A Response to COVID-19 From OWC Founder and CEO, Larry O'Connor

经常使用电脑或是 3C 产品的消费者大概都对 USB 不陌生。滑鼠连接到电脑,把手机里的照片复制到电脑里做编辑及整理,从网路下载一段影片存放在大拇哥,再插到电视播放出来,这些都是一般消费者熟悉以USB 作为传输介面的应用场景。其实,以 USB 作为 “通用” 的连结介面并不是一直都那么顺畅无阻,也不会永远都是标准。

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  回顾上个世纪九十年代 (确切地说,1996年) 当 Intel 推出 USB 规格并大力推广其应用时,那可以算得上是科技产业的 1 项创举及里程碑。在过去二十多年 USB 经历了至少三代演化,而且从电脑的周边也跨进消费性电子产品成为传输介面的主流。我们就从电脑科技产业在这段二十多年间的进程谈起,了解为什么这几年新兴Thunderbolt 的诞生可以视作另一次科技产业的革命,以及这个产业创新可以带给科技人哪些重要的应用。
thunderbolt 3

Computer 我们称作电脑,或是有人称作计算机,如果追根究底要用名字明确表达它的功用,可能要使用如下一长串形容词:数位资讯泛用高速运算处理机。这里笔者只想强调其中两个特性:“泛用” 以及 “高速”。
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高速的意思是说,电脑作为辅助人类工作的工具,很重要的因素是因为电脑的速度比人脑快。这里所指的速度包括运算速度对比人脑计算以及资料传输速度对比人的听说读写。既然使用这个工具的目的是要比人快,当然是速度越快越有价值。电脑 CPU 的效能 在过去四、五十年的进程一直遵循 Moore’s Law 所预测的,每 18 个月增快一倍。当运算速度及效能不断倍增的同时,人们对于资料传输速度的要求必然也是不断提高。

 

Thunderbolt 从第一代 (2011) 的 10Gb/s,第二代 (2013) 的 20Gb/s,到目前 Thunderbolt 3 的 40Gb/s,都是那一个时期速度最快的连接介面。
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读者可以从其他大量的技术文件或是评测文章找到Thunderbolt 与其他传输介面(包括USB 3.1 Gen2 ) 在速度上对比所具有的优势,本文不再赘述。但是另一方面,一般消费者可能会有误解,以为 Thunderbolt 的优势不过就是速度比较快。他们可能会提出质疑,是否一定要追求高速传输?即使承认高速传输是王道,除了速度之外是否还有其他动力一定要拥抱 Thunderbolt 这个新的传输介面?前面已经泄露了答案,关键在于电脑的泛用性。

 

人类发明电脑作为辅助工具,最开始的时候只是为了特定功能,例如最早的电脑,计算机,仅仅处理数位(0&1)的逻辑与算术运算。但是随着半导体技术的进步,电脑的核心,CPU 体积越来越小,运算速度越来越快,电脑演变成可以依照人类赋予的各种指令(程式),实现各式各样的应用。回想一下我们现在每天日常生活中需要使用“电脑”来达成哪些事:上网收发邮件以及社群网站(通讯),观看 YouTube 影片(影像处理),照片、档案整理(储存)等等,这些都不是简单的算术与逻辑运算,而是运用了电脑的泛用性。拜智慧型手机之赐,以上消费者的这些日常行为并不需要拿一台真的电脑到面前,而可以使用手机来完成,其实智慧型手机就是一部电脑,而且如果跟早期的电脑相比, 手机的效能可以算是那个时代的超级电脑。
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但是手机真的可以取代电脑吗?就用以上三个使用案例来说,通讯,影像处理,以及储存,如果通讯需要更大频宽在短时间内传输大量资讯,如果影像不是只有浏览而需要做编辑,如果需要更大更快的储存空间超过了手机内建的资源,那就需要使用电脑来完成工作。而在这些应用的专业领域,电脑更是因为“高速”以及 “泛用”两种特性成为执行这些专业工作不可或缺的工具。

 

