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強勢來襲的數位潮流:你不可不知的 DAC(下)—《音響入門誌》

PanSci_96
・2016/09/28 ・3573字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

文/珊迪、林彥君

編按:在上篇文章中,介紹了我們現在從電腦播放的音樂,需要經過類比訊號轉換成數位訊號的過程,將聲音以數位方式儲存下來,當我們要聽的時候再重新轉換成類比音源。這中間的轉換需要透過 DAC(數位類比轉換器)來幫忙。接下來這篇將介紹我們生活中運用到的 DAC,你知道其實電腦中的音效卡就屬於其中一種 DAC 嗎?

傳送訊號的橋樑:數位傳輸介面

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圖/Foundry @ Pixabay

在撰寫知識家之前,也曾經以為只要耳機連接喇叭或電腦就可以直接聽音樂,後來才曉得,原來多媒體喇叭都有內建擴大機來放大訊號、電腦則有音效卡(也就是 DAC)處理數位訊源,才能如此方便地播放音樂。

不過,因為非專業的電腦音效卡有一定的限制,講究音質的聆聽者常利用外接式 DAC 獲得更高品質的音樂。外接式 DAC 無論在解碼晶片、電源供應、類比放大等方面,製作和設計都比一般內建音效卡更加講究,是提升電腦音樂播放的利器。在操作上,不論是從電腦或 CD 播放器將數位訊號輸出至 DAC,均需透過「數位傳輸介面」傳輸,常見的有以下幾種:S / PDIF、USB、Firewire、AES / EBU、HDMI、乙太網路線等,其中又以「S / PDIF」及「USB」在家用音響界最為普遍,以下將簡單介紹這兩種介面的應用。

長距離傳輸 機器 vs. 機器

「S / PDIF」,全名為 Sony / Philips Digital Interconnect Format,是 Sony 和 Philips 這兩大製造業巨頭在 80 年代為家用器材所制定出來的數位訊號傳輸介面,主要應用於 CD 播放器。同軸與光纖(如下圖)所傳輸的信號都是「S / PDIF」格式,是相同種類的數位資料,只是使用的接頭形式不同而已。

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而「USB」介面則是由 Intel 與 Microsoft 於 90 年代倡導發起,其開發的最初目的並不是用來傳輸數位音樂,主要應用於電腦。發表初期普及度遠不如 S / PDIF,因此早期的 DAC 多配備「S / PDIF」介面。然而近幾年,幾乎每台電腦、智慧型手機都配有 USB 介面,隨著這些電子裝置的盛行,USB 的普及度也大幅提升,甚至超越 S / PDIF 介面。再加上網路及音樂播放軟體的發達,只要透過電腦便可輕鬆聆聽自己喜愛的音樂,電腦、手機等裝置逐漸取代實體 CD,成為主流的聆聽方式。

以 USB 作為傳輸介面的「USB DAC」也乘著這股風潮一躍而起,透過電腦已有的插槽取代內建的音效設備,輕鬆提升聆賞品質。

短距離傳輸 晶片vs. 晶片

前述提及的 S / PDIF 與 USB 都是屬於「機器」與「機器」之間的數位訊號傳輸介面,適用於長距離的傳輸,但 S / PDIF 與 USB 格式的訊號均無法直接傳送到 DAC 晶片,必須先把訊號轉換成 DAC 晶片看得懂的「I²S(Inter-IC Sound)」格式,才有辦法做數位與類比的轉換。

「I²S」是「晶片」與「晶片」之間傳輸數位訊號的介面標準,適用於短距離的傳輸。因此,一台 DAC 中除了有 DAC 晶片以外,還必須有對應的 S / PDIF 接收晶片或 USB 接收晶片,將訊號轉換成 I²S 後,再傳輸至 DAC 晶片做處理(如下圖)。

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點擊看大圖。圖/音響入門誌提供。

USB 接收晶片的品質好壞對訊號音質影響很大,價差可差至百倍,一個好的 USB 接收晶片是音質優異的 USB DAC 的基礎。

同步與非同步

不論是「機器」或「晶片」間的資料傳輸,發送端與接收端都必須要協調彼此間的步伐,接收與發送速度的一致性,是「資料能否如實傳遞」的關鍵。讓兩端同步發送與接收最簡單的解決方式,就是發送端把資料(Data)與時脈(Clock)同時傳給接收端,告知接收端發送的頻率是多少,接收端即依照此時脈的頻率接收資料。如剛剛圖片所示,S / PDIF 會將 Clock 編碼進 Data 裡一起傳送,I²S 則可同時分別傳送 Clock 與 Data,這兩者都稱為「同步模式」。

