Thunderbolt-Design: Anpassbare serielle Hochgeschwindigkeitsdaten in Ihrer Leiterplatte

Zachariah Peterson
|  Created: December 30, 2020  |  Updated: March 15, 2021
Thunderbolt PCB design

Hochauflösende Displays, externe GPUs, superschnelle externe Speicher, 10G-Ethernet-Adapter... die Liste der Anwendungen für Thunderbolt 3- und 4-Designs scheint unendlich. Das Thunderbolt-Protokoll wurde ursprünglich von Intel in Zusammenarbeit mit Apple entwickelt und im Februar 2011 veröffentlicht. Das Protokoll wurde dann weiterentwickelt, um mit USB-C kompatibel zu sein. Ursprünglich handelte es sich um ein proprietäres Protokoll, das für die Verwendung in neuen Produkten eine Lizenz und Lizenzgebühren erforderte. Um die Akzeptanz des Protokolls zu fördern, kündigte Intel jedoch an, dass Thunderbolt 3 und spätere Protokolle für OEMs und IC-Hersteller lizenzgebührenfrei sein werden.

Thunderbolt 3-Geräte bieten bidirektionale Datenübertragungsraten, die bis zu 40 Gbit/s erreichen – das ist eine massive Verbesserung gegenüber der Datenübertragung mit USB 3.1 Gen 2 mit 10 Gbit/s. Die nächste Generation von Thunderbolt 4-Geräten kommt jetzt auf den Markt, und Produktdesigner können die Hochgeschwindigkeitskommunikation mit wichtigen Computerperipheriegeräten hinzufügen, die die Thunderbird 3- oder 4-Protokolle verwenden. Obwohl Thunderbolt-Produkte einen USB-C-Stecker verwenden, sind die Design-Einschränkungen beim Thunderbolt-Design aufgrund der höheren Datenrate strenger. Außerdem muss eine Gerätetopologie gewählt werden, um Daten und Strom an die Peripheriegeräte weiterzuleiten. Wenn Sie Thunderbolt in Ihr nächstes Design integrieren möchten, sollten Sie einen Blick auf unsere Übersicht zum Thunderbolt-Design werfen.

Thunderbolt-Design: Grundlagen

Das Thunderbolt-Protokoll kombiniert PCIe und DisplayPort zu zwei seriellen Signalen und stellt diese Protokolle über eine USB-C-Verbindung bereit. Die Gleichstromversorgung erfolgt über ein USB-C-Kabel, und das Protokoll unterstützt bis zu sechs Peripheriegeräte pro Anschluss. Der PCIe-Teil der Schnittstelle kann auch als virtuelle 10G-Ethernet-Schnittstelle dienen; der Benutzer benötigt lediglich einen Adapter, um eine Ethernet-Verbindung bereitzustellen. Der Zugang zu diesen Protokollen über eine einzige Schnittstelle macht Thunderbolt zu einem viel flexibleren Protokoll als USB-C.

Thunderbolt 3 vs. 4

Da Thunderbolt 4 jetzt verfügbar ist und Intels neueste Tiger Lake Prozessoren dieses fortschrittlichere Protokoll unterstützen, lohnt sich ein Vergleich der beiden Protokolle. Die folgende Tabelle fasst einige wichtige Spezifikationen von Thunderbolt 3 und 4 zusammen.

 

Thunderbolt 3

Thunderbolt 4

Unterstützte Schnittstellen

  • USB (3.2)
  • PCIe 3.0 (16 Gbit/s Mindestbandbreite, 4 Spuren)
  • DisplayPort 1.2
  • USB (3.2 und höher, einschließlich USB 4)
  • PCIe 4.0 (32 Gbit/s Mindestbandbreite, 4 Spuren)
  • DisplayPort 1.4
  • Abwärtskompatibel mit Thunderbolt 3

Gleichstromversorgung

Standard (100 W)

Standard (100 W)

Display-Unterstützung

2x 4K-Displays bei 60 Hz

1x 4K-Display bei 120 Hz

1x 5K-Display bei 60 Hz

2x 4K-Displays bei 60 Hz

1x 4K-Display bei 120 Hz

1x 8K-Display bei 60 Hz

Unterstützte externe Ports

N/A

Bis zu 4 externe Thunderbolt-Anschlüsse

Ein wesentlicher Unterschied zwischen Thunderbolt 3 und 4 ist, dass Thunderbolt 4 mit dem USB 4-Protokoll kompatibel ist; tatsächlich wurde USB 4 auf Basis der Thunderbolt 3-Standards entwickelt. Allerdings ist USB 4 immer noch auf die im Standard definierte maximale Datenrate beschränkt. Je nachdem, wie sich die USB-Standards zukünftig entwickeln, ist es möglich, dass sich auch Thunderbolt weiterentwickelt, um weiterhin schnellere USB-Datenraten zu unterstützen.

