高速串行传输之特性

今日只要提及「高速」一词，即与「串行」一词不可分，反之亦然，关于此原因无他，并列传输的线路间容易串音干扰（Cross Talk），以及各线路间需时序同步，初期虽能以增加数据宽度获得更高传输量，然数据宽度难以无限拓展，使其瓶颈渐现。

以PC而言，初期以并列方式传输的接口，于近年来均转变为串行接口，如ATA转变为SATA、SCSI转变为SAS、PCI转变为PCIe，以求获得更高的传输。又如网通设备领域所用的Rapid I/O亦转变为串行版，或在讲究效能的服务器系统上，也将DDR2 SDRAM的并列内存接口，透过AMB芯片转变成串行接口，此即是所谓的FB-DIMM，以此获得更高传输率。此外，旧接口以新接口取代，为了节省布线数及印刷电路板（PCB）面积，因此也多改换串行接口，如ISA接口换替成LPC接口。

《图一 在FB-DIMM内存子系统中，原有以并列方式传输的DDR SDRAM、DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM，透过AMB芯片（图中的Buffer方块）转换成串行传输，之后在与内存控制器连接 》 图片来源：Intel.com

串行具介质中立性

换替成串行的另2项好处是，一是较具介质中立性，今日可用铜箔、铜线传递，日后为求更快的传速或更远的传距，可从铜线改换成光纤，如IEEE 1394b、S/PDIF。反过来，原以光纤传输为主，也可以换替成较低廉的传输介质，如塑料材质的光纤（Plastic Optical Fiber；POF，光纤一般使用较贵的玻璃或石英材质），或换替成铜线，如车用多媒体接口MOST即可从光纤换替成铜线。此外也可能换替成红外线、无线电等无线传输，甚至IBM、Intel等均积极开发芯片内的高速光传输，以取代芯片内的高速铜线传输。

串行具韧体软件兼容性

另一是韧体、软件兼容性，并列传输一旦为加速而变更数据宽度，多半需要对应修改韧体、软件程序，然串行传输只需将传输频率提升即可获得加速，而原有韧体、软件程序则不需要任何修改，只需提升执行速度即可因应，如此可保障韧软件开发投资，减少额外开发心力，如前述的SATA、PCIe、SAS等均可兼容原有的ATA、PCI、SCSI韧软件程序。

进一步地，串行也适合依附于其他线路上进行传输，如车用的LIN接口即有衍生性的DC-LIN作法，可直接使用汽车电瓶的供电线路来进行通讯传输，又如HomePlug、MoCA等，直接取用家庭的电源电力线，或输送有线电视节目的同轴电缆线，进行信息传输。

并列传输仍具使用价值

或者，串行较具抗环境性，因此车用接口（如CAN、FlexRay）多采串行传输，工厂方面（如RS-232、RS-485）亦是，只是其应用并不需太高的速率。

串行传输虽有种种好处，但也有持续以并列方式加速的设计，如绘图处理器（GPU）即倾向使用更宽的数据宽度来增加视频存储器（Frame Buffer）传输效率，或FB-DIMM也并非全然受欢迎，许多运算系统选择从DDR2 SDRAM升级成DDR3 SDRAM，并增加接口信道数，此均是持续倚赖并列手法加速的例子。类似的，无线传输方面也倚赖并列方式加速，如运用MIMO的多天线同时收发方式以增加传量。

《图二 MIMO为增加发送端、接收端的天线，以扩增天线数的方式增加数据传量，此属并列提升速率手法 》 图片来源：ComputerLanguage.com

接口串行化技术共通性

由于串行传输有诸多益处，因此成为今日各类接口朝高速化发展的默契方向，而这些接口串行化发展将有何共通默契？以下将针对此进行讨论。

8b10b编码法

8b10b编码法是今日串行传输高速化的必要手段，无论是芯片间传输（Chip-to-Chip）、板卡间传输（Board-to-Board）、机箱间传输（Box-to-Box，或Chassis-to-Chassis），几乎都不约而同地采用此种编码码进行传递。使用8b10b编码法的串行传输接口不胜枚举，知名的即有PCIe、SATA、SAS、Serial Rapid I/O、InfiniBand、Fibre Channel、DVI、HDMI、XAUI、DisplayPort等。

上述的接口为订立之初即采8b10b编码法，然亦有许多接口最初并非使用8b10b编码法，而后续为了提升速率而改用8b10b编码法，如IEEE 1394a转变成IEEE 1394b，100Mbps以太网络转变成1Gbps以太网络，或如USB 2.0转变成USB 3.0等。

