高速串列傳輸之特性

今日只要提及「高速」一詞，即與「串列」一詞不可分，反之亦然，關於此原因無他，並列傳輸的線路間容易串音干擾（Cross Talk），以及各線路間需時序同步，初期雖能以增加資料寬度獲得更高傳輸量，然資料寬度難以無限拓展，使其瓶頸漸現。

以PC而言，初期以並列方式傳輸的介面，於近年來均轉變為串列介面，如ATA轉變為SATA、SCSI轉變為SAS、PCI轉變為PCIe，以求獲得更高的傳輸。又如網通設備領域所用的Rapid I/O亦轉變為串列版，或在講究效能的伺服器系統上，也將DDR2 SDRAM的並列記憶體介面，透過AMB晶片轉變成串列介面，此即是所謂的FB-DIMM，以此獲得更高傳輸率。此外，舊介面以新介面取代，為了節省佈線數及印刷電路板（PCB）面積，因此也多改換串列介面，如ISA介面換替成LPC介面。

《圖一　在FB-DIMM記憶體子系統中，原有以並列方式傳輸的DDR SDRAM、DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM，透過AMB晶片（圖中的Buffer方塊）轉換成串列傳輸，之後在與記憶體控制器連接 》 圖片來源：Intel.com

串列具介質中立性

換替成串列的另2項好處是，一是較具介質中立性，今日可用銅箔、銅線傳遞，日後為求更快的傳速或更遠的傳距，可從銅線改換成光纖，如IEEE 1394b、S/PDIF。反過來，原以光纖傳輸為主，也可以換替成較低廉的傳輸介質，如塑膠材質的光纖（Plastic Optical Fiber；POF，光纖一般使用較貴的玻璃或石英材質），或換替成銅線，如車用多媒體介面MOST即可從光纖換替成銅線。此外也可能換替成紅外線、無線電等無線傳輸，甚至IBM、Intel等均積極開發晶片內的高速光傳輸，以取代晶片內的高速銅線傳輸。

串列具韌體軟體相容性

另一是韌體、軟體相容性，並列傳輸一旦為加速而變更資料寬度，多半需要對應修改韌體、軟體程式，然串列傳輸只需將傳輸時脈提升即可獲得加速，而原有韌體、軟體程式則不需要任何修改，只需提升執行速度即可因應，如此可保障韌軟體開發投資，減少額外開發心力，如前述的SATA、PCIe、SAS等均可相容原有的ATA、PCI、SCSI韌軟體程式。

進一步地，串列也適合依附於其他線路上進行傳輸，如車用的LIN介面即有衍生性的DC-LIN作法，可直接使用汽車電瓶的供電線路來進行通訊傳輸，又如HomePlug、MoCA等，直接取用家庭的電源電力線，或輸送有線電視節目的同軸電纜線，進行資訊傳輸。

並列傳輸仍具使用價值

或者，串列較具抗環境性，因此車用介面（如CAN、FlexRay）多採串列傳輸，工廠方面（如RS-232、RS-485）亦是，只是其應用並不需太高的速率。

串列傳輸雖有種種好處，但也有持續以並列方式加速的設計，如繪圖處理器（GPU）即傾向使用更寬的資料寬度來增加視訊記憶體（Frame Buffer）傳輸效率，或FB-DIMM也並非全然受歡迎，許多運算系統選擇從DDR2 SDRAM升級成DDR3 SDRAM，並增加介面通道數，此均是持續倚賴並列手法加速的例子。類似的，無線傳輸方面也倚賴並列方式加速，如運用MIMO的多天線同時收發方式以增加傳量。

《圖二　MIMO為增加發送端、接收端的天線，以擴增天線數的方式增加數據傳量，此屬並列提升速率手法 》 圖片來源：ComputerLanguage.com

介面串列化技術共通性

由於串列傳輸有諸多益處，因此成為今日各類介面朝高速化發展的默契方向，而這些介面串列化發展將有何共通默契？以下將針對此進行討論。

8b10b編碼法

8b10b編碼法是今日串列傳輸高速化的必要手段，無論是晶片間傳輸（Chip-to-Chip）、板卡間傳輸（Board-to-Board）、機箱間傳輸（Box-to-Box，或Chassis-to-Chassis），幾乎都不約而同地採用此種編碼碼進行傳遞。使用8b10b編碼法的串列傳輸介面不勝枚舉，知名的即有PCIe、SATA、SAS、Serial Rapid I/O、InfiniBand、Fibre Channel、DVI、HDMI、XAUI、DisplayPort等。

上述的介面為訂立之初即採8b10b編碼法，然亦有許多介面最初並非使用8b10b編碼法，而後續為了提升速率而改用8b10b編碼法，如IEEE 1394a轉變成IEEE 1394b，100Mbps乙太網路轉變成1Gbps乙太網路，或如USB 2.0轉變成USB 3.0等。

