Intel平臺雷電系統都有哪些部分組成?TBT控制器、Retimer都是什麼?又是怎麼連線的?

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繼Connect Standby之後,雷電和USB4系統變得越來越龐雜,很有希望“榮得”筆電最複雜子系統的“桂冠”。在給終端使用者帶來極大便利的同時,讓負責enable它的硬體、軟體和韌體工程師分外頭疼。各種PD、Retimer、PHY名詞,叫著xxx Bridge亦或JHLxxxx的晶片的對應關係,以及它們是怎麼組織起來的,讓很多初入此門的工程師困惑不已。同時也困擾著想了解雷電系統的組成,從而深入瞭解筆電系統,並評判其好壞的電腦愛好者。

說起來也許你不相信,在最新的12代Intel酷睿(Alderlake,ADL)平臺上,全功能雷電子系統,光是各種微控制器和它們的韌體就有十幾個!有的器件整合到了CPU中,韌體整合到了BIOS中(IFWI中);有的器件在主機板上,是單獨的晶片,但韌體也和BIOS整合在一起;而有一些器件則器件和韌體都在主機板上,但可以由BIOS負責升級。整合到CPU的器件自不必說,各個外圍器件都有著自己的程式碼(xxx Bridge)和正式編號(JHLxxxx),它們的拓撲連線關係更是有個演變過程。為了讓韌體和硬體開放人員對各個器件的功能和連線關係有個清晰認知,本文將從Intel平臺Thunderbolt3(TBT3)時代開始介紹各個器件和連線關係,從而讓各位讀者有個整體認知。也許這樣對各位瞭解雷電系統的工作原理更有所助益。

雷電子系統拓撲結構的演進

Intel引入雷電系統已經有很長時間了。早在2008年開始研發,最初代號“Light Peak”,並最早出現在蘋果產品中。它本質上是一種管道技術,在高速管道(Tunnel)中可以傳輸各種協議,現在常見的就是DP通道、PCIe通道,和USB通道了:

在Intel WhiskeyLake(Gen8)平臺的時候,筆電或者桌上型電腦要支援TBT3,需要在主機板上整合代號叫做 Titan Ridge 的JHL7440主控晶片。它和CPU、PCH的推薦連線關係如下:

來源:WikiChip

可以看到一個Titan Ridge支援兩個TBT3 port,PCIe和USB連線到PCH,DP部分則從CPU集顯DP口引出。這時候重點解決的是能不能用的問題,Titan Ridge提供了TBT3的所有功能,是當時雷電平臺的主流方案。但這個方案不少問題:獨立的TBT3消耗了不少寶貴的電能;獨立的JHL7440晶片較貴(現在還11$左右),需要額外佈線,這些都增加了BOM成本;獨立的JHL7440往往在主機板一邊,因為訊號衰減問題,主機板另外一邊往往不能提供TBT支援。

Intel在Icelake(Gen10)中,將TBT控制器整合進入了CPU中,併為瞭解決訊號衰減問題,強制要求所有支援TBT的主機板,必須整合Retimer,從此Retimer這個在PCIe 4.0和PCIe 5.0中常見的概念引入,和PD快充一起變成了TBT的標準組成部分:

來源:WikiChip

注意這個Type-CIO包含DP、PCIe和USB3.1的各個協議。

那麼Retimer是什麼呢?我們在PCIe 4.0之後經常看到它,因為頻率地增加,訊號衰減很快,在傳輸不遠後,眼圖很快會閉合。為了增加傳輸距離,必須對訊號進行加強。Retimer實際上是一種訊號增強器晶片,它和Re-driver類似,但又有所提高。我們可以把它理解為一種訊號中繼器。關於PCIe的Retimer,我們在介紹PCIe 6.0的時候再詳細討論。

Intel TBT的Retimer也是一種訊號增強器晶片,它增強了TBT的Rx和Tx,讓它們在主機板上能夠傳輸更長的距離。Intel提供兩種Retimer,分別叫做: Burnside Bridge ,型號是JHL8040R和JHL8010R,價格2美金多,主要用於裝置端; Delta Bridge ,主要用於線纜中。

Intel推薦CPU到Retimer的走線長度不超過9英寸,而Retimer到Type C埠的長度不超過1.5英寸。如果不夠,可以採用Retimer級聯的形式,像這樣:

儘管Burnside Bridge Retimer只要2美金多,但中低端筆電廠商秉承蒼蠅也是肉的一貫理念,也進行了閹割。在很多4000塊左右的筆電中只提供USB4而不提供TBT,從而節省了Retimer和額外佈線的成本,但走線長度受到一定製約。另外需要指出的是Retimer除了Intel的兩款,還有幾家第三方Retimer的,但這些驗證工作Intel並不保證,需要廠家自己除錯。

Intel在Tigerlake(Gen11)和Alderlake(Gen12)中將CPU內建的TBT控制器升級成TBT4。為了進一步擴大市場份額,在2020年推出兩款獨立TBT4控制器晶片: Goshen Ridge /JHL8440(11.35$)和 Maple Ridge /JHL8540:

來源:Intel

TBT4獨立晶片的推出,讓AMD陣營也可以用上TBT4技術,某些搭載AMD的筆電已經採用該晶片,也有不少採用第三方晶片。

結論

相信看到這裡,同學們已經對TBT子系統的組成和各個器件型號十分了解了。最後我們來大概看一下整合進CPU中的TBT控制器,而Maple Ridge結構稍有不同,但原理相似:

來源:Intel

這個圖稍微清楚一點:

來源:WikiChip

首先是名詞解釋:

CIO RouterThunderbolt Converged IO Router

FIA:Flexible IO Adapter

PHY連線到IO Adapter上,再由CIO Router根據協議的不同,轉接到DP、USB或者PCIe上,最後連線到Fabric上(實際是PSF),和CPU中其他部分通訊。

PCIe的Retimer將在我們介紹PCIe 6.0後,專文解釋它和PCIe Riser的關係。敬請期待。

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