而 USB 介面當初設計時只能單獨傳輸 Data,無法同步傳輸 Clock,因此發送端與接收端須有各自的 Clock,兩端各依照自己的 Clock 工作,稱為「非同步模式」。試想,USB DAC(接收端)與電腦(發送端)要如何在各自有自己的 Clock 的情形下一起工作,而不會步伐不一致出現錯誤呢?

以下進一步來了解 USB DAC 的傳輸模式。

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傳送資料,默契很重要:USB DAC 的三種傳輸模式

想像棒球場上,投手與捕手之間要培養默契,傳遞訊號就像是投手(發送端,電腦)與捕手(接收端,USB DAC)之間的丟接球,為了維持兩者之間的工作順暢,USBAudio 與電腦間協定出三種傳輸模式:自由傳輸模式(Synchronous)、改良的自由傳輸模式(Self Adaptive)與迴授式傳輸模式(Asynchronous)。

這三種模式,也常被稱為同步模式、自適應模式非同步模式,但在此所指的同步、非同步與上一段提及的同步模式(同時傳送 Data 與 Clock)是完全不一樣的東西,為了避免混淆,以下以全名稱之,並詳細說明這三種模式的差異。

自由傳輸模式(Synchronous)

此模式就像投手與捕手矇住眼睛、耳朵,並在投捕手之間架一座供球傳輸的軌道,雙方約定好開始的時間點以及傳、接球的速率,各自根據自己的時鐘默數節奏,依照「默契」傳球。這種模式的設計最為簡單,但如果兩者的時鐘快慢不一致,一段時間之後,便可能產生傳的太快導致漏接、或是因為傳的太慢而發生撲空的問題。對於音質要求不高的USB 喇叭,所使用的便是此類模式的產品。

傳1

改良的自由傳輸模式(Self Adaptive)

各項條件與自由傳輸模式相同,不同的是換了個會自動調整接球頻率的捕手。投手依然遵照約定,按照自己默數的節奏丟球;但捕手在接球時多了點訣竅,如果漏接了球,便隨時微調自己的接球頻率。然而,捕手並不是每次都可以猜中投手的投球節奏,不停調整接球頻率的結果,有時反而會弄巧成拙。

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傳2

迴授式傳輸模式(Asynchronous)

此模式也稱為「非同步傳輸」。投手、捕手依舊矇著眼,但不同的是投手張了耳、捕手開了口。捕手一邊接球、一邊
開口數拍子;投手聽到捕手唸的拍子,修正自己的節奏再投球出去。理論上這是最好的方式,如果還能給捕手再配個名錶( 優質的振盪器、甚至是原子鐘),正是我們所期待的正確傳輸資料、低失真的理想狀態。

投捕2

電腦扮演的角色就像投手,在迴授式傳輸模式下,不但要尋找一個會開口數拍子的捕手(USB DAC),也要確定自己的電腦聽得懂拍子。然而,並非每台電腦的作業系統都會聽拍子,此時只能仰賴工程師在軟體上另闢出路,自行開發DAC 專屬的驅動程式,協助您打開投手的耳朵。由於作業系統版本眾多,與其他應用程式間的相容性也是一大問題,「迴授式傳輸模式(Asynchronous)」產品架構複雜,軟體開發成本高,因此多使用於高階的產品。

USB DAC 的優點與限制

USB DAC 作為時下最流行的數位類比轉換器,自然有它的道理,除了幾乎每台電腦與手機皆有配備 USB 介面以外,有別於其他傳輸介面,USB 介面不僅可以傳輸訊號,本身還帶有電源供應匯流排,攜帶式的 USB DAC 不需外接電源供應器,可由電腦主機直接供電,小巧輕便易攜帶。此外,USB 的高傳輸頻寬可輕鬆傳輸母帶規格的高解析音樂檔案,滿足發燒友的需求。