8b10b編碼法將過往並列的資料線、時脈線合併，即每傳遞10位元的數據中，最末的2位元為時脈同步訊號，以致實質傳量僅為80％，如SATA 2X宣稱有3Gbps速率，實際上僅2.4Gbps，折合至並列則成300MB/Sec。不僅如此，8b10b多半也將控制數據與資料數據一併傳遞，如傳統ATA（或稱PATA）有個別獨立的資料線、時脈線、控制線，轉換為SATA後，3類線路即合一傳遞，同一線路中時而傳遞實質資料、時而傳遞時序、時而傳遞控制命令。

不過，也並非所有高速串列傳輸均採合併傳輸的作法，如HyperTransport雖使用8b10b編碼，然依然具有獨立的時脈線路，又如DVI、HDMI等亦具有參考性的獨立時脈線。另外，DisplayPort雖將資料、時脈合一傳遞，但仍保有獨立的控制命令傳遞線路。

《圖三　HDMI雖使用8b10b編碼法，然依然具有獨立的時脈傳輸通道 》 圖片來源：ElecFans.com

半雙工取代全雙工

如前所述，資訊系統發展初期多傾向使用並列傳輸，此自於直覺認為增加線路寬度可更快達到效率提升，而今則因提升遭遇瓶頸也紛紛轉向。同樣的，過往的線路多傾向半雙工（half-duplex）設計，理由是運用同一線路上即可達到收發之效，線路上時而發送、時而接收，澈底發揮線路價值。

而今為了成就高速，半雙工已不合時宜，取而代之的是全雙工（full-duplex）作法，即一組線路專司發送，另一組線路專責接收，同時間既可發送亦可接收。以舉例而言，USB 1.0/2.0即為半雙工，而最新的USB 3.0則採全雙工；過往的ATA採16-bit半雙工，此時16-bit收、彼時16-bit發，而SATA則採2-bit全雙工，隨時都有1-bit收、1-bit發，但因為採高速率傳遞，因此整體效率超越傳統ATA。

擴展連接範疇、連接器共用

強勢的高速介面不斷擴展延伸其應用範疇，如HyperTransport最初僅為晶片間傳輸，之後也增訂出可用於板卡間傳輸的HTX，又如PCIe原為晶片、板卡層次的傳輸，之後也增訂機箱間傳輸的Cabled PCIe標準。類似的，USB為機箱間傳輸，之後也發展出晶片間傳輸的Inter-Chip USB，甚至是無線版的Wireless USB：SATA也從機內連接延伸成機外連接的eSATA等。

《圖四　HyperTransport（簡稱HT）最初（2001年）僅為晶片間的傳輸介面，而在2005年提出HTX新規範後，即進入板卡層次的連接 》 圖片來源：HyperTransport.org

高速介面的另一趨勢是連接器、連接線共用，例如SAS即直接使用SATA連接器、連接線，或是InfiniBand的接器、接線，或如ASI直接取用PCIe的接器、接線等。共用的優點在於省去額外制訂、生產新型連接器、連接線，可強化現有接器、接線的量價均攤效益。

值得一提的是，弱勢介面與強勢介面均採行共用策略，如ASI屬強勢作為，以PCIe實體設計為基礎，試圖搶佔原有的高速交換介面領域。相對的，SAS屬弱勢作為，由於原有的SCSI介面裝置已屬少量，在變成串列傳輸的SAS時若制訂與發展新連接器，則在量價均攤上將持續處劣勢，因此保留協定特點，直接借用SATA接頭、接線，反為理想作法。

《圖五　用於InfiniBand的連接器、接線，亦可用於SAS協定傳輸 》 圖片拍攝：英文維基使用者GreyCat

協定層與實體層的分離

高速化發展也使過去認為效率上不可行的換搭性傳輸逐漸可行，例如僅100Mbps的乙太網路並不適合做為硬碟存取傳輸（此需66MB～133MB/Sec傳量），然1Gbps版乙太網路問世後即成可行，因而出現iSCSI及AoE（ATA over Ethernet）。

另外，部分介面為尋求普及化及更高的適用性，其新訂立的衍生性標準允許使用其他實體傳輸線路，如IEEE 1394允許使用與乙太網路相同的CAT 5e線路進行傳輸，如此線路成本較IEEE 1394專屬線路低廉，單段線路的最大傳輸距離更長（1394專屬線為4.5公尺，CAT 5e可達100公尺），然代價是速率降低，自400Mbps降至100Mbps。

