تکامل کانکتورهای USB: 12 روند برتر فناوری اتصالات
20 سال گذشته به دلایل خوبی ، دهه های اختلال نامیده شده است. در این مدت، فناوری‌ها و محصولات جدیدی معرفی شده‌اند، به اوج خود رسیده‌اند و با سرعتی بی سابقه، منسوخ شده‌اند.
تشخیص سرعت یک فناوری مخرب می تواند بر محصولات پیشرفته فعلی تأثیر بگذارد، می تواند در پیش بینی تغییرات و ایجاد پاسخ مناسب به تقاضاهای بازار برای ارتقای مداوم عملکرد، هم در سطح سیستم و هم در سطح اجزا، مفید باشد.
این اولین مقاله از مجموعه مقالاتی است که به بررسی پیشرفت های عمده‌ای که در 20 سال گذشته در صنعت الکترونیک رخ داده است، می پردازد.
|
2000
|
2010
|
2020
|
|
USB 1.0 @ 1.5Mb/s
|
USB 3.0 @ 5Gb/s
|
USB 4 @ up to 40Gb/s
|
|
Blackberry
|
iPhone
|
Smartphones as an interface device
|
|
3G cellular
|
4G cellular
|
5G cellular
|
|
3.125Gb/s NRZ
|
25Gb/s NRZ
|
112Gb/s PAM4
|
|
Rise of data centers
|
Cloud computing
|
Edge / Fog computing
|
|
Copper circuits
|
Increasing fiber options
|
Silicon photonics / expanded beam technology
|
|
Many proprietary connectors
|
Licensed second-sourced connectors
|
Rise of open component / system standards
|
|
PCIe 1.0 @ 2.5GT/s
|
PCIe 3.0 @ 8GT/s
|
PCIe 5.0 @ 32 GT/s
|
|
10Gb Ethernet
|
40/100Gb Ethernet
|
200/400Gb Ethernet
|
|
Multilayer enhanced FR4 backplanes
|
Multilayer high-performance laminate backplanes
|
Orthogonal midplane, cable backplanes twinax cabling
|
|
Chip feature size 90nm
|
Chip feature size 32nm
|
Chip feature size 5-10nm
|
|
Antenna TV
|
Cable TV
|
Streaming TV
|
کانکتورهای گذرگاه سریال جهانی
عملکرد هر دستگاه محاسباتی می‌تواند با محدود کردن ظرفیت آن برای پذیرش و تحویل داده‌ها به دنیای خارج به شدت تحت تاثیر قرار بگیرد.
یک گلوگاه داده در پنل وvdرودی/خروجی (I/O) باعث کاهش توان عملیاتی اطلاعات تا ظرفیت کمترین بازده پورتال usb می شود.
برای سال‌های متمادی، انواع مختلفی از کانکتورهای 15 و 25 پین D-شکل مینیاتوری، قادر به ارائه نرخ داده ورودی/خروجی کافی برای دستگاه‌های جانبی بودند. این کانکتورها، که ابتدا در کاربردهای نظامی مورد استفاده قرار می‌گرفتند، به دلیل پین‌ها و سوکت‌های قابل اعتماد و پوسته‌های مقاومشان، این کانکتورها با قیمت های مصرف کننده به نسخه های تجاری تغییر یافتند و به یک استاندارد واقعی تبدیل شدند.
و در همه نوع از اتصالات ویدیویی گرفته تا برنامه های رابط ماوس و صفحه کلید استفاده می شدند. با افزایش تقاضا برای نرخ داده از کیلوبایت به مگابایت، و فضای موجود برای اتصال خارجی، نیاز به رابط‌های کانکتور جدید به وجود آمد. در سال 1996، کنسرسیومی از رهبران صنعت الکترونیک انجمن اجراکنندگان USB را تشکیل دادند و اولین نسخه از رابط Universal Serial Bus را منتشر کردند.
