Thunderbolt：新的高速資料與數位影音整合傳輸介面

在2010年的Intel開發者論壇中，Intel展出一種新型傳輸介面原型，採用光纖纜線搭配類似USB的連接端子，可同時用於高畫質串流影音與檔案傳輸。經過一年多時間後，Intel終於在2011年2月推出這種原先稱為Light Peak的介面規格，並定名為Thunderbolt。

外接式PCIe結合DisplayPort

從架構上來看，可把Thunderbolt看作一種附加了DisplayPort傳輸功能的PCIe外接介面，Thunderbolt控制器晶片透過PCIe 2.0×4通道連接主機板南橋晶片，可將原先作為內部匯流排的PCIe，轉為外接用的連接埠。

另一方面，Thunderbolt還以一條DisplayPort訊號通道連接主機版晶片組，可在圖型顯示晶片與主機板晶片組的驅動下，承載DisplayPort協定的視訊影音訊號。

換言之，一條Thunderbolt纜線可同時傳輸PCIe與DisplayPort訊號，每組Thunderbolt埠都提供了2個獨立的雙向10Gbps頻寬通道，連接用的端子則可相容於Mini DsiplayPort，可用於連接原生Thunderbolt設備，或既有的DsiplayPort周邊裝置。

Thunderbolt的雙重作用

Thunderbolt的推出將形成兩個作用，一為PCIe外接化應用的普及，另一為個人電腦介面的統合。

PCIe外接化

針對高畫質影音傳輸、高速儲存或高效能運算的需求，IT廠商一直在尋找一種兼具高效能與低成本特性的連接技術。自Intel主導推出PCIe匯流排規格以來，便一直有將其用於外部傳輸的構想，讓PCIe跨出既有的晶片與晶片之間的內部連接應用，擴展到機箱與機箱間的外部連接。也就是利用PCIe規格的高頻寬、低延遲特性，提供一種高性能的外接用連接介面。

事實上不僅Intel，已有Accusys、NextIO、Violin、Virtensys等廠商基於各種不同需求，自行推出各式各樣的PCIe外接介面，而Thunderbolt的推出，則可視為是Intel自己的PCIe外接化應用解決方案。

不過前述非Intel的PCIe外接介面，大都是針對企業端高速儲存、I/O虛擬化等應用，許多都是作為連接特定企業級高速儲存設備的傳輸通道，部份廠商還提供透過交換器或閘道器的多對一或多對多的連接架構，能應付更複雜的應用環境。

而Intel目前的第一版Thunderbolt則聚焦於個人端存取應用，只支援菊花鏈（daisy chain）形式的串接，最多串接7臺裝置，且目前只能使用銅纜，允許的連接距離只有3公尺，只能應付較單純的個人端環境。

但特別的是Thunderbolt的銅纜不僅可傳輸訊號，還能供應電力（10W），能像USB一樣僅僅透過纜線供電來驅動小型外接設備，省去獨立電源線的需要（預期稍後發表的Thunderbolt光纖版本，將可允許更長的連線距離，但不能供應電力）。

個人電腦外接介面統合

為使用各式各樣周邊，電腦主機必須提供多種連接埠來應付不同的連接需求，但不同的線材與連接端子，也造成安裝配置與管理上的不便。

隨著新型介面的發展，許多原先透過PS/2埠、Printer埠（平行埠）與COM埠（序列埠）等舊式連接埠傳輸的周邊設備，都逐漸改採USB或乙太網路/RJ45埠，但一些新技術與新需求的出現，也催生了新的連接埠規格。當前個人電腦上通常有這幾類連接埠：連接顯示器用的類比（D-Sub）或數位視訊埠（DVI、HDMI、DisplayPort等）、USB埠、乙太網路的RJ45埠，還有eSATA埠等等。

相較於10年前，當前個人電腦連接埠規格繁雜的問題並沒有減少。顯然的，一定程度的整合，可以在減少硬體與管理成本方面帶來許多好處，比如在影音應用領域，類比時代原本影、音訊號各有各的連接端子，但數位化的HDMI規格則可以單一端子與纜線，統合影、音訊號的傳輸，大幅簡化了影音設備的安裝連接複雜性。

而Thunderbolt也有類似作用，可以單一的連接埠與纜線規格，同時承載PCIe與DisplayPort兩種傳輸協定。對於同時有數位影音連接與高速儲存傳輸需求的用戶（如影音媒體工作者），以前必須同時使用兩種連接埠與纜線（如DisplayPort、DVI等影音埠，加上eSATA、Firewire之類的高速資料傳輸埠），而透過Thunderbolt，則只需一種連接埠即可滿足需求。

Thunderbolt的應用

在Thunderbolt剛推出的當下，原生支援的Thunderbolt設備還相當少，在主機端，只有Apple的新款MacBook Pro筆記型電腦，周邊方面，則只有喬鼎的Pegasus RAID與LaCie的Little Big Disk兩種外接儲存設備，以及支援DisplayPort規格的顯示器。

然而由於Thunderbolt是一種可承載不同傳輸協定的底層連接技術，當初在還稱為Light Peak的研發階段，曾謠傳這種新規格將能承載包括USB在內的多種協定，儘管最後只原生支援PCIe與DisplayPort兩種，不過可透過既有的介面轉接技術，如PCIe轉USB、PCIe轉eSATA，以及DisplayPort/HDMI/DVI/VGA間的轉接等，轉接其他不同介面的裝置，從而擴大Thunderbolt的應用範圍，Intel在IDF就曾展示過這類轉接盒的原型。