电脑的核心是 CPU,虽然透过各式软体赋予任务可以使其具有泛用性来处理各类工作,但是以这个方式执行工作在每一个专业领域都不能达到专精。
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于是 CPU 的龙头Intel 在1992 年制定了 PCI( Peripheral Component Interconnect, 顾名思义,定义 CPU 与周边元件连结的协定) 这个介面,由其他各家 IC 厂商分别在各个专业领域中开发了解决方案,诸如以 GPU 来处理影像,以 RAID controller 来组织 RAID storage 等等。这些以特定专业领域为对象所开发的解决方案便可以透过 PCI 与电脑的核心 CPU 传递讯号,分担 CPU 负荷而能达到各专业领域所要求的工作品质与效能。 PCI 的规格历经数代演进,在 2004 年进化成 PCI Express 简称 PCIe,至今发展到 PCIe 3.x(注:PCIe 4.0 预计在 2017 年发布,但在本文撰稿时仍属于草案阶段,所以目前最新正式的 PCIe 规格仍是3.1)。

 

PCIe 以及其前身 PCI 维持了 CPU 作为“中央”处理器的地位以及其泛用性,而开放了与各种专用方案协作的管道。它的限制是这个介面的设计是以桌上型电脑,工作站,伺服器这种大型电脑或是内建装置为考量,并没有考虑作为外接式装置的介面。使用 PCIe 与 CPU 沟通的解决方案,需要内建在电脑主机板上,要不然就是在电脑上预留了 PCIe 插槽,能够安装这些解决方案作成的 PCIe 卡。为了支援外接式装置的便利性,规格设计上需考量合适的连接端子,由连接线供应电源,以及热插拔等等。在定义了 PCI 规格的 4 年之后,一样是由 CPU 龙头老大 Intel 在 1996 年定义了 USB,主要目的便是作为一个简单好用的外接端口,支援各式各样外接式应用,增进电脑的泛用性。
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可是对于 CPU 来说,它仍然是以 PCI/PCIe 作为对外的沟通管道,只是需要多增加一个中继翻译站与 USB 沟通。对于开发周边的解决方案的 IC 厂商看起来, 这时可以有两大类与 CPU 沟通的管道可以选择:没有移动需求的应用最好直接与 CPU 以 PCIe 沟通,可以达到最大速度与效能;不求最高效能但是需要随时可以插拔而有移动方便性的应用就选择 USB。问题来了。如果要求移动方便性,随着不同应用而需快速变换解决方案,可是也不能放弃效能而要求直接与 CPU 沟通,这怎么选择呢?这种两难的情形终于在 Thunderbolt 诞生之后解决了。

 

 Thunderbolt 最主要的精神就是把4-lane PCIe作成与USB一样方便的外接介面(注:Thunderbolt 协议另外的要点是还带了 DisplayPort 影像讯号,以及架构上使用串接的方式而不是一对多 HUB 的形式,不过这几个部分的规格不在本文讨论的范围内)。原本需要内建在电脑里面,或是插在大型电脑 PCIe 插槽上的解决方案,现在可以移到电脑的外部而具有可携带性,而且不牺牲与 CPU 直接沟通的效能。特别是自从 Thunderbolt 3 采用与 USB 一样的 USB-C 端口,而且 Intel 宣布自下一代 CPU 开始要把 Thunderbolt 功能直接加入到 CPU 里面之后,Thunderbolt 这个介面似乎就要一统天下,消弭过去 20 年来各种专业解决方案如何与CPU 沟通而遇到的两难选择。接下来我们就举一些实际的例子,藉由 Thunderbolt 把 PCIe 解决方案从电脑内部带到外部,实践在各种场景的应用。
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以下笔者把 PCIe 解决方案分成两大类,第一类是这些 PCIe 解决方案分担了电脑 CPU 的工作,使用这些解决方案处理特定工作比起 CPU 来做要更有效率,我们称之为 A 类:Assistant processor。第二类是藉由这些 PCIe 解决方案作为中继站,让电脑 CPU 可以与其他各种不同协议的介面沟通,我们称之为 B 类(Bridge)。这里各举几个 A 类及 B 类的应用实例。

 

