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經過驗證的 Mini-ITX 平台，專為工業、邊緣和嵌入式系統環境的可靠部署而設計。
配備 USB4 連接埠的 Mini-ITX 主機板：高效能整合指南
目錄
- 1.USB4 簡介及其在 Mini-ITX 設計中的角色
- 2.USB4 架構技術概述
- 3.跨 CPU 平台的 USB4 支援
- 4.控制器和訊號路徑設計的挑戰
- 5.USB 電源傳輸 (PD) 與連接埠設計
- 6.USB4 效能驗證與現實世界瓶頸
- 7.PCIe 和 DisplayPort 通道行為
- 8.USB4 系統的安全性與 DMA 保護
- 9.韌體、BIOS 和作業系統相容性層級
- 10.Mini-ITX USB4 主機板選購指南
- 11.可用性、成本與平台路線圖
- 12.最終工程考慮因素與建議
1.USB4 簡介及其在 Mini-ITX 設計中的角色
USB4 技術是精巧型嵌入式系統的轉捩點。它的高吞吐量、協定彈性和埠整合使其成為 Mini-ITX 主機板的轉捩點。對於打造小尺寸 (SFF) 裝置（從可攜式工作站到工業控制器）的硬體整合商而言，USB4 能以最小的空間提供全功能連接埠。
使用案例包括連接外部 GPU、NVMe 機殼、8K 顯示器和 Thunderbolt 底座，所有這些都只需一個 USB-C 連接器。隨著 Mini-ITX 板卡採用 USB4，瞭解訊號完整性、控制器佈局和平台限制對於成功部署至關重要。
2.USB4 架構技術概述
2.1 USB4 通訊協定、頻寬和分層隧道
USB4 使用對稱 Type-C 連接器，透過雙線信令支援高達 40 Gbps 的頻寬。它引入了 DisplayPort 2.0、PCIe Gen 3/4 和 USB 3.2 Gen 2 的隧道功能。裝置可動態協商通訊協定的使用，並向後相容於 USB 3.2 和 2.0。
2.2 USB4 vs Thunderbolt 3/4 vs USB 3.2
| 規範 | 最大速度 | PCIe 通道 | DP Alt 模式 | 認證 |
|---|---|---|---|---|
| USB 3.2 Gen 2×2 | 20 Gbps | 沒有 | 是 | 沒有 |
| Thunderbolt 3 | 40 Gbps | 是 | 是 | 僅 Intel |
| Thunderbolt 4 | 40 Gbps | 是 | 是 | 必須填寫 |
| USB4 | 40 Gbps | 是 | 是 | 選購 |
3.跨 CPU 平台的 USB4 支援
3.1 Intel LGA1700 與行動晶片組
Intel 第 11 代至第 14 代平台直接整合 Thunderbolt 4，可在相容的 Mini-ITX 顯示板上提供完整的 USB4 支援。範例包括
- 華碩 ROG Strix Z790-I Gaming WiFi
- 華擎 Z790 PG-ITX/TB4
3.2 AMD Ryzen 7000 系列 USB4 功能
AMD Rembrandt 和 Phoenix APU 技術上支援 USB4，但板級實作並不一致。許多 Mini-ITX AM5 顯示板完全沒有 USB4 連接埠，或是在韌體或訊號路由上提供 USB4 限制。
4.控制器和訊號路徑設計的挑戰
USB4 需要精確的高速 PCB 佈局。挑戰包括
- 在 Type-C 連接埠附近放置重定時器/驅動器
- 盡量減少 PCIe、DP 和 USB 訊號之間的軌跡長度和串音
- 保持跨層的差分阻抗
「許多 USB4 故障並非源自控制器，而是不良的軌跡佈局或負載下的電壓雜訊」。- 嵌入式平台工程師
5.USB 電源傳輸 (PD) 與連接埠設計
5.1 緊湊型板卡的 USB PD 3.1 負載規範
現代的 USB4 Mini-ITX 顯示板支援 PD 3.1 設定，包括 5V/3A、9V/3A 和 20V/5A。這些都需要強大的 PD 控制器和散熱規劃，才能在不過熱的情況下處理協商和傳輸。
5.2 Type-C 連接器機械與熱能工程
USB4 仰賴耐用的 Type-C 連接埠。華碩 Z790-I 等主機板使用通孔安裝和支架式遮罩強化連接埠。連接器接地不良或磨損可能會造成熱漂移或負載下不穩定的協商。
6.USB4 效能驗證與現實世界瓶頸
6.1 USB-C 儲存/顯示裝置的頻寬問題
