺少了供電能力。對個人電腦平台來說，使用銅纜線不僅成本低廉許多，使用體驗也更趨近於USB，除了單一線材長度限制外，其實優點是多過於光纖。

▲ 由於DisplayPort顯示器只有1 個輸出入介面，因此在Thunderbolt規範中，顯示器必須連接在最末端。如果主控端具備多組連接埠，將2種訊號裝置分開連接，就不會受到這項限制。

▲ Thunderbolt連接器端子和Mini DisplayPort規格相容，但是DisplayPort線材只能用在串接鍊末端，連結顯示器使用。至於Thunderbolt專屬線材，則是可以連接這原生周邊裝置，以及DisplayPort顯示器。

傳輸介面或橋接器？

真要說起Thunderbolt底層架構為何，將它視為傳輸介面的橋接轉換器，答案會變得相當簡單易懂。因為它並非全新設計的介面，而是整合PCI-E匯流排與DisplayPort介面於一體，實現PCI-E外接裝置的可能性，並同時擁有DisplayPort能傳輸影音訊號的優點。

從架構來說，Thunderbolt的通訊協定層（protocol layer），實為PCI-E和DisplayPort，並不包含原創技術。Intel透過低延遲同步訊號，將前述2項訊號映射到通用傳輸層 （common transport layer），進行資料封包處理，再傳輸至目標裝置。 優點為系統仍可辨識裝置的原始訊號規格是PCI-E還是DisplayPort，且沿用電腦系統中標準的驅動程式。

延伸閱讀：

Intel Light Peak 換換名， Thunderbolt 是啥米？

Intel：PC 們也可以玩 Thunderbolt

Computex 2011：Intel 用 Apple Mac 展示超高速 Thunderbolt

＜後面還有：Thunderbolt的應用介紹，以及架構解析和速度體驗＞

應用彈性充滿想像

在各式Thunderbolt裝置晶片大量普及前，光是相容PCI-E訊號這點，就具有相當高的可玩性。例如USB 3.0外接磁碟陣列，普遍做法是採用支援RAID功能的USB 3.0介面晶片來設計。

在Thunderbolt架構下，以容易取得的PCI-E介面RAID控制器，加上Thunderbolt控制器即可完成設計。也許反映出來的成本大不同，但設計彈性、功能性以及效能，可輕易超越USB 3.0。

其他包含eSATA、FireWire介面，以及音效、影音剪輯卡、電視卡等，任何採用PCI-E匯流排介面設計的晶片，都能經由Thunderbolt轉變為外接裝置型式。特點是只需要1條傳輸線，就能夠將所有裝置串接連結起來，甚至能獲得必要的驅動電力。

相較於以往各式傳輸介面，能夠大幅簡化繁雜的規格區別辨識，以及線材連接管理的不便。與其說Thunderbolt是項全新的技術，將它視為統整各式外接傳輸介面的標準，會更為貼切。

裝置主攻專業用途

目前已推出的Thunderbolt周邊裝置，是以儲存、影像擷取和轉接器為主，且屬於專業應用範疇。像Promise Pegasus R4和PegasusR6、Sonnet Fusion E400與E800，這些多硬碟磁碟陣列儲存系統，是目前最能夠展現Thunderbolt速度優勢的產品。至於LaCie Little Big Disk和Sonnet Fusion F2TBR，同為2bay、2.5吋硬碟設計，且內建RAID功能的外接可攜式儲存裝置，價格相對容易讓一般使用者接受。

至於影像擷取裝置，說起來也許不算太新奇，因為功力大增的USB 3.0，也會有這類應用周邊推出。目前已知有Blackmagic UltraStudio 3D、Matrox MX02，這2款高畫質機種推出，是各式高速儲存設備的好夥伴，可以構成完整的應用環境。不過這畢竟是專業領域產品，價格和多硬碟磁碟陣列一樣高貴，動輒30,000元起跳，一般人當然用不到。

台灣只能望梅止渴

相較下， 轉接器雖然像個小玩具，但是價格與應用彈性，也不同於前述產品。Promise SANLink是款光纖通道轉接器（fibre channel adapter），能夠讓配備Thunderbolt的電腦， 透過光纖通道快速存取SAN設備。至於Sonnet's推出的Echo Express PCIe 2.0 Expansion Chassis，可以用來安裝各類型PCI-E介面卡，並直接轉換為Thunderbolt的道具。

