發表數年的第三代通用序列匯流排(USB 3.0)已經在桌上型電腦、筆記型電腦、外接式硬碟、隨身碟等產品上隨處可見，而USB 3.0的增強版已經在2013年7月由USB 3.0推廣小組(USB 3.0 Promoter Group)正式揭露規格，且以USB 3.1之名，確立標準。USB 3.1可以提供10Gbit/s的傳輸速度，係USB 3.0的兩倍，將可以滿足對頻寬需求愈來愈高的新應用，例如超高畫質(UHD)電視、顯示器及固態硬碟(SSD)等應用需求，同時還能向下兼容第二代通用序列匯流排(USB 2.0)。
USB 3.1介面規格再升級
USB協會在USB 3.1規格裡定義了一些新名詞，將運作在5Gbit/s的USB標準稱為Gen 1，運作在10Gbit/s的方案則稱為Gen 2；而Gen X則代表可運作在5Gbit/s或10Gbit/s。如同USB 2.0介面叫做HighSpeed，USB 3.0介面稱為SuperSpeed，未來運行在10Gbit/s的介面稱之為SuperSpeedPlus，從圖1的USB 3.1 Logo可以做出識別。而Enhanced SuperSpeed則是指可以支援Gen 1或更高速度的統稱。總結如表1，圖2則是這些新名詞的參考模型。
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| 圖1 USB 3.1 SuperSpeedPlus Logo 圖片來源：USB-IF |
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| 圖2 USB 3.1新名詞參考模型 資料來源：USB-IF |
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整個USB 3.1新規格的系統架構目標很簡單，除希望達到USB 3.0兩倍的頻寬外，也希望擁有更佳的電源管理效率；此外也必須達成在現有的作業系統(OS)驅動程式上就能運作的目的。目標雖然訂的很簡單，但是對USB 3.1的晶片開發者而言，整個系統架構從實體層(Physical Layer)，到鏈接層(Link Layer)，再到協定層(Protocol Layer)，都必須對應做某些程度的修改，才能符合USB 3.1規範。
其中，改變最大的是實體層。為能達到10Gbit/s的高速傳輸效能，並且兼顧耗電表現，在半導體製程上，晶片開發者就必須選擇更高階的製程來相應。此外，5Gbit/s版本採用8b/10b編碼，但在10Gbit/s版本採用的則是128b/132b編碼。128b/132b編碼的位元數較多，其擁有更佳的傳輸效率(或較低的編碼損耗)，能達成更高的性能提升。
USB 3.0內部採用8b/10b編碼的訊號處理方式，因此資料傳輸時，表面上是10bit，實際上傳輸的訊號則是8bit，其資料通訊有20%的編碼損耗，因此USB 3.0實際的最高資料傳輸速度為5Gbit/s×8/10=4Gbit/s=500MB/s。
而USB 3.1內部採用128b/132b編碼的訊號處理方式，因此資料傳輸時，表面上是132bit，實際上傳輸的訊號是128bit，其資料通訊的編碼損耗只有3%(128/132=0.9697)，因此USB 3.1實際的最高資料傳輸速度為10Gbit/s×128/132=9.697Gbit/s≒1,212MB/s，是USB 3.0的2.4倍，而不僅僅是10Gbit/s與5Gbit/s單純的兩倍(表2)。
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其次，由於USB 3.1的高速傳輸物理特性，面臨更嚴苛的訊號衰減、干擾和反射的問題。在5Gbit/s版本中，從主控(Host)晶片端到裝置(Device)晶片端，USB協會過認證的要求是在長通道12英吋的印刷電路板(PCB)走線長度，加上3公尺長的纜線(Cable)。但是來到10Gbit/s版本，過認證的要求已經縮減至8英吋的PCB走線長度，加上1公尺長的纜線(圖3)。
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| 圖3 USB 3.1面臨更嚴苛的訊號完整性的挑戰 資料來源：USB-IF |
考量10Gbit/s訊號完整性而限縮PCB走線長度和纜線長度，難免會影響到應用上的使用彈性。例如在桌上型電腦中，通常必須在前背板和後背版皆提供USB埠供使用；在17吋以上的大型筆電中，也通常必須在左右兩邊的海岸線皆提供USB埠。這樣的應用範例中，Host晶片不論如何擺放，都很難達到每個USB埠到Host晶片的距離皆保持在4英吋以內，勢將無法滿足USB 3.1對訊號完整性的要求；而縮短到1公尺的纜線長度，同樣也會讓使用者的USB 3.1產品的擺放地點，受到些許限制。為解決這些應用上的限制，USB協會也在USB 3.1的規格中，新增加了USB Re-timing Repeater的規範，透過應用Re-timing Repeater晶片還原和放大USB訊號，讓PCB走線長度能大幅增加；或透過使用Re-timing Repeater晶片來製作USB主動式纜線(Active Cable)，可讓Cable長度增長到3公尺、5公尺甚至10公尺長，以滿足各種應用對PCB布局與長纜線的需求。