在主機端方面，如前所述，目前只有新款MacBook Pro才內建Thunderbolt埠，Intel也尚未宣布日後是否會將Thunderbolt整合到主機板晶片組內。但從IDF的展示來看，若有適當的驅動程式配合，應該可以透過安裝搭載了Thunderbolt控制器晶片的PCIe介面卡，為既有的電腦主機增加Thunderbolt埠。

至於對企業應用來說，Thunderbolt的視訊影音傳輸功能並不那麼重要，但其PCIe外接化應用，將可提供一種相當有價值的高速資料通道。相比於其他10Gb頻寬等級（以上）的資料傳輸介面，如10Gb乙太網路、InfiniBand、外接式SAS等，以PCIe為基礎的Thunderbolt，成本應該是其中最低的，能以相對較低的成本提供10Gb等級連接頻寬。

雖然目前的Thunderbolt 1.0只能用於單純的連線環境，連接距離也不長，並不能替代其他10Gb等級介面在高速骨幹網路、儲存區域網路、叢集等環境中的應用。

但是對於較簡單、要求不高的某些直接連接儲存（DAS）應用，Thunderbolt有可能取代部份外接式SAS介面，用於伺服器與儲存設備間的連接，藉以滿足影像編輯、數位影音播放等應用的高傳輸頻寬需求。

另外Thunderbolt也有作為一種用於高效能運算環境的廉價、高頻寬互聯匯流排的潛力，在Light Peak研發階段，Intel曾進行過16臺Xeon 5540伺服器以Light Peak埠彼此直接互聯的測試，每臺伺服器安裝1或2片擁有4個Light Peak埠的原型PCIe介面卡，在測試中曾達到5.5Gbps的發送與7.8Gbps的接收速度，傳輸效能直追較低階的InfinBand。儘管這種直接互聯方式有許多限制，但這個測試仍展現了Thunderbolt在高效能運算應用上的潛力。

Thunderbolt 與既有幾種外接傳輸介面頻寬比較

形形色色的整合連接埠

將資料與數位影音傳輸整合到同一介面上，從而簡化線材與連接埠規格，並不是近日才出現的特殊構想，早在Intel推出 Thunderbolt之前，HDMI聯盟的HDMI 1.4版與HDBaseT聯盟的HDBaseT 1.0，也都是同時整合了資料與影音傳輸的連接技術。

2009年5月發布的HDMI 1.4版，增加了支援乙太網路協定的雙向100Mbps頻寬資料通道，可讓支援HDMI 1.4的HDMI 3C設備之間，直接使用特定規格的HDMI纜線建立網路連線，無需使用額外的乙太網路線。

HDMI 1.4是在原用於數位影音的HDMI纜線中增加乙太網路通道，而HDBaseT聯盟在2010年6月發布的HDBaseT 1.0則採取相反作法，直接使用RJ45接頭的CAT5e或CAT6網路線來傳輸數位影音訊號，同時也支援100BaseT乙太網路資料傳輸。

3種規格同樣都是單一纜線同時提供影音與資料傳輸，但HDMI 1.4與HDBaseT 1.0都是以影音傳輸為主，乙太網路資料傳輸為輔；而Thunderbolt則是影音與資料傳輸並重，提供的資料通道頻寬遠高於前兩者，不過前兩者都可支援多對一的集線器式連接，而Thunderbolt則只支援一對一串接。

Thunderbolt典型運作架構

Thunderbolt控制器晶片以PCIe 2.0 ×4匯流排接主機板南橋晶片，將PCIe匯流排轉為外接介面使用；還可透過另外一條DisplayPort訊號通道連接南橋晶片，在顯示晶片驅動下傳輸DisplayPort規格的數位影音訊號，連接端子規格可相容DisplayPort。

Thunderbolt的串接方式

Thunderbolt沿用類似DisplayPort的菊花鏈串接架構，每埠可串接6臺周邊裝置，第一臺周邊連接主機的Thunderbolt埠，第二臺周邊再連接第一臺，依此類推。為此每臺周邊須配置2個Thunderbolt埠，分別用於連接上一臺與下一臺設備。當菊花鏈中有DisplayPort螢幕時，必須接在最末端。

原生支援Thunderbolt應用的周邊概覽

Thunderbolt基本概念：整合資料與影音傳輸

Thunderbolt是以單一纜線同時承載PCIe的資料訊號與DisplayPort的數位影音訊號，使用一種規格的纜線即可連接採用Thunderbolt的外接設備，與符合DisplayPort規格的螢幕。

Thunderbolt連接端子規格

Thunderbolt連接端子規格相容於mini DisplayPort，能直接連接DisplayPort的螢幕或其他設備，或是原生支援Thunderbolt外接儲存設備。

Thunderbolt協定架構

Thunderbolt架構分為三層：通用傳輸層（Common Transport Layer）、電氣/光學層（Electrical/Optical Layer）與連接端子/纜線層（Cable and Connector），通用傳輸層可透過不同協定的adapter，為上層不同I/O協定的資料進行封裝與解封工作，並於物理層的單一纜線上傳輸。

當初在還稱為Light Peak的研發階段，曾謠傳Thunderbolt將能承載多種I/O協定，不過最後正式發表時，只原生支援PCIe與DisplayPort兩種。