儘管 USB DAC 使用極為便利,想利用「USB DAC」得到 Hi-end 品質的音響效果,仍是一條辛苦的道路,這點需要回頭討論電腦的整體作業系統問題。現代人使用電腦時,常「多工」處理諸多事項,一邊播放高解析度音樂,一邊玩線上遊戲,社群軟體又不時地發出「叮咚」的提示音,多重音源卻只有一個聲音輸出通道,勢必要對三個不同取樣率的音源進行「混音」的工作。

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點擊看大圖。圖/音響入門誌提供

由於不同取樣率的音源無法直接混音,想在電腦上作「混音處理」,就必須對不同的音源做取樣率轉換(SRC, sampling rate conversion)。SRC 在音樂的編輯後製中經常可見,不過一般的電腦作業系統著重在資料運算能力,而非發燒友所追求音質至上的音頻處理,使用一般作業系統的 SRC,勢必會影響音質。此外,自動電平/音量匹配(automatic level matching)也會影響音頻訊號的處理,必須使用專用的音頻播放軟體及專屬驅動程式解決此問題,由於內容複雜,不在此贅述。

該如何改善電腦播放品質呢?

由以上的多方分析可知,若選擇以電腦作為訊源,想要追求更好的聆聽品質,就必須在電腦的軟硬體系統多下點功夫。有些講究音質的人會另組播放音樂專用的電腦,從避震處理、雜訊隔離到線材、電源、作業系統等都仔細琢磨,降低每一個環節的干擾,追求更高品質的享受。

然而,並不是每個人都是電腦工程師,可同時精通電腦的軟硬體系統,現在市面上已有販售專門播放數位音訊的電腦,稱為「音樂伺服器」,不過其成本高昂,售價非一般人負擔得起。如果不是電腦高手,又不想花大錢,其實買一部普通的電腦專門用來聽音樂也不失為一種解決辦法。只要簡化一下電腦的功能,再外接優質的 USB DAC,一樣可以花小錢享受聽音樂的樂趣。


Vol3

本文摘自《音響入門誌》vol. 3:DAC 篇。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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多功能又超便利USB Type-C顯示器,看似完美其實潛藏風險?
宜特科技_96
・2023/07/28 ・3713字 ・閱讀時間約 7 分鐘

一個人正在同時使用雙螢幕連接筆電跟桌機
圖/宜特科技

可傳輸、可充電,且高清畫面的 USB Type-C 顯示器,你了解多少呢?如此多功能,幾乎可取代主機的 USB Type-C 顯示器,卻隱藏了五個潛在風險!

本文轉載自宜特小學堂〈別讓相容性成為產品的絆腳石 如何解決USB Type-C顯示器雙功能支援問題〉,如果您對半導體產業新知有興趣,歡迎按下右邊的追蹤,就不會錯過宜特科技的最新文章!

2022年底,歐盟議會正式拍板定案,強制在2024年秋季前,在歐盟銷售的手機、平板、數位相機等消費性電子產品,都必須統一使用 USB Type-C 充電介面,降低電子垃圾產量。

歐盟執行委員Margrethe Vestager拿著各種規格的線材
歐盟通過2024年底充電器將統一 Type-C 規格,圖為歐盟執行委員。圖/Margrethe Vestager推特

消息一出,市場目光紛紛轉向獨立規格的蘋果,更有傳言,今年九月登場的蘋果旗艦手機 iPhone 15 系列,也終將改為 USB Type-C,正式跟 Lightning 說再見。

其實不只是手機,近年來在消費性電子產品, USB Type-C 早已是主流規格。無論是系統端、筆記型電腦、儲存裝置、顯示器等,各種 3C 周邊產品,都可看到 USB Type-C 介面的蹤跡。

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一台蘋果的平版跟Lightning、USB TYPE-C 接頭
USB Type-C 將取代 Lightning 接頭。圖/宜特科技

為什麼 USB Type-C 如此受到歡迎?它的最大優勢,就是可以將檔案傳輸、影像輸出及充電功能全部集合在同一條連接線中,並提供高達 100W 的充電電流!也不像早期一種產品就需要一種規格的線,光 USB 這個介面,就讓消費者常常被混淆不清到底是用了哪一種規格的 USB 線材。

因應市場趨勢,許多顯示器大廠也將顯示器不拘限於單一功能,而是開發出集多功能於一身的機種。例如:結合了 USB Hub (USB集線器)功能與網路功能,可替消費者節省另外購買USB Hub等周邊產品的費用,也增加了桌面使用空間。於是,顯示器是否具備多功能,也逐漸成為使用者選購的指標之一。

那你的螢幕有 USB Hub 功能嗎?若螢幕不再只是螢幕,對生活有多少改變嗎?