Was gehört zum Layout von Thunderbolt 3 und 4?

Die Kombination dieser digitalen Protokolle in einer einzigen Schnittstelle erfordert die Verwendung einiger spezieller Komponenten zur Steuerung der Datenübertragung zwischen einem Host und nachgeschalteten Peripheriegeräten. Zudem müssen diese Geräte auf Intels Chipsätzen im PC oder Server laufen, während die externen Geräte Thunderbolt-Controller benötigen, um Daten zu empfangen und an andere Geräte zu übertragen. Das Blockdiagramm unten zeigt die Systemansicht von Intel, bei der ein Intel-Chipsatz mit einem Thunderbolt-Controller im Host verbunden ist. Die Daten werden dann über USB-C an den Thunderbolt-Controller im Peripheriegerät übertragen. Abschließend stellt der Gerätecontroller einem Peripheriegerät die digitalen Daten über die PCIe- oder DisplayPort-Protokolle bereit.

Thunderbolt design
Intels Systemarchitektur für Thunderbolt-Geräte.

In Bezug auf Layout und Routing müssen Thunderbolt-Designer viele Regeln befolgen, die bei PCIe, Thunderbolt, USB, Ethernet und anderen seriellen Hochgeschwindigkeitsprotokollen mit ~Gb-Datenraten verwendet werden. Thunderbolt kommt oft mit Docking-Stationen zum Einsatz, die mehrere Hochgeschwindigkeitsschnittstellen enthalten (z. B. alle oben genannten plus HDMI, Audio, VGA etc.), daher ist die Unterdrückung von Interferenzen und differentiellem Übersprechen ein Hauptanliegen.

Dies sind einige wichtige Richtlinien für die Auswahl von Komponenten und das Layout dieser Systeme:

  • Befolgen Sie die bewährten Verfahren und Richtlinien für PCIe Layout und Routing, die eine kontrollierte Impedanz- und Längenabstimmung für PCIe-Spuren erfordern. 
  • Wählen Sie die richtigen Energieverwaltungskomponenten, um USB-PD in Ihrem Gerät zu unterstützen. Die Designs müssen gemäß den USB-PD-Standards bis zu 100 W (maximal 20 V/5 A) bereitstellen. 
  • Versuchen Sie zu verhindern, dass sich PCIe- und DisplayPort-Spuren in der Nähe anderer digitaler Schnittstellen kreuzen, nachdem Sie diese aus dem Host-Controller herausgelöst haben. 
  • Nutzen Sie die Vorteile von Masseflächen und internen Lagen, um eine Isolierung zwischen digitalen Protokollen in verschiedenen Bereichen der Platine zu gewährleisten. 
  • Befolgen Sie die Richtlinien zur Längenanpassung bei Differenzialpaaren im Design, um eine maximale Gleichtaktstörunterdrückung zu gewährleisten.
  • Befolgen Sie die bewährten Praktiken für die Stromversorgungsintegrität mit angrenzenden Stromversorgungs-/Masseebenen, um für eine stabile Stromversorgung bei diesen digitalen Hochgeschwindigkeitsprotokollen zu sorgen.

Wenn Sie PCIe, DisplayPort oder ein anderes Hochgeschwindigkeitsprotokoll layouten müssen, sollten Sie die besten PCB-Layout- und Routing-Tools der Branche verwenden. Die regelbasierte Design-Engine in Altium Designer®enthält einen integrierten Solver für elektromagnetische Felder von Simberian, der Sie beim Design von impedanzkontrollierten Kanälen unterstützt und wichtige Regeln für das Thunderbolt-Design einhält. Sie können auch die integrierten Pre-Layout- und Post-Layout-Simulationstools verwenden, um das Signalverhalten in verschiedenen Bereichen Ihres Systems zu simulieren. 

Wenn Sie Ihr Design fertiggestellt haben und Ihr Projekt mit anderen teilen möchten, können Sie auf der Altium 365-Plattform mühelos mit anderen Designern zusammenarbeiten. Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Eine ausführlichere Beschreibung der Funktionen finden Sie auf der Produktseite oder in einem der On-Demand Webinare.

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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