不過價格最實惠的，大概是同樣來自Sonnet's，且百分百屬於轉換器的Allegro FW800 Thunderbolt Adapter、Presto Gigabit Ethernet Thunderbolt Adapter，體積小且正如其名，提供IEEE 1394b或Gigabit高速乙太網路轉換功能。但是很抱歉，前述產品幾乎沒有在台灣銷售，除了Promise可以買到外，其他的要各憑本事從國外弄進來。

外接應用型態轉變

相較於傳統，Thunderbolt最大的意義，在於能夠一改外接裝置的輔助角色，成為主要配備。最好的範例就是影音剪輯，所有素材一開始就儲存在Thunderbolt外接磁碟陣列，進 行剪輯並輸出儲存結果，不需要繞道經過電腦上的硬碟。這和以往使用USB、IEEE 1394等裝置，通常得在電腦端完成處理作業，才傳輸進這些裝置儲存備份，體驗截然不同。

撇開成本差異不談，Thunderbolt不見得，也不需要全面取代USB 3.0。因為將PCI-E匯流排變成可外接，在高速傳輸應用擁有更好的揮灑空間，未來的多元應用相當令人期待。只是目前並不支援Windows環境，還得乖乖等候Intel釋出主控制器與驅動程式，提供給介面卡廠商製作成獨立控制卡。甚至是整合進主機板晶片組，才能藉由為數眾多的Windows電腦平台，加快普及速度。

Thunderbolt架構解析

在現有主控制器架構中，是取用4條PCIE 2.0通道，再加上DisplayPort視訊介面訊號。至於影音介面為何選擇DisplayPort而非HDMI，答案很簡單，因為DisplayPort是免授權金的工業標準，能夠降低總和成本。

就現實面而言，目前採用Thunderbolt主控晶片的電腦，全為Intel自家Sandy Bridge平台。由於PCI-E 2.0每1通道的傳輸頻寬為500MB/s，整併4條通道可得2GB/s頻寬（雙向傳輸為4GB/s），取用PCH晶片內建的通道，對應 10Gbps（1.25GB/s頻寬）傳輸速率的Thunderbolt綽綽有餘。此外，Core i內顯支援原生DisplayPort訊號輸出，也能夠滿足Thunderbolt主控晶片的訊號需求。

▲ Thunderbolt底層架構分為3個部分，主要由通訊協定層（取自PCI-E與DisplayPort）、通用傳輸層（common transport layer）、電子／光學訊號層（electrical／optical layer，相當於實體層）構成，最終輸出至纜線與接頭（cable and connector）。

通用傳輸層負責為通訊協定層的各類訊號，進行資料封裝與解封裝工作，佔有絕對關鍵性位置。從架構看來，雖然目前只能支援PC I-E和DisplayPort，只要Intel有心，要將USB 3.0、FireWire等任何介面納入，也並非難事。

▲ 目前推出Thunderbolt線材的廠商仍為少數，因此價格難免高出一截。以Apple官網銷售的自家產品為例，要價高達1,550元！

Thunderbolt速度體驗

• 廠商：喬鼎資訊
• 電話：03-578-2395

Promise Pegasus R4為4bay機種，硬碟架相容3.5吋與2.5吋硬碟，單顆硬碟最高支援容量為2TB，且內建支援RAID 0、1、5、6以及10等磁碟陣列模式。機身只配備2組Thunderbolt連接埠，在菊鏈式串接架構下，最多可以連接6台Pegasus裝置，是再純 種不過的產品。就產品價格而言，包含4顆1TB硬碟要花上31,240元，相當於1部NAS的價位，享受新科技的代價並不低。

至於傳輸效能部分，使用MacBook Pro搭配AJA Syste Test測試軟體，驗證Thunderbolt傳輸性能。執行Sweep Binary Frame Sizes、Sweep Video Frame Sizes、Disk Read/Write測試時，設定為4GB容量檔案大小與720 x 486 8-bit條件，RAID 0模式跑出500MB/s左右的速度，與4顆硬碟總和理論傳輸速度相當。

嚴格說來，USB 3.0、eSATA機種也可以達到同等效能表現，現階段比較容易吸引到的玩家，也許只有Mac族群而已。至於相對開放，且硬體選擇性多的Windows環境，由於Intel尚未納入支援，只能看測試數據過過乾癮而已。