A 类 :
1. GPU:包括 nVidia 或是 AMD 的显卡都是这一类。大家最熟悉的是外接这些 GPU 显卡之后可以在游戏,VR 虚拟实境等等应用中大幅提升电脑效能。这一个领域确实有很大需求,不过真正强大的应用领域并不止于此。举凡 CAD 电脑辅助绘图,影音工程后制作,甚至是最热门的人工智慧深度学习,这些应用都需要依靠 GPU 来完成。当原本的电脑只有 CPU 而没有 GPU,或是原本的 GPU 效能不够足以处理这些专业工作时,可以用 Thunderbolt 外接 GPU 的升级方式增强电脑效能。在影片后制作常常用到的 Red Rocket 卡,其实也属于这一类。
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2. PCIe储存装置: 对于很多领域的专业人士,他们最重要的工作资产就是存放在电脑里面的数位资料或是称作档案。现代影音解析度大幅提高,以及大数据资料量急速增加,使得这些档案越变越大,需要越来越大的频宽才能在合理的时间之内存取这些工作档案。 CPU 只负责做运算,而最有效的方式便是把这些工作档案放在 CPU 可以直接存取的 PCIe 装置上,而不需要再透过一层控制器存放到各式硬碟或是其他储存媒体。 Samsung,Intel 以及许多 NAND flash 制造商提供了 NVMe SSD 就是以 PCIe 为介面达到最大效率及存取频宽。 Intel 新一代的 Optane 技术更是身兼记忆体与储存装置于一身,一方面作为 CPU 运算的暂存记忆区,又可以兼作工作档案的快速存取。这些以 PCIe 为介面的储存装置,现在便可以使用 Thunderbolt 外接的方式成为电脑的周边设备保留扩充性以及可携带性,不需内建在电脑里面,却又不牺牲速度效能。
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3. RAID卡:  前段所提到的大档案及大数据资料,随着时间越久累积地越多越大,不能经常存放在电脑内部,而放在高速的PCIe 储存设备成本太高,所以需要放在可靠的外接储存装置。如果是个人小量资料,可能可以存放在云端。但是当资料量太大,而且要求在很短时间能够取得资料的情形下,以往在伺服器可以安装一张 ARECA 或是 Highpoint RAID 控制卡来外接磁碟阵列,甚至作成磁碟阵列网路 SAN。有了 Thunderbolt 介面之后,个人电脑作为工作站,电脑内部虽不能安装 PCIe 卡,还是可以透过 Thunderbolt 介面(PCIe)外接连结这些 RAID 卡,而可以存取这些磁碟阵列的档案资料。
PCIe storage

4. 音效处理: CPU 当然也可以处理音效。不过在专业音效工程师的工作中,他们仍需要专用的工具做进阶处理。 AVID 以及 Universal Audio 是这些音效工程师常用的 PCIe 卡,现在也可以经由 Thunderbolt 而变成外接装置。
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B 类 :

1. 高速网路:  一般消费性产品用户已经渐渐习惯并满足于无线网路的频宽及便利。但是在专业工作领域,时间就是金钱,不能为了传输大档案而忍受增加几分钟甚至几个小时的等待时间。但即使是使用有线网路,平常的电脑(尤其是笔记型电脑)最多只配备 1G Base-T 的网路端口,这样的最大速度并不比最新一代的WiFi (802.11ac) 快。如果不变更既有的网路布线,可以用 PCIe 网卡的方式把网速升级至 2.5G, 5G, 以及10Gbps。如果使用光纤网路,更可以让工作站到机房伺服器之间的连线达到 25G,40G, 100G, 甚至更快的网路速度。 AKiTiO 有搭售10G Base-T PCIe 网卡,Chelsio、Emulex、ATTO、Myricom 等等厂家有更高速或是光纤网路卡。这些都可以 Thunderbolt 外接的方式来提升工作电脑的网路速度。
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2. 影像撷取及播放:  AJA 以及Blackmagic Design 是这个领域最常用的解决方案,他们两家都有各式各样介面与功能的影像撷取卡。这里把这些PCIe 卡归类在“B” 类,不过这些影像卡有些不仅仅只是提供介面转接的作用,也还带有部分影像处理,分担CPU 处理运算的功能,所以严格来说是A+ B 的综合类型。
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3. 外接储存装置(不需RAID): 例如以 Thunderbolt 外接接一张 ATTO SAS 卡便可以支援磁带机 LTO。
4. 使用PCIe卡提供新式电脑所不具有的旧介面:例如Sonnet 及Caldigit 等厂商便各自有此类支援Firewire, eSATA等等介面的PCIe 卡。

 

以上所提到的这些应用,分别列在下述网页这个相容性列表当中:http://www.akitio.com.tw/information-center/pcie-card-compatibility-chart

 

根据使用者所使用的电脑具备Thudnerbolt 2 或是Thunderbolt 3 介面,以及要安装的 PCIe 卡的尺寸(全长/半长)和电源的需求,AKiTiO 设计并生产了 Thunder2 PCIe Box, Node Lite,以及 Node 等等以 Thunderbolt 外接 PCIe 卡的产品以符合这些不同需求,大幅增加具有 Thunderbolt 介面电脑的泛用性,为各个专业领域提供快速便捷的解决方案。