另外，在USB 3.1規格中，SuperSpeedPlus Hub和SuperSpeed Hub在架構上也有很大的不同，SuperSpeedPlus Hub變得更複雜，設計難度也變得更高。SuperSpeed Hub的架構如圖4，其中的SuperSpeed Hub Repeater/Forwarder，負責向上傳輸埠和向下傳輸埠的行為處理，對所收到來自向上傳輸埠和向下傳埠的封包做最小程度的緩衝，導引(Routing)與傳送封包至向上傳輸埠和向下傳輸埠。其中的SuperSpeed Hub Controller負責處理Host與Hub間的溝通。
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| 圖4 SuperSpeed Hub架構 資料來源：USB-IF |
SuperSpeedPlus Hub的架構如圖5所示。其中的SuperSpeedPlus Upstream Controller(SSP US Controller)，負責向上傳輸埠的行為，緩衝所收到來自向上傳輸埠的封包，緩衝並仲裁準備往向上傳輸埠傳送的封包，導引封包至適當的目的地。其中的SuperSpeedPlus Downstream Controller(SSP DS Controller)，負責向下傳輸埠的行為，緩衝所收到來自向下傳輸埠的封包，緩衝並仲裁準備往向下傳輸埠傳送的封包，導引封包至向上傳輸埠控制器。其中的SuperSpeedPlus Hub Controller負責處理Host與Hub之間的溝通。
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| 圖5 SuperSpeedPlus Hub架構 資料來源：USB-IF |
SuperSpeedPlus的Hub新增先儲存再傳輸(Store and Forward)的行為模式，這一模式可以帶來以下幾個優點–最大化Hub上傳頻寬的使用率、可提供Host Controller對於傳輸做更佳的排程、透過提高U1/U2的使用，達到更佳的電源管理。
至於如何最大化向上傳輸頻寬的使用率呢？Host Controller可以藉由對Hub的多個向下傳輸埠，併行發起多個IN request，而非同一時間只能對Hub的一個埠，由於同一時間有多個傳輸要往上傳送，勢必在Hub內部要有存儲空間來儲存準備向上傳輸的封包，與一個仲裁機制來決定傳輸的順序。
SuperSpeedPlus Hub所須增加的緩衝空間如下：
．在向上傳輸方向，每個向下傳輸埠接收器對非同步傳輸行為有16KB數據封包載體的緩衝空間，對同步傳輸行為也一樣有16KB數據封包載體的緩衝空間，以及各自有十六個數據封包標頭的緩衝空間給非同步傳輸行為和給同步傳輸行為。
．在向下傳輸方向，每個Hub對非同步傳輸行為有18KB數據封包載體的緩衝空間，對同步傳輸行為也一樣有18KB數據封包載體的緩衝空間，以及各自有十八個數據封包標頭的緩衝空間給非同步傳輸行為和給同步傳輸行為。
SuperSpeedPlus Hub的仲裁機制方式如下：
．交易封包優先於數據封包
．同步傳輸資料封包優先於非同步傳輸資料封包
．加權後的所有非同步封包使用公平的輪序傳輸(向上傳輸時)
．於當前傳輸封包接近結束前才啟動仲裁機制
透過這些新架構與機制，SuperSpeedPlus Hub將變得更聰明，可達到更佳的效能與省電效果。
Type-C連接器現身
Type-C連接器現身
著眼於現在行動電子產品輕薄化設計的趨勢，USB 3.0推廣小組在2013年12月宣布將開發新一代USB連接器，稱為Type-C連接器，預計在2014年中將可完成新規格制定工作。
Type-C連接器是以USB 3.1及USB 2.0技術為基礎所設計。除支援USB 3.1資料傳輸速度10Gbit/s，連接器尺寸將與USB 2.0 Micro連接器相當，接口也不再有方向性，同時Type-C也將支援可擴展充電(Scalable Power Charging)的功能，適用於未來智慧型手機等行動裝置的充電與高速資料傳輸。
