面向USB3.1的有源高速连接:让下一代连接植入“中国芯”大连接呼唤“小”连接术

信息产业正在进入大连接时代，人与人、人与物、物与物的连接，将突破千亿规模。每一个连接，将可能产生无尽的比特。而每一个比特，都需要连接：传输、交换、存贮、分析、计算。大连接需要连接术，5G、光宽带网、SDN/NFV等解决的是大网络的连接；而每个设备之间、数据中心的每个服务器、每个端到端硬件，都需要连接术。在主导厂商掌控大连接术之外，具体设备的“小”连接术似乎并不被业界重视，然而，正是这些具体的连接术，从一个层面决定整个网络的效能与速度，成为产业技术的“命门”。现在，大连接术在重构，而小连接术将面临什么变革：是成为网络的瓶颈，还是成为比特的加速器？

连接决定速度，但电磁兼容是“魔鬼”

众所周知，通信由硬变软，而SDN和NFV广泛应用让这种趋势更为深入。数据中心、服务器已经取代传统意义上通信网络的机房，成为通信网络的主要基础设施。与此同时，小小的服务器连接线，伴随海量服务器的部署，已经催生出一个近千亿美元的大市场。

市场之外是技术。传统意义上的连接线缆只是在塑胶里包裹着铜线，是无源传输。要想增加传输速率，只能缩短铜线长度，同时使铜线变粗降低损耗，就使得传统线缆进化得更粗更短。但是在大连接时代，数据中心要求更多的服务器连接在一起，完成速率更快的数据传输，越来越粗短的传统线缆已经“捉襟见肘”。正像手机电池的突破依赖于缓慢发展的物理化学的进步一样，连接线的突破，依赖于对电磁兼容的突破。而电磁兼容，却是所有信息技术中最基础、也最难变革的技术。作为全球首屈一指的电磁兼容科学家，范峻另辟蹊径的创新，正有望打破大连接的瓶颈。

范峻接受《通信产业报》（网）记者专访时称：“电磁兼容主要是解决提高信号强度，提高数据传输能力，降低噪声干扰，提高信噪比，降低电磁辐射和提高抗干扰能力。”电磁兼容是一门科技也是一门艺术，既依赖于对技术的基础研究和深刻理解，也需要丰富的经验和“手艺”。电磁兼容是所有电子设备的基础技术和影响因素，制约设备的性能。无论是无线基站天线、交换路由设备，还是服务器存储器，抑或是手机终端设备，甚至是连接线，电磁兼容都是设计的前置因素。越是简单或细小的东西，电磁兼容因素越大。连接线便是一例。传统的电磁兼容理念已经让目前的连接线设计“山穷水尽”。

这位领导着全美排名第一的电磁兼容实验室科学家对记者说，目前在连接线的电磁兼容技术面临三大挑战。一是创新思想与设计理念的欠缺，制约对下一代联网技术的适应；二是在突破频率、速率、能耗等关键因素的基础研究不够；三是设计工具和方法需要提高。

USB 3.1的出现，更是对连接技术及电磁兼容提出了更高的要求。USB3.1是最新的USB规范，由英特尔等公司发起。其数据传输速度提升可至10Gbps。大数据的吞吐量、无损传输、更长传输的要求，传统连接线已经不能适应要求。范峻说：“我们必须换一种思路。”

范峻早年毕业于清华大学电子工程系无线电相关专业，获得本科及硕士学位，后留学美国密苏里大学罗拉分校，从事电磁兼容问题研究。目前范峻在美国密苏里科技大学任教授，负责该校的电磁兼容实验室。该实验室被誉为美国排名第一的电磁兼容实验室。在美国国家科学基金委（NSF）资助的所有学科实验室中排名第四。范峻本人也是国际电气与电子工程师学会（IEEE）的会士、电磁兼容协会的学术顾问委员会主席，同时拥有14项核心的技术专利。

另辟蹊径：“中国芯”让连接改头换面

范峻突破电磁兼容在连接技术上是如何另辟蹊径呢？

范峻认为，面对大数据、广连接的要求，首先是要实现数据高速无误码的在不同系统间互相传输；其次，要把多样系统之间连接干扰降到最低。这就需要从电磁兼容与高速传输的整体要求上设计，同时考虑到USB的连接接口，创新电磁兼容研究方法，实现面向大连接的低损耗、高速率连接器。由此范峻研发了一项面向USB3.1标准的高速数据线缆技术，实现高速率、大距离的无损传输。