8b10b编码法将过往并列的数据线、频率线合并，即每传递10位的数据中，最末的2位为频率同步讯号，以致实质传量仅为80％，如SATA 2X宣称有3Gbps速率，实际上仅2.4Gbps，折合至并列则成300MB/Sec。不仅如此，8b10b多半也将控制数据与数据数据一并传递，如传统ATA（或称PATA）有个别独立的数据线、频率线、控制线，转换为SATA后，3类线路即合一传递，同一线路中时而传递实质数据、时而传递时序、时而传递控制命令。

不过，也并非所有高速串行传输均采合并传输的作法，如HyperTransport虽使用8b10b编码，然依然具有独立的频率线路，又如DVI、HDMI等亦具有参考性的独立频率线。另外，DisplayPort虽将数据、频率合一传递，但仍保有独立的控制命令传递线路。

《图三 HDMI虽使用8b10b编码法，然依然具有独立的频率传输信道 》 图片来源：ElecFans.com

半双工取代全双工

如前所述，信息系统发展初期多倾向使用并列传输，此自于直觉认为增加线路宽度可更快达到效率提升，而今则因提升遭遇瓶颈也纷纷转向。同样的，过往的线路多倾向半双工（half-duplex）设计，理由是运用同一线路上即可达到收发之效，线路上时而发送、时而接收，澈底发挥线路价值。

而今为了成就高速，半双工已不合时宜，取而代之的是全双工（full-duplex）作法，即一组线路专司发送，另一组线路专责接收，同时间既可发送亦可接收。以举例而言，USB 1.0/2.0即为半双工，而最新的USB 3.0则采全双工；过往的ATA采16-bit半双工，此时16-bit收、彼时16-bit发，而SATA则采2-bit全双工，随时都有1-bit收、1-bit发，但因为采高速率传递，因此整体效率超越传统ATA。

扩展连接范畴、连接器共享

强势的高速接口不断扩展延伸其应用范畴，如HyperTransport最初仅为芯片间传输，之后也增订出可用于板卡间传输的HTX，又如PCIe原为芯片、板卡层次的传输，之后也增订机箱间传输的Cabled PCIe标准。类似的，USB为机箱间传输，之后也发展出芯片间传输的Inter-Chip USB，甚至是无线版的Wireless USB：SATA也从机内连接延伸成机外连接的eSATA等。

《图四 HyperTransport（简称HT）最初（2001年）仅为芯片间的传输接口，而在2005年提出HTX新规范后，即进入板卡层次的连接 》 图片来源：HyperTransport.org

高速接口的另一趋势是连接器、连接线共享，例如SAS即直接使用SATA连接器、连接线，或是InfiniBand的接器、接线，或如ASI直接取用PCIe的接器、接线等。共享的优点在于省去额外制订、生产新型连接器、连接线，可强化现有接器、接线的量价均摊效益。

值得一提的是，弱势接口与强势接口均实行共享策略，如ASI属强势作为，以PCIe实体设计为基础，试图抢占原有的高速交换接口领域。相对的，SAS属弱势作为，由于原有的SCSI接口装置已属少量，在变成串行传输的SAS时若制订与发展新连接器，则在量价均摊上将持续处劣势，因此保留协议特点，直接借用SATA接头、接线，反为理想作法。

《图五 用于InfiniBand的连接器、接线，亦可用于SAS协议传输 》 图片拍摄：英文维基用户GreyCat

协议层与物理层的分离

高速化发展也使过去认为效率上不可行的换搭性传输逐渐可行，例如仅100Mbps的以太网络并不适合做为硬盘存取传输（此需66MB～133MB/Sec传量），然1Gbps版以太网络问世后即成可行，因而出现iSCSI及AoE（ATA over Ethernet）。

另外，部分接口为寻求普及化及更高的适用性，其新订立的衍生性标准允许使用其他实体传输线路，如IEEE 1394允许使用与以太网络相同的CAT 5e线路进行传输，如此线路成本较IEEE 1394专属线路低廉，单段线路的最大传输距离更长（1394专属线为4.5公尺，CAT 5e可达100公尺），然代价是速率降低，自400Mbps降至100Mbps。