مشخصات بهبود یافته USB 1.1 با هدف جایگزینی مجموعه‌ای از رابط‌های موجود که سازگاری میان دستگاه‌های جانبی در حال گسترش را تهدید می‌کردند، منتشر شد. که شامل فلش مموری و هارد اکسترنال، اسکنرها و پرینترها بود.
رابط اولیه USB، با سرعت انتقال 1.5 مگابایت بر ثانیه، از یک کانکتور مستطیلی کوچک با کنتاکت‌های برگ و نیروی درج کم استفاده می‌کرد که توانایی هزاران بار اتصال و جدا شدن را داشت. این کانکتور فقط در یک جهت جفت می‌شد که به حفظ قطبیت صحیح کمک می‌کرد.
یکی از مزایای اصلی USB این بود که علاوه بر انتقال داده، امکان انتقال برق را نیز فراهم می‌کرد و این ویژگی به دستگاه‌ها اجازه می‌داد بدون منبع تغذیه خارجی کار کنند. در این رابط، کنتاکت‌های سیگنال به گونه‌ای طراحی شده‌اند که به کنتاکت‌های برق اجازه می‌دهند ابتدا متصل شوند. این ویژگی که به آن "اتصال نری-مادگی داغ" می‌گویند، یکی از قابلیت‌های کلیدی USB است. به همین دلیل، پیکربندی‌های استاندارد USB نوع A و B به سرعت محبوب شدند و به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گرفتند.
توسعه‌های بیشتر USB
رابط USB یک مثال عالی از استانداردی است که به مرور زمان تکامل یافته تا نیازهای عملکرد و بسته‌بندی صنعتی را برآورده کند. استاندارد USB 2.0 که در سال 2000 منتشر شد تا 480 مگابیت بر ثانیه رتبه بندی شد.
علاوه بر حفظ همان فاکتورهای فرم A و B، دو نسخه مینیاتوری نیز معرفی شدند: USB Mini-A و B. تراکم سیگنال رابط را برای رسیدگی به بازار رو به رشد دستگاه های قابل حمل بهبود بخشیدند. این نسخه‌ها تراکم سیگنال را افزایش دادند تا بتوانند به بازار رو به رشد دستگاه‌های قابل حمل مانند لپ‌تاپ‌ها و تبلت‌ها پاسخ دهند، زیرا این دستگاه ها، فضای محدودی را به پورت های ورودی/خروجی اختصاص می دهند. کانکتورهای Micro A و B نیز فضای کمتری در دستگاه‌ها اشغال می‌کردند. همچنین، امکان انتقال همزمان داده‌ها و برق، استفاده از این کانکتورها را برای کلاس‌های جدیدی از تجهیزات باز کرد. این کانکتورهای کوچک شده به سرعت به یک استاندارد در برنامه های شارژ تبدیل می شوند.
ارتقاء به USB 3.0 و USB 3.1:
در سال 2011، نسخه USB 3.0 معرفی شد که چندین پیکربندی جدید را ارائه داد و سرعت انتقال داده‌ها را به 4.8 گیگابیت بر ثانیه افزایش داد. USB 3.1 Gen 2 سرعت انتقال داده‌ها را به 10 گیگابیت بر ثانیه رساند و به دنبال آن، و نسخه USB 3.2 با سرعت 20 گیگابیت بر ثانیه منتشر شد که باعث سردرگمی بین کاربران شد.
یک کانکتور 9 پین به نام "Superspeed USB" دارای دو ردیف کنتاکت است تا امکان استفاده از پروفایل استاندارد پوسته A و همچنین سازگاری الکتریکی با عقب را فراهم کند.
استاندارد فعلی
USB Type-C جدیدترین و سریع‌ترین رابط USB است و در نهایت این مشکل را حل کرد که نسخه‌های قبلی نیاز به اتصالات فقط در یک جهت داشتند. USB-C از یک رابط 24 پین متقارن ناهموار استفاده می کند که قابل برگشت است.
نه تنها 60 درصد کوچکتر از نوع A است، بلکه اکنون دارای نرخ انتقال 10 گیگابیت بر ثانیه است و می تواند تا 100 وات برق را نیز توزیع کند است.