《圖六　AoE只取用乙太網路的實體層佈線，而iSCSI則是取用實體層外，協定層方面也取用TCP/IP。》

相互取代、排擠

高速化發展化也使各類介面產生取代、排擠效應，如過往儲存區域網路（Storage Area Network；SAN）多採速率為1Gbps的光纖通道（Fibre Channel；FC）進行傳遞，理由為同時間的乙太網路僅100Mbps速率，然乙太網路提升至1Gbps後，開始出現與FC角色相同的iSCSI，此迫使FC往更高速的2Gbps、4Gbps速率發展，以維持區隔性。之後乙太網路更推升至10Gbps速率，透過iWARP技術使其有機會取代InfiniBand。

無獨有偶地，高速化發展的USB與外接化發展的SATA亦逐漸衝突，eSATA為因應USB的競爭，已考慮加速供電線路，此是eSATA過去不具備，但USB具備的功效。

《圖七　內接的SATA（圖左）與外接的eSATA（圖右）因差動信號準位不同，其連接器亦不相同，而eSATA下一版將增訂供電標準 》 圖片拍攝：德國維基使用者Smial

OFDM調變法

前述的介面均為功效純一的介面，然有部分串列傳輸標準採附掛於原有的線路上進行傳遞，如ADSL運用電話線傳遞；HomePlug、HD-PLC等運用電力線傳遞；MoCA運用有線電視同軸電纜線傳遞。

由於附加的傳遞不能影響既有的線路運作功效，所以數位訊號必須經過調變才能進行傳送，而為了達到高速傳送，幾乎都採行OFDM調變，使每個類比波能盡可能攜帶更高的資訊量。

舉例而言，最初的HomePlug 1.0、1.0 Turbo未使用OFDM調變，因此速率僅14Mbps、85Mbps，之後新版的HomePlug AV使用OFDM調變，即使速率拉升至189Mbps。而MoCA則在最初版的標準中即採行OFDM調變，因而能超過100Mbps傳量，之後的1.1版更達175Mbps。

與前述的各類高速介面相比，僅100、200Mbps傳量似乎難稱高速，然此是附搭作法的必然限制，且運用家用線路附搭，其線路品質、長度、連接裝置數均不易掌握，因此規格制訂上必須對此抱持寬忍，以致速率降低。而長距傳遞則更難維持高速率，如VDSL2仍能在300公尺內獲得超過100Mbps的表現，然傳遞數公里的ADSL2+最高只能24Mbps。

不僅實體線路運用OFDM調變，無線傳輸為追求高速，亦多使用OFDM，如IEEE 802.11b Wi-Fi僅11Mbps，而使用OFDM調變的IEEE 802.11a Wi-Fi則可達54Mbps。WiMAX方面亦在IEEE 802.16d版後推翻過往不使用OFDM調變的標準，而全面改用OFDM。

《圖八　運用OFDM調變技術不僅可獲得更高的資訊傳輸量，同時運用子通道（Subchannel）方式可讓多方存取、多工傳輸達到更有效的頻寬資源運用。 》 圖片來源：users.ece.utexas.edu

其他

高速介面的其他趨勢包括較低的延遲（Latency）、較低的耗佔（Overhead）等。如高效運算中用的高速交換介面（Myrinet、Quadrics），或儲存區域網路所用的FC網路，均強調其低延遲，即發送一資訊後，在極短時間內即可送抵目標。相對的，傳統乙太網路有較大的傳輸延遲，發送資訊後其送抵時間長短不一、時間差距大且間隔較長。

至於耗佔則是指為了實現傳遞，於實質資料傳輸量外的控制資訊傳量、偵錯更錯資訊量、封包檔頭及協定相關資訊等，此方面必須愈少愈理想，以保留更高的頻寬供傳遞實質資料。

結語

展望未來，高速串列傳輸仍有諸多強化目標、努力方向，如高速乙太網路先以光纖實現高速，之後改以較低廉的銅線實現，更之後則傾向用低廉的無屏蔽雙絞銅線（Unshielded Twisted Pair；UTP）線材實現，以期望低價普及。

或如PCIe，其持續不斷吸納學仿高階介面的機制功效，如過去InfiniBand才具備的I/O虛擬化（I/O Virtualization；IOV）機制，而今PCIe也具備。另外也開始附帶強化供電傳輸能力，如eSATA嘗試加入供電能力，USB 1.0/2.0已具備500mA@5V供電力，USB 3.0則進一步提升至900mA，或如PoE（Power over Ethernet）嘗試在既有乙太網路線上傳遞更高瓦數的電力，或在更高速的乙太網路中亦能夾帶電粒。

此外高速介面也嘗試支援、呼應更多構型標準，如PCIe、USB支援ExpressCard，PCIe支援Mini Card、ExpressModule（過去稱為Server I/O Module；SIOM）等。由此可知高速串列傳輸仍有極大的發展性，最不需擔心的反而是速率。未來需擔心的將是如何更低廉實現傳輸、如何兼具更多功效、及如何擴展其運用？