▲ DiskRead/Write測試：存取速度達寫入430.7MB/s、讀取226.5MB/s。

▲ Sweep Binary Frame Sizes測試：存取速度達寫入576.6MB/s、讀取471.4MB/s。

▲ Sweep Video Frame Sizes測試：存取速度達寫入577.3MB/s、讀取472.0MB/s。

 

延伸閱讀：

Promise Pegasus R4 磁碟陣列， Thunderbolt 傳輸效能實測

＜後面還有：高速固態硬碟往PCI-E發展＞

儲存裝置跳槽PCI-E

礙於SATA傳輸介面頻寬限制，高速固態硬碟所採用介面，開始出現轉向PCI-E匯流排發展的趨勢。

PCI-E介面不卡速

這項轉變透露出，現今各式傳輸介面規格發展，未必能跟上相關應用裝置的頻寬需求。除了儲存裝置，包含Thunderbolt、USB 3.0等傳輸介面，也紛紛轉進採納PCI-E底層技術。某程度上來說，PCI-E 2.0、1.0的實際可用資料傳輸頻寬，其實和SATA之類介面相當。但是基於可合併多條資料通道，倍增傳輸頻寬的優點，因而成為熱門解決方案。

儲存裝置出現這樣的轉變，一點也不令人感到意外。畢竟固態硬碟已經成功打入企業市場，透過多顆儲存裝置建構RAID，雖然能提升存取效率，卻佔空間且增加維護管理的不便。這時候善用PCI-E匯流排頻寬與通道配置彈性，改為介面卡式設計（PCI Express based Solid-State Drives），反而更加簡單俐落。這些介面卡式固態硬碟，普遍採用4∼8條PCI-E 2.0通道設計，理論可用頻寬在2GB/s∼4GB/s之間。

傳輸速度破GB/s

如開頭提過的OCZ這類產品，早先大多是以標準型固態硬碟控制器，搭配磁碟陣列控制器組成。由於磁碟陣列控制器可能是PCI-X之類介面，必要時還得加上PCI-E橋接晶片，以構成完整的方案。

即便這樣設計是合併2至4組固態硬碟，透過RAID 0壓榨出傳輸效率，對使用者而言，它都只是「1」個實體硬體裝置。通常只會佔用1個匯流排插槽空間，且可以堆疊子卡擴增容量，最小從50GB起跳，最高可達TB等級。

省空間且不需要額外的磁碟陣列控制器，也不會佔用多組SATA連接埠，還有一堆煩雜擾人的線材，是這類介面卡式固態硬碟最大優點。使用上唯一不同處，就是得安裝驅動程式，以便讓系統認得磁碟陣列控制器。

SATA傳輸介面與PCI-E匯流排頻寬比較
規範	傳輸速率	理論頻寬	最高總頻寬
PCI-E 1.x	2.5GT/s	250MB/s	8GB/s
PCI-E 2.x	5GT/s	500MB/s	16GB/s
PCI-E 3.x	8GT/s	1GB/s	32GB/s
SATA 6Gb/s	6GT/s	600MB/s	N/A
SATA 3Gb/s	3GT/s	300MB/s	N/A

 

企業應用主導發展

為滿足企業用戶的需求， 這項趨勢轉變， 已經引起各大廠的注目。Micron推出更為進化的架構設計，將固態硬碟與磁碟陣列控制器全整合在一起，取代那些經過多層晶片轉換，可能存在效能瓶頸的設計架構。首款產品命名為RealSSD P320h，雖然容量只有350GB和700GB選擇，但是標榜存取速度亦可達到2∼3GB/s水準。

至於相當容易取得的OCZ產品，包含消費端的RevoDrive，以及RevoDrive 3、Z-Drive、 VeloDrive等商業級產品線，也進化成採用自家原生PCI-E介面磁碟陣列控制器，只是並未包含固態硬碟控制器。OCZ普遍採用SandForce固態硬碟控制器，在VCA 2.0虛擬化控制器架構（Proprietary Virtualized Controller Architecture）下，最高能達到3GB/s的傳輸速度。

▲ OCZ新架構設計的RevoDrive 3，120GB參考價格為16,900元，存取速度可達讀取975MB/s、寫入875MB/s。但是以標準2.5吋機種，經RAID 0組合出120GB容量，只要8,000∼10,000元的花費。因此介面卡式固態硬碟是否值得，得視平台硬體配備狀況，以及應用需求而定。