一、 再也不必彎腰找主機插槽,從螢幕就能輕鬆傳輸資料

如同前面所述,當螢幕顯示器不再只有基礎的顯示功能,新增的 USB Hub 端搭配 Type-C 介面,更能幫助使用者將眾多裝置集結在一台裝置中。

例如:儲存裝置,如外接硬碟及小型隨身碟、外接鍵盤、滑鼠等,或是其它不需再外接電源的 USB 相關設備,都可以一併接到螢幕的 USB Hub ,再也不必再彎腰找主機的 USB 插槽,還擔心電線亂糟糟。

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USB TYPE-C螢幕顯示器可以連接的裝置示意圖
螢幕不僅有顯示功能,後端的 USB Hub 搭配 Type-C 介面,讓使用者輕鬆連結許多裝置。圖/宜特科技

甚至,已經有推出可支援網路介面的顯示器!讓使用者在電腦主機沒有網路介面的情況下,可以透過顯示器使用有線網路,讓自己無論是處在有線或無線的網域時,都能夠方便的使用網路,真是太方便了。

二、 USB Type-C 顯示器支援雙功能,高速傳輸還是高清畫質,由你來決定

擁有 USB Hub 的顯示器,還有一個更厲害的功能,就是使用者可在高速傳輸和高解析度這兩項功能中,自行切換優先權。

基於 USB Type-C 介面在顯示部分中,依循的規範是 VESA(Video Electronics Standard Association, 視訊電子標準協會)DisplayPort 規範中的 Display 替代模式(DisplayPort Alt Mode)。

而將 DP 技術應用在 USB Type-C 介面中,被稱為 DisplayPort Alt Mode Over Type-C 技術。 DisplayPort Alt Mode 擁有多樣性傳輸模式,即可同時傳遞高解析度影像、USB 檔案傳輸及充電功能。

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品牌廠在開發商品時,為了製造更便利於消費者的功能,便在設計上賦予 USB Type-C 使用者自行選擇「顯示解析度」或「資料讀取速度」這兩方面的優先權 (USB Prioritization Function)。

VESA 是什麼單位?什麼又是 Lane?
VESA 是「視訊電子標準協會」英文全名 Video Electronics Standards Association的縮寫,該協會制定了許多關於視訊及顯示周邊產品功能的安裝標準、測試規範、標準測試認證等等,它們為 PC、工作站和消費電子行業制定行業範圍的接口標準,展現產品有獲得 VESA 的認證,對於廠商來說是品質的肯定。

那什麼是「Lane」?
DisplayPort 這個介面,跟 HDMI 之類的顯示介面不同,它分成四個通道(Lane)來發送訊號。依據使用者的視頻產品設定,決定頻寬的使用量,看會需使用到兩個通道或四個通道的頻寬,也就會稱為 2 Lane 或 4 Lane 。
而當DP技術應用在 USB Type-C 介面中,就是把 DisplayPort 的顯示頻寬與 USB Type-C 的 USB 頻寬,都必須包含在 4Lane 頻寬內去使用。

看起來可能有點抽象,我們依循 VESA Display Port 規範,實際舉例兩種使用情境來說明:

(一) 降低解析度,提高傳輸速度,使用 DisplayPort 2 Lane 頻寬:High Data Speed

第一種,使用 2 Lane 頻寬,僅用原本顯示頻寬的一半,來處理顯示的解析度及畫面構成,並將 USB 資料傳輸頻寬,調整至 USB 3.0 的速度來使用。

例如:為提高 USB 資料的傳輸速度至 USB 3.0 ,來達到高速傳輸的效果,更改使用設定為: 將原可支援到 4K 解析度更新率為 60fps (3840×2160@60Hz)的螢幕,調降成顯示解析度至 4K 解析度更新率為 30fps(3840×2160@60Hz)或是 2K(2560×1440)的解析度。

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(二) 支援高解析度最佳畫質,降低資料傳輸頻寬使用 DisplayPort 4 Lane 頻寬:High Resolution

第二種,使用 4 Lane 頻寬,讓支援到 4K(3840×2160@60Hz)更新率的高解析度螢幕,可優先使用最佳畫質來顯示。由於 USB Type-C 的頻寬是固定的,資料傳輸就會降到 USB 2.0 的速度。

三、方便之餘,潛在的風險知多少?