實際上，由於下列原因，許多裝置無法充分利用 USB4 的頻寬：
- 低品質 USB-C 連接線
- BIOS 中不適當的隧道設定
- 驅動程式或作業系統回復至 USB 3.x 模式
6.2 訊號衰減、延遲和干擾風險
來自內部電源平面和鄰近電路的干擾可能會造成問題。USB4 路徑附近的屏蔽跡線通道和乾淨的 VRM 佈局，對於持續 40 Gbps 訊號傳輸是非常重要的。
7.PCIe 和 DisplayPort 通道行為
7.1 PCIe eGPU 使用案例與瓶頸
使用 USB4 的外接式 GPU 通常透過 PCIe x4 通道運作。雖然適用於輕量級工作負載，但卻落後於原生 x16 插槽。對延遲敏感的應用程式 (例如 VR、CAD) 可能會效能下降。
7.2 雙用連接埠中的 DisplayPort 2.0 / Alt 模式
透過 USB4 支援 DP Alt Mode 的主機板允許雙顯示器輸出、4K60 或甚至 8K30 (若支援)。需要適當的多工邏輯，以防止重新協商時發生顯示器停電的情況。
8.USB4 系統的安全性與 DMA 保護
如果 PCIe 通道沒有安全保護，USB4 就會暴露 DMA 攻擊面。Thunderbolt 認證的埠會強制執行 IOMMU 對應及 DMA 白名單，但一般的 USB4 埠可能不會。建議：
- 在 BIOS 中啟用 IOMMU
- 使用具有連接埠白名單的安全開機韌體
- 在嵌入式應用中避免使用不受信任的 USB4 底座
9.韌體、BIOS 和作業系統相容性層級
9.1 BIOS USB4 設定與通道分配
有些 BIOS 實作提供 USB4、lane bonding 或 PD 設定的切換鍵。這些選項通常沒有說明，或是韌體鎖定 - 部署前請務必更新至最新的 UEFI 版本。
9.2 Linux/Windows USB4 驅動程式支援與日誌
本機支援 USB4：
- Linux 核心 ≥ 5.6，搭配下列工具，例如
boltctl用於 Thunderbolt 隧道 - Windows 11 透過連線管理員提供整合式 USB4 支援
10.Mini-ITX USB4 主機板選購指南
10.1 具備 USB4 的 Intel 型 Mini-ITX 主機板
| 董事會 | USB4 支援 | 特點 |
|---|---|---|
| 華擎 Z790 PG-ITX/TB4 | 有 (TB4) | PCIe 5.0、3× M.2、Intel LGA1700 |
| 華碩 ROG Strix Z790-I | 有 (TB4) | Thunderbolt, Wi-Fi 6E, 雙 DP |
| 技嘉 Z790I AORUS Ultra | 部分 | 第 2×2 代 USB-C（驗證 USB4） |
10.2 基於 AMD 的 USB4 Mini-ITX 板卡
選項有限。華碩 ROG Strix X870-I 是少數提供完整 USB4 韌體支援的 AM5 顯示板之一。
11.可用性、成本與平台路線圖
11.1 USB4 Premium 與功能分散
具備 USB4 的主機板由於需要重定時器、PD 電路和認證，因此成本較高。Intel Mini-ITX 主機板在 USB4 可靠性方面佔有優勢 - 大部分 AMD ITX 主機板為了節省成本或 PCB 空間而排除 USB4。
11.2 ITX 的 USB4 2.0 版 (80 Gbps) 路線圖
支援 80 Gbps 和 DP2.1 通道的 USB4 v2.0 已於 2024 年初通過認證。ITX 顯示板尚未大量支援 v2.0。預計將於 2025 年中起上市。
12.最終工程考慮因素與建議
12.1 在 SFF 設計中整合 USB4 的最佳作法
- 檢查高速跡線附近的 USB4 路由是否有干擾
- 確認纜線相容性與實際連接埠速度
- 更新 BIOS/UEFI 韌體並監控 PD 協商記錄
12.2 何時 USB4 是必要的，何時 USB4 是可選的
如果您使用 USB4：
- 在小型機箱中使用 eGPU 或 Thunderbolt 底座
- 需要從單一連接埠提供多部 4K 顯示器
- 透過 USB-C 部署高速 NVMe 備份
摘要
- Intel Mini-ITX 顯示板 華碩 Z790-I 和華擎 Z790 PG-ITX 是 USB4 穩定性的最佳選擇。
- AMD USB4 ITX 支援 仍然是分散和利基
- USB4 效能鉸鏈 板上佈局、韌體和連接器的耐用性
- 經常測試 真實裝置-不只是規格