NVM Express一統江湖

如你所見，有越來越多高速固態硬碟，改採用PCI-E匯流排介面設計，而且並非廠商土砲自爽。由數十家相關廠商組合而成的NVMHCI （Non-Volatile Memory Host Controller Interface，非揮發記憶體主機控制器介面）工作小組，在年初頒佈NVMExpress 1.0版本規範，讓PCI-E固態硬碟有統一設計規範可以遵循。

NVM Express規範定義了最佳化暫存器介面（register interface）、指令集，以及功能集，讓PCI-E固態硬碟能夠支援64個I/O佇列，且每個佇列可執行64K指令。此架構意在最佳化多核心系統設計，讓每個核心能夠執行佇列與中斷指令，達到多線程同時運作的能力，確保固態硬碟發揮出最佳執行效能。

▲ NVM Express組織logo。該組織由Intel領導，包含SandForce、Marvell、Micron、 Dell、EMC、STEC等廠商，皆為主要成員。

面對目前五花八門的PCI-E固態硬碟設計，包含硬體元件開發、系統設計，以及驅動程式開發人員，未來在NVM Express規範底下，可以縮短產品研發時程與成本。理論上，作業系統廠商也只需要撰寫1套驅動程式，就可以支援各式符合規範的產品。

mSATA通吃雙訊號

Intel除了投入制定NVM Express規範，口袋裡還有針對行動平台最佳化設計的mSATA方案，SSD 311系列固態硬碟就是採用這樣的規格。mSATA相容於SATA訊號，但是改採用PCI-E Mini Card尺寸與接腳設計，相較於2.5吋機種可減少約80％體積，特別適合輕薄型筆電、小筆電、手持裝置等行動平台採用。

值得注意的是，mSATA連接器和PCI-E Mini Card完全相容，電路實做除了連接至SATA控制器外，也能透過PCI-E匯流排介面與系統連結。可同時兼容2種訊號的mSATA，取用SATA 6Gb/s、SATA 3Gb/s或是PCI-E 2.0 x1（傳輸頻寬500MB/s）頻寬，能帶來新的應用方式。

行動平台標準化

在行動裝置與超輕薄筆電上，可採用full size或half size的mSATA固態硬碟模組，做為儲存裝置。常規筆電則是更好的發揮平台，以容量小但效能高的固態硬碟當系統開機碟，另搭配標準2.5吋傳統硬碟機，提供充裕的資料儲存空間。相較於裝置廠商以往的設計方式，mSATA能夠減少產品設計開發時程，並且降低成本。

但如果你認為Intel的規劃藍圖僅只於此，可就小看他了！事實上，Intel也將mSATA納入桌上型電腦平台參考設計中，Mini-ITX主機板與工業控制用電腦，都是首選發展舞台。

mSATA搭ISRT加速

相信大家都注意到，技嘉率先跟進風潮，將mSATA整合進主機板產品線。GA-Z68XP-UD3-iSSD這款焦點產品，採用Intel Z68晶片組設計，出廠已經預設配置20GB容量的Intel SSD 311系列固態硬碟。現階段應用除了當系統開機碟外，主要是能搭配Z68晶片組內建的Intel Smart Response Technology功能，為傳統硬碟提供Hybrid混合磁碟加速效果，理論上能提升3∼4倍的執行效率。

▲ 技嘉GA-Z68XP-UD3-iSSD採用Z68晶片組，出貨預設配置20GB容量mSATA固態硬碟，可單純使用或搭配ISRT為傳統硬碟加速。

不過稍嫌可惜的是，這組合只能以SATA 3Gb/s訊號和系統連結，因此當mSATA啟用時，將無法使用第5組SATA連接埠。而且目前的BIOS版本也無法選擇開啟或關閉mSATA模組，等於是強迫買了就得使用它，注定少1組SATA連接埠可用。

筆者認為，無論Intel將mSATA導入個人電腦主機板，是否存在更遠大的目的。假使能完整同時兼容SATA與PCI-E訊號，可望帶來更多的應用彈性。

延伸閱讀：

看懂 USB 3.0：為什麼很快？架構完整大介紹

＜更多內容請參考86期電腦王＞

加入T客邦Facebook粉絲團