這類的產品設計上,對於使用者來說,真是一項智慧及便利的功能。但其實,在設計及開發的過程中,要完美兼具顯示及 USB 資料傳輸功能,卻不是一件容易的事。

為了確認產品品質,廠商需要讓顯示器做相容性測試(Compatibility Test),而宜特訊號測試實驗室,從累積了上千筆的實驗數據中,分享五項最常見的疑難雜症:

(一) 畫面全黑,突然從螢幕中看到了自己
在螢幕相容性上最常出現的問題,就是顯示器因無法正常接送訊號,而呈現出畫面全黑的狀況,也就是所謂的黑屏,造成使用者無法正常看到電腦畫面。
然而,這只是常見問題之一。

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一個男人的螢幕呈現黑屏
顯示器因相容性問題造成的黑屏狀況。圖/宜特科技

(二) 畫面出現雜訊,不是你眼花是它真的有問題
另一種在相容性上很常出現的問題,顯示器會出現零點幾秒鐘,甚至長達一至兩分鐘的雜訊畫面,干擾了使用者正常使用電腦的狀況。

一個女子的螢幕顯示器畫面出現雜訊問題
因相容性問題導致螢幕出現雜訊。圖/宜特科技

(三) 電腦主機莫名重新啟動,導致使用者資料通通消失
相容性中有一個很深奧的問題,就是 USB 速度上的切換,會使得電腦主機無端地自動重新啟動,導致使用者正在使用的資料,均無法被儲存,工作中的任何內容,都有被抹滅的風險。

(四) 資料存取速度慢,說好的 USB 3.0 高速傳輸呢?
資料傳輸速度應該提高至 USB 3.0 的裝置,卻仍舊停留在 USB 2.0 的速度。如何確認產品達到 USB 3.0 宣稱的 Super Speed ? 我們可藉由檢查 USB 速度的軟體工具,來確認其 USB 速率模式是否只有 High Speed ,而非宣稱的 USB 3.0 Super Speed。

(五) 資料無法被讀取
USB 設備無法被電腦讀取或使用,此點比例稍低於前面幾項。當此問題發生時,通常 USB Hub 還能運作,只是對於某些品牌的 USB 設備相容性較差,導致該設備無法在螢幕 USB Hub 上正常運作。而發生問題的設備也較廣泛,常見的包含 USB 隨身碟、視訊攝影機、滑鼠鍵盤等等。

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五大常見的螢幕相容性問題比例圓餅圖
透過宜特訊號測試實驗室的資料庫,上述問題發生的比例。圖/宜特科技

上述五項問題中,「黑屏」(Black Screen)與「雜訊」(Corruption),算是比較嚴重且常見的相容性問題,深切影響使用者對於該產品,乃至整個品牌的信任度。按圖四來看,在螢幕 USB Hub 問題中,此兩種加起來所占的比率將近50%之多,不可不重視。

近年,各大品牌廠力推的整合型產品,對於消費者來說,增加了更多的便利性,能搭配的周邊設備種類也是千變萬化。但隨之而來的,即是各類設備的相容性問題浮上檯面,那要廠商該如何確保產品品質呢?

宜特訊號測試實驗室,除了可提供 USB/DisplayPort/HDMI/VESA DisplayHDR 等多項標準測試及官方認證服務外,針對各式各樣不同的客戶產品功能,能客製化制定相容性的測試項目,並依循著使用者角度,設計出專業詳細的測試步驟,找出產品與其周邊設備相容性的問題點,協助客戶解決棘手問題,更能為品牌客戶的 USB Type-C 及其他各類產品的相容性嚴格把關。

本文出自 宜特科技

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快閃記憶體的原理:我們常用的 USB 記憶體與記憶卡——《圖解半導體》
台灣東販
・2022/11/22 ・3591字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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快閃記憶體常被用在個人電腦的 USB 記憶體、數位相機或智慧型手機的記憶卡等地方。即使切斷電源,記憶內容也不會消失,屬於非揮發性記憶體,且與 DRAM 的隨機存取類似,可讀取、擦除、寫入內容。不過,快閃記憶體的動作較慢,無法取代 DRAM。