《图六 AoE只取用以太网络的物理层布线，而iSCSI则是取用物理层外，协议层方面也取用TCP/IP。》

相互取代、排挤

高速化发展化也使各类接口产生取代、排挤效应，如过往储存局域网络（Storage Area Network；SAN）多采速率为1Gbps的光纤信道（Fibre Channel；FC）进行传递，理由为同时间的以太网络仅100Mbps速率，然以太网络提升至1Gbps后，开始出现与FC角色相同的iSCSI，此迫使FC往更高速的2Gbps、4Gbps速率发展，以维持区隔性。之后以太网络更推升至10Gbps速率，透过iWARP技术使其有机会取代InfiniBand。

无独有偶地，高速化发展的USB与外接化发展的SATA亦逐渐冲突，eSATA为因应USB的竞争，已考虑加速供电线路，此是eSATA过去不具备，但USB具备的功效。

《图七 内接的SATA（图左）与外接的eSATA（图右）因差动信号准位不同，其连接器亦不相同，而eSATA下一版将增订供电标准 》 图片拍摄：德国维基用户Smial

OFDM调变法

前述的接口均为功效纯一的接口，然有部分串行传输标准采附挂于原有的线路上进行传递，如ADSL运用电话线传递；HomePlug、HD-PLC等运用电力线传递；MoCA运用有线电视同轴电缆线传递。

由于附加的传递不能影响既有的线路运作功效，所以数字讯号必须经过调变才能进行传送，而为了达到高速传送，几乎都实行OFDM调变，使每个模拟波能尽可能携带更高的信息量。

举例而言，最初的HomePlug 1.0、1.0 Turbo未使用OFDM调变，因此速率仅14Mbps、85Mbps，之后新版的HomePlug AV使用OFDM调变，即使速率拉升至189Mbps。而MoCA则在最初版的标准中即实行OFDM调变，因而能超过100Mbps传量，之后的1.1版更达175Mbps。

与前述的各类高速接口相比，仅100、200Mbps传量似乎难称高速，然此是附搭作法的必然限制，且运用家用线路附搭，其线路质量、长度、连接装置数均不易掌握，因此规格制订上必须对此抱持宽忍，以致速率降低。而长距传递则更难维持高速率，如VDSL2仍能在300公尺内获得超过100Mbps的表现，然传递数公里的ADSL2+最高只能24Mbps。

不仅实体线路运用OFDM调变，无线传输为追求高速，亦多使用OFDM，如IEEE 802.11b Wi-Fi仅11Mbps，而使用OFDM调变的IEEE 802.11a Wi-Fi则可达54Mbps。WiMAX方面亦在IEEE 802.16d版后推翻过往不使用OFDM调变的标准，而全面改用OFDM。

《图八 运用OFDM调变技术不仅可获得更高的信息传输量，同时运用子信道（Subchannel）方式可让多方存取、多任务传输达到更有效的带宽资源运用。 》 图片来源：users.ece.utexas.edu

其他

图片来源：users.ece.utexas.edu

高速接口的其他趋势包括较低的延迟（Latency）、较低的耗占（Overhead）等。如高效运算中用的高速交换接口（Myrinet、Quadrics），或储存局域网络所用的FC网络，均强调其低延迟，即发送一信息后，在极短时间内即可送抵目标。相对的，传统以太网络有较大的传输延迟，发送信息后其送抵时间长短不一、时间差距大且间隔较长。

结语

高速接口的其他趋势包括较低的延迟（Latency）、较低的耗占（Overhead）等。如高效运算中用的高速交换接口（Myrinet、Quadrics），或储存局域网络所用的FC网络，均强调其低延迟，即发送一信息后，在极短时间内即可送抵目标。相对的，传统以太网络有较大的传输延迟，发送信息后其送抵时间长短不一、时间差距大且间隔较长。

展望未来，高速串行传输仍有诸多强化目标、努力方向，如高速以太网络先以光纤实现高速，之后改以较低廉的铜线实现，更之后则倾向用低廉的无屏蔽双绞铜线（Unshielded Twisted Pair；UTP）线材实现，以期望低价普及。

或如PCIe，其持续不断吸纳学仿高阶接口的机制功效，如过去InfiniBand才具备的I/O虚拟化（I/O Virtualization；IOV）机制，而今PCIe也具备。另外也开始附带强化供电传输能力，如eSATA尝试加入供电能力，USB 1.0/2.0已具备500mA@5V供电力，USB 3.0则进一步提升至900mA，或如PoE（Power over Ethernet）尝试在既有以太网络在线传递更高瓦数的电力，或在更高速的以太网络中亦能夹带电粒。