范峻表示，传统意义上，接插线和线板是一个连接的部件而已，而从系统角度上考虑，这并不是最优设计。范峻解释说，之前的连接线是传统的无源解决方案，简单地将信号放在铜线里传输。当速率更高时，这种铜线将无法适应。范峻的创新之处在于，变无源为有源，化损耗为补偿，完全突破了传统电磁兼容对连接线的束缚。范峻从电磁兼容和高速传输完整性的设计理论出发，在连接中增加了一个芯片，先对信号进行处理，再在连接线里植入有源的电路，对信号进行补偿、匹配等额外处理。这样虽然在信号高速传输时损耗增加，但是经过补偿后，信号仍可以在更长的距离上进行传输。范峻解释说，这种有源中继的思路，是这个创新的关键。

此外，在接插头、电缆线设计上，尽量减少信号在高速传输中的损耗和辐射。同时，还需创新优化线缆电磁屏蔽，做到不泄露、不辐射，既保证内部的信号不会泄露，同时外在的电磁噪声也不会耦合辐射到线路内部。

这种植入芯片的有源高速连接线会不会带来成本的增长呢？范峻对记者表示，新的有源线缆并不会变得很昂贵，价格不会增长，“因为硅的价格并不会高于提纯的铜的价格。”范峻表示，这种创新的芯片和连接技术，将会由中国企业在全球率先产业化。

范峻非常自豪地说：“现在这种植入‘中国芯’的创新设计，让连接线更长、速率更高、传输更稳定、价格却更便宜了。”范峻认为，这个设计是符合国际标准的，是国际上第一款有源线缆。同时已经得到了国外知名公司的认可，下一步将成为国际标准的一部分。

连接神器：突破技术命门，成就产业蓝海

相比于网络的重构，连接技术也在发生革命。从无源到有源，就是连接术的一次变革。也是中国突破产业“命门”的一次努力。迎合这种变革，将不仅支撑大连接时代的到来，也将催生连接市场的新蓝海。这种连接不仅体现在机房、数据中心等服务器端的连接线，更会在广泛的连接市场呈现。

智能终端应用便是一例。新近的iPhone7取消了耳机口，只保留闪电接口的设计。对此范峻教授表示：“新一代的USB接口是USB-C型接口，目前USB-C型线缆在手机、平板和个人电脑上的应用正在逐步扩大，未来将会成为所有电子产品的标配。这种接口将不仅是电源接口，也将是数据线、音视频等一切的接口。”

范峻创新的USB3.1标准的有源高速连接线产品正是USB-C型接口。范峻表示，目前传统的能保证信号完整性的超高速数据传输USB-C型线缆，长度通常不超过1米，而这款有源的USB-C型线缆，能做到传输速率翻倍，同时长度可以达到3米，这正解决了当前USB-C型线缆市场的痛点。“这款载有中国芯的有源USB-C型接口线缆产品将在今年年底。”范峻透露。

大连接下的小连接线，已经催生一个大市场。据联合市场研究（Allied Market Research）2015年报告预计，到2022年，全球整个电缆和连接器的商业市场将达到1253亿美元，亚太包括中国是最大并且增长最快的地区。而数据显示，仅面向服务器等的连接线市场，2015年的规模就超过600亿美元，并以13%速度增长。无疑，创新的面向USB3.1的有源高速连接技术，正在撬开一个巨大的蓝海市场。而在这个蓝海市场中，在范峻教授的努力下，中国产业将有望占得先机。

技术新知：USB3.1与USB-C型接口

USB3.1标准定型于1年前，到目前为止还没有任何设备出货。USB-C型接口适用于USB3.1标准，这种修订版本理论上可以将传输速度从USB3.0的5Gbps提升到10Gbps。Intel第一代Thunderbolt接口控制器已经可以提供10Gbps宽带传输速度，而新的第二代控制器传输速度可达20Gbps。但USB-C型接口的USB优势是使用的标准更广泛，它几乎适用于所有chipset和SoC。