快閃記憶體由東芝的舛岡富士雄於 1984 年發明。

DRAM 會透過記憶體電容器累積的電荷來記憶資訊。而快閃記憶體則會透過 MOSFET 內的懸浮閘極累積電荷。

快閃記憶體的結構。圖/東販

圖 4-11 為快閃記憶體的結構。MOSFET 的閘極與 Si 基板之間,有個不與任一方相連的懸浮閘極。

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這個懸浮閘極就是快閃記憶體的特徵。電荷儲存在這裡時,因為周圍是由氧化膜(SiO2)構成的絕緣體,所以電荷(電子)不會跑到其他地方。即使切斷電源,記憶體內的資訊也不會消失,為非揮發性記憶體。

快閃記憶體的懸浮閘極帶有電荷時,儲存的是「0」;無電荷時,儲存的是「1」。懸浮閘極可透過累積或釋放電子,來記錄或保存資訊。

資訊的寫入與消除。圖/東販

圖 4-12(a) 為寫入「0」的情況。此時源極、汲極、基板皆為 0V,並對控制閘極施加正電壓。

於是,Si 基板內的電子就會穿過氧化膜,於懸浮閘極內蓄積。「電子可穿過絕緣體氧化膜」聽起來有些不可思議,不過氧化膜相當薄,厚度只有約數 nm,所以電子可以透過穿隧效應穿過氧化膜。

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因此,Si 基板與懸浮閘極之間的氧化膜也叫做穿隧氧化膜。寫入資訊「1」時,懸浮閘極不會蓄積電子,所以什麼事都不會發生。

當我們想要消除資訊,也就是消除懸浮電極蓄積的電子時,需讓控制電極電壓為 0V,並對源極、汲極、基板施加正電壓,如圖 4-12(b) 所示。這麼一來,懸浮電極內蓄積的電子就會透過穿隧效應穿過氧化膜,移動到電壓較高的基板一側。於是,原本蓄積於懸浮電極的電荷就會消失。

讀取已記錄的資訊。圖/東販

另一方面,當我們想要讀取資訊時,只要在控制電極施加一定的正電壓,便可透過從源極流向汲極的電流,讀取儲存單元內的資訊(圖 4-13)。

若懸浮閘極內有蓄積電子(「0」的狀態),這些電子的負電會抵消掉控制閘極施加的正電壓,使電流難以通過底下的通道。

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利用懸浮電荷量不同來控制記憶體

若懸浮閘極內沒有累積電子(「1」的狀態),閘極電壓就會直接影響到基板,與 MOSFET 的情況一樣,故下方會有電流通過。所以由電流的差異,就可以判斷儲存單元的資訊是「0」或「1」。

即使懸浮閘極內有蓄積電荷(圖 4-13 的「0」狀態),要是對控制閘極施加的電壓過高,源極與汲極之間還是會有電流通過。

也就是說,懸浮電荷量不同時,使電晶體開始產生電流的閾值電壓(Vth,參考第 89 頁)也不一樣。故我們可藉由懸浮電荷量的控制來記憶資訊。

快閃記憶體的 SLC 與 MLC。圖/東販

由前面的說明可以知道,像圖 4-14(a) 這樣的單一儲存單元,只能記錄 1 個位元,可能是「0」或「1」。

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用閾值電壓判斷單元狀態

不過,如果閾值電壓可任意控制,就可以將懸浮閘極依儲存的電荷量,從滿電荷到無電荷分成 4 個等級,如圖 (b) 所示。4 個等級可分別對應「01」、「00」、「10」、「11」。這麼一來,1 個儲存單元就可以記錄 2 位元的資訊。

因為每種狀態所對應的閾值電壓都不一樣,Vth01>Vth00>Vth10>Vth11,所以讀取資訊時,可以由閾值電壓判斷該儲存單元處於何種狀態。

可分成 4 種狀態的單元稱為 MLC(Multi Level Cell)。另一方面,只有 2 種狀態的單元稱為 SLC(Single Level Cell)。

MLC 的 1 個儲存單元可以記錄 2 位元的資訊。如果將 Vth 分成更多區間,還可以記錄 3 位元、4 位元的資訊,進而提升容量。不過,MLC 懸浮閘極寫入電壓的控制技術相當困難,MOSFET 對干擾現象又特別敏感,所以要做成增加更多層相對困難。