新的Type-C連接器和USB既有的Type-A/B、Mini-A/B、Micro-A/B連接器最大的改變是連接器與接口不再有方向性，類似蘋果(Apple)所推出的Lightning連接器，將有正反面均可插入的功能，避免USB連接器因為正反面插錯而造成損壞。然而這樣設計的缺點就是它將無法相容於現有的各種USB連接器，並與現有的USB接口直接配接。因此Type-C規格中，也將會定義如何讓使用者可配接新Type-C連接器到既有的USB標準產品上的方式。
另一個Type-C連接器的主要目標，就是希望能取代既有的USB 2.0 Micro連接器，做為各種新行動裝置的標準傳輸線規格。過去USB 2.0 Micro連接器，被許多智慧型手機等行動裝置採用，但USB 3.0時代，Micro USB連接器寬度超過前代的兩倍，對於輕薄化的智慧型手機而言太寬，連接器機構設計的耐用度也不如前代，因此鮮少有智慧型手機採用USB 3.0 Micro連接器。手機廠為了讓新手機擁有USB 3.0的900毫安培(mA)高電流與高速傳輸優勢，又不適合採用標準的USB 3.0 Micro連接器，便自行設計特殊規格的連接器，造成手機傳輸線規格各家不相容。USB協會便希望能透過推出這新一代Type-C連接器，來統一行動裝置的傳輸線規格。這項新的業界標準，冀望能成為所有裝置在資料、電力、影音傳輸上都可通用的唯一介面標準。
USB 3.1滲透UHD影音應用市場
USB 3.1的傳輸速度來到10Gbit/s，頻寬需求高的視訊與資料存取裝置是最直接能受益的應用。隨著超高畫質(UHD)電視與顯示器日益普及，其視訊串流對頻寬的需求也更大，透過USB 3.1介面的高速資料傳輸，將能實現不須經過資料壓縮，就能支援UHD設備。另外，隨著SSD的技術精進，串列式先進附加技術(SATA)SSD現在動輒超過500MB/s的頻寬，USB 3.0已經不敷使用，透過USB 3.1，便能將速度拉高到PCI-e Gen3的水平，讓USB端不再是瓶頸。
然而回顧USB 3.0發展的歷程，當時由於從USB 2.0演進到USB 3.0有十倍速的精進，吸引眾多國內外晶片廠商看好市場潛力而紛紛投入，光是USB 3.0到SATA橋接晶片，就有超過十五家晶片廠商投入。目前出貨的PC與NB已是100%搭載USB 3.0，然而整體的USB 3.0周邊裝置應用滲透率，現在看來並不盡理想，雖然外接式硬碟已經全面轉換到USB 3.0介面，但如USB 3.0隨身硬碟、讀卡機等等的周邊應用，切換到USB 3.0的滲透率與進度，依舊大大不如預期，讓許多廠商鍛羽而歸，當時的十五家廠商，現在存活下來的只剩四到五家。因此雖然預期今年下半年就有機會看到USB 3.1的相關產品推出到市場上，大部分廠商對USB 3.1投入的積極度與熱度，遠遠不如當時的USB 3.0。
USB 3.1要能開啟應用，首先必須要有Host晶片問世。英特爾(Intel)與超微半導體(AMD)雖然一定會推出支援USB 3.1的晶片組，但它們會等到USB 3.1周邊裝置驗證到一定程度後才推出。而USB 3.0 Host獨立晶片的急先鋒瑞薩電子(Renesas Electronics)重整改革計畫後的產品組合，應該不會再投入USB 3.1 Host獨立晶片的開發。目前比較明確會投入USB 3.1 Host獨立晶片開發的公司，只有威盛旗下的威鋒電子、睿思科技和祥碩科技。
Host晶片之外，USB 3.1另一個很快會導入的應用，就是內含Hub晶片的擴充基座(Docking Station)。不論是英特爾之前力推的Ultrabook或現在主推整合平板電腦與NB的二合一(2-in-1)裝置，其超薄外形設計僅能搭載很有限的輸入/輸出(I/O)接口，使用者若要外接其他設備，例如連接電視、大螢幕、網路線、印表機等等，就會衍伸出擴充基座的需求。擴充基座通常是以一個USB埠連接NB，並提供四個、七個甚至更多的USB埠擴充外接功能或設備。當下行的多個USB埠都同時運作時，整體傳輸速度的瓶頸就落在對上的那一個USB埠身上，因此USB 3.1的導入，能讓擴充基座的效能明顯提升。
堪稱有史以來最受PC消費者歡迎的USB介面，在度過輝煌的PC年代，來到行動裝置主宰的時代，USB協會也不餘遺力的推出相應的規格來增加競爭力。除推出增強版10Gbit/s的USB 3.1以外，也已陸續確定USB Power Delivery和SSIC(SuperSpeed Inter-Chip)規範。USB Power Delivery規範的目的是透過主控與設備間溝通的機制，以階段提高電壓與電流的運作方式，讓USB埠電力的供給從USB 3.0的4.5瓦(W)、USB Battery Charging 1.2規範的7.5瓦，提高到最大達100瓦的程度，以取代各廠家不一致的交流對直流(AC-DC)電源供應器。而SSIC規範則是將USB的實體層替換成行動產業處理器介面(MIPI)低耗電、能自由調節速率的M-PHY實體層，讓USB介面能成為行動裝置內部晶片與晶片間的互連介面。還有USB Type C新連接器的規畫，都可以看出USB協會對趨勢的掌握與野心。