انجمن اجرایی USB همیشه به دنبال بهبود و ارتقاء استانداردها است. در سپتامبر 2019، مشخصات USB 4 را معرفی کرد. کانکتورهای این نسخه همچنان از نوع C هستند، اما فناوری Intel Thunderbolt 3 را نیز با نرخ انتقال تا 40 گیگابیت بر ثانیه پشتیبانی می‌کنند. USB 4 با پروتکل‌های USB Type-C، USB 3.2، DisplayPort و Thunderbolt 3 سازگار است، که این امر اتصال تجهیزات جدید را ساده‌تر می‌کند.
انتظار می‌رود که تا سال 2021 دستگاه‌هایی با این رابط جدید عرضه شوند. در صنعتی که همواره در حال تغییر است، استانداردی که به روز نشود، دوام زیادی نخواهد داشت. انجمن پیاده‌سازان USB تعهد خود را به ارتقاء مستمر نشان داده است، که این امر باعث می‌شود USB همچنان نقش کلیدی در طراحی تجهیزات نسل بعدی ایفا کند.
سوالات متداول
۱.سوال: تفاوت بین USB 2.0 و USB 3.0 چیست؟
پاسخ: تفاوت اصلی بین USB 2.0 و USB 3.0 در سرعت انتقال داده است. USB 2.0 حداکثر سرعت ۴۸۰Mb/s را ارائه می‌دهد در حالی که USB 3.0 می‌تواند داده‌ها را با سرعت تا ۵Gb/s (حدود ۱۰ برابر سریع‌تر از USB 2.0) منتقل کند. USB 3.0 همچنین بهبودهایی در مدیریت انرژی و پشتیبانی از دستگاه‌های با قدرت بالاتر را ارائه می‌دهد.
۲. سوال: آیا کانکتورهای USB 2.0 با USB 3.0 سازگار هستند؟
پاسخ: بله، کانکتورهای USB 2.0 و USB 3.0 به صورت فیزیکی سازگار هستند. این بدان معناست که شما می‌توانید یک دستگاه USB 3.0 را به یک پورت USB 2.0 متصل کنید و برعکس، اما سرعت انتقال داده‌ها به پایین‌ترین استاندارد محدود خواهد شد.
۳. سوال: USB-C چگونه با سایر استانداردهای USB متفاوت است؟
پاسخ: USB-C نوع جدیدی از کانکتور است که با طراحی کوچکتر و قابل برگردان شناخته می‌شود. این کانکتور نه تنها از نرخ‌های انتقال داده بالاتر (تا ۱۰Gb/s در USB 3.1) پشتیبانی می‌کند، بلکه قادر به انتقال قدرت تا ۱۰۰ وات نیز می‌باشد، که این امر آن را برای استفاده‌های گوناگون از جمله شارژ دستگاه‌ها مناسب می‌سازد.
۴. سوال: چرا USB 3.1 و USB 3.2 سردرگم کننده هستند؟
پاسخ: سردرگمی مربوط به USB 3.1 و USB 3.2 بیشتر به دلیل نحوه نامگذاری و نرخ‌های انتقال مختلف است. USB 3.1 با نرخ انتقال ۱۰Gb/s معرفی شد، در حالی که USB 3.2 قابلیت انتقال داده‌ها با سرعت تا ۲۰Gb/s را دارد. این تفاوت‌ها ممکن است برای کاربران عادی کمی گیج کننده باشد.
۵. سوال: USB 4 چه ویژگی‌های جدیدی ارائه می‌دهد؟
پاسخ: USB 4 با ادغام فناوری Thunderbolt 3 ارائه شده است که نرخ‌های انتقال داده تا ۴۰Gb/s را فراهم می‌کند. این استاندارد همچنین سازگاری عقب‌گرد با USB-C و پروتکل‌های قبلی مانند USB 3.2 و Thunderbolt 3 را دارد. USB 4 برای ارائه سرعت‌های بالاتر و انعطاف‌پذیری بیشتر در اتصالات طراحی شده است.