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快閃記憶體的缺點

另外,快閃記憶體在記錄、消除資訊時,需使用 10V 之類相對較高的電壓,電子才能突破穿隧氧化膜。因此,反覆讀寫會造成氧化膜劣化,最後使儲存單元無法保留電子。也就是說,快閃記憶體的壽命比其他記憶體還要短。寫入速度較慢也是一項缺點。

另一方面,快閃記憶體與 DRAM 不同,不使用電容器,所以1個晶片可搭載的儲存單元較多,較容易提升容量。

快閃記憶體的組成——NAND 型與 NOR 型

NAND 型與 NOR 型。圖/東販

快閃記憶體與 DRAM 一樣,都是由許多儲存單元排列成矩陣的樣子。快閃記憶體可依組成分成 NOR 型與 NAND 型 2 種(圖 4-15)。

NOR 型的快閃記憶體結構。圖/東販

圖 4-16 為 NOR 型的快閃記憶體結構。除了字元線與位元線之外,還有「源極線」存在,且源極線需通以電流。

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NOR 型的快閃記憶體運作方式與 DRAM 相近,較好理解。以圖中圈出來的儲存單元為例,讀取單元內的數值時,會在對應的字元線施加讀取用電壓,然後透過位元線讀取資訊。另一方面,消除或寫入資訊時,會對位元線施加寫入用電壓,字元線也會施加寫入用電壓。

實際上的運作相當複雜,所以不像 DRAM 那樣只有 0 與 1 的 2 種數值,不過和 DRAM一樣是一個個單元讀取、寫入。換言之,可以隨機存取儲存單元。

NAND 型快閃記憶體的結構。圖/東販

另一方面,NAND 型快閃記憶體的結構則如圖 4-17 所示。

NAND 型的結構中,同一條字元線串聯起許多儲存單元,稱為 1「頁」(page),多條字元線有許多頁,稱為 1 個「區塊」(block)。

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NAND 型的頗面圖。圖/東販

圖 4-18 中,1 條位元線可串聯起許多儲存單元。這種結構有個特徵,那就是同一條位元線上,各個 MOSFET 的源極與汲極皆串聯在同一列上。這一列MOSFET製作在半導體基板上時,剖面圖如下。

基板上,1 個電晶體的源極,與相鄰電晶體的汲極共用同一個n區域,所以表面不需設置電極。少了電極而多出來的空間,就可以用來提升電晶體的聚積密度。

不過這種結構下,1 條位元線的電流比 NOR 型的電流還要小,所以讀取速度比較慢。另外,因為 1 個儲存單元比較小,所以懸浮閘極保留的電荷也會比較少,使資料保存的可靠度較差。

NAND 型的擦除與寫入步驟

NAND 型快閃記憶體需以 1 個區塊(含有許多頁)為單位進行擦除,以 1 頁為單位進行寫入。

因此,要更改 1 頁的內容時,必須將含有這 1 頁之整個區塊的資訊暫時複製存放到外部的其他地方,然後刪去整個區塊的資料,然後再把區塊資料複製回來,同時把要更改的內容寫進去。

也就是說,即使只是要改寫 1 位元的內容,也必須將整個區塊的資料都刪除掉才行。因為必須一次刪除廣大範圍的資料,所以被取了「快閃」這個名字。

快閃記憶體的主要用途是 USB 記憶體或 SSD 等資料儲存裝置。圖/pexels

不過,寫入資料時是一次寫入一整頁資料,所以寫入速度比 NOR 型還要快。

若比較 NOR 型與 NAND 型,會發現 NOR 型的優點是讀取較快,資料的可靠度較高。所以像是家電的微處理器、含有簡單程式的記憶體等裝置,對讀取的需求大於寫入,便會採用 NOR 型快閃記憶體。雖然容量不大,寫入較慢,但這些裝置幾乎不會進行寫入動作,所以高可靠度、較快的讀取速度對它們來說比較重要。

然而,快閃記憶體的主要用途是 USB 記憶體或 SSD 等資料儲存裝置,常需改寫儲存單元內的資料。此時,NAND 型的高聚積化就會是很大的優點。因此 NAND 型目前才是快閃記憶體的主流。

——本文摘自《圖解半導體:從設計、製程、應用一窺產業現況與展望》,2022 年 11 月,台灣東販出版,未經同意請勿轉載。

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