Pokud chcete vidět, co se skrývá v nitru kdejaké drobné elektroniky, určitě sledujte Jona Brunera z kalifornského Lumafieldu. Tato firma totiž vyrábí výpočetní tomografy pro rentgenovou průmyslovou inspekci a Jon pravidelně plní svůj profil na X záběry, jak pod drobnohledem vypadá microSD, 9V baterie anebo třeba falešné Airpody.
Zdaleka nejúspěšnější příspěvek sice pochází už z roku 2023, dodnes ale vlastně vůbec nezestárnul. Jon totiž v sérii obrázků a animací ukázal poměrně komplikované nitro značkového kabelu Apple Thunderbolt.
Na oficiálním e-shopu jej seženete za brutálních 3 990 korun (jsou tam i dražší) a výpočetní tomografie tehdy odhalila, že je to svým způsobem počítač plný integrovaných obvodů a řídících čipů.
Čip najdete i v kabelu za dvě stovky
Zpracování v podání Applu je samozřejmě perfektní, dnes si ale v praxi ukážeme, že čipy najdeme ve všech pokročilejších kabelech typu USB-C. Zpravidla to vyžaduje už samotná specifikace organizace USB-IF (USB Implementers Forum), která dohlíží na rozvoj celé technologie.
100W USB-C kabel s čipem za dvě stovky. Na dalších fotografiích si ukážeme, co se skrývá pod plechovým krytem konektoru
Zašel jsem proto k zelenému ufonovi a koupil nejlevnější půlmetrový AlzaPower AluCore USB-C to USB-C 3.2 Gen 2 100W zhruba za dvě stovky. Díky svým parametrům se totiž chlubí, že má v sobě jakýsi „chipset E-Mark.“
Pokusím se opatrně demontovat hliníkové pouzdro konektoru a podíváme se dovnitř, co to vlastně je a k čemu to slouží.
Pokud to utáhne 5 A, bude v tom e-marker
E-mark, nebo často ještě e-marker, je základní identifikační integrovaný obvod, který nesmí dle specifikace chybět v žádném USB-C kabelu, který splňuje některou z těchto podmínek:
- Přenáší elektrický proud vyšší než 3 A (třeba 20 V při 5 A u 100W kabelů)
- Podporuje rychlosti 5 Gb/s a více (USB 3.1 Gen 1 a vyšší)
- Podporuje alternativní datové režimy a je aktivní (o tom později)
Pod svrchním hliníkovým krytem se nachází další plechové pouzdro. Uvnitř už vidíme žíly jednotlivých signálů USB-C chráněné tepelně odolnou kaptonovou páskou
Je to vlastně naprosto logické. Zařízení propojená skrze USB-C se na začátku domlouvají na speciálním signálním pinu CC (Configuration Channel) zpravidla pomocí protokolu USB Power Delivery Messaging.
Dejme tomu, že bychom měli po ruce třeba laptop, který podporuje 100W napájení skrze USB-C, a stejně výkonný zdroj. Když je navzájem propojíme. Napájecí obvod laptopu se domluví se zdrojem a dojednají si cílový přenos energie.
Pod druhým krytem jsme už našli desku plošných spojů zalitou v pružném lepidle. Pomohl horký vzduch a voilà, už se na nás usmívá čip s označením 332A DvA3. Apple je poněkud sofistikovanější, ale také 15× dražší
U vyšších voltáží a proudů už ale tato domluva nestačí, protože kolik šťávy nakonec skutečně poteče z jedné strany na druhou, záleží také na kvalitě kabelu. Pokud má unést 100 W a proud 5 A, musí být pochopitelně přinejmenším mnohem robustnější.
Hele, nejsem z Aliexpressu, výrobce za mě ručí a toto všechno umím
Electronically Marked Cable proto zdroji řekne: „Hele, nejsem z Aliexpressu, výrobce za mě ručí a toto všechno umím.“ Abychom ale nekřivdili asijskému tržišti, i tam samozřejmě seženete kvalitní kabeláž. Jen prostě nebude stát tři dolary.
Techničtěji řečeno, spotřebič po elektrické detekci připojeného kabelu vyšle datovou zprávu typu Discover Identity a e-marker čip odpoví balíkem informací:
- Maximální proud
- Maximální napětí
- Přenosová rychlost
- Typ kabelu (pasivní/aktivní, certifikace, výrobce…)
E-marker proto funguje i jako forma digitálního podpisu.
V tomto scénáři není kabel s e-markerem potřeba, 22 W totiž není žádné turbo
Pokud by výrobce nechtěl, abychom k jeho krabičkám připojovali neznámou kabeláž, jednoduše odmítne jakoukoliv, která odpoví trošku jinak, anebo omezí výkon na nějaké bezpečné základní minimum, které funguje prakticky vždy.
Typickým příkladem je třeba certifikace Apple MFi (Made for iPhone/iPod/iPad), která provádí identifikaci podobným způsobem. Kabel může zároveň nabízet prvky šifrování, pokročilé monitorování teploty a další vylepšení.
Aktivní USB-C kabely mají redrivery a retimery
Základní USB-C kabely s jednoduchým e-markerem sice komunikují s druhou stranou, ale většinou je považujeme stále za pasivní. Stručně řečeno, můžeme jen doufat, že čip nelže a vodivé žíly utáhnou jak 5 A, tak velmi rychlý a bezchybný signál při přenosu dat.
Jejich protipólem jsou kabely aktivní, které do hry zapojují další integrované prvky a ty už opravdu zasahují do elektrického vedení. Aktivní kabely jsou zpravidla nezbytné pro ty nejnáročnější datové úlohy a zvláště tehdy, pokud už délku kabelu počítáme na metry.
Redriver TUSB1044A od Texas Instruments s rozměry 6 × 4 mm a pro přenosy do 10 Gb/s
V takovém případě totiž ve vodiči a při extrémní rychlosti (třeba USB 3.2 Gen 2x2, 20 Gb/s) chtě nechtě dochází k útlumu signálu, šumu a odrazům (interference) a k časové nestálosti jednotlivých pulzů (jitter/roztřesení). Sebečistější vodivý kov a sebelepší pasivní izolace už nestačí, a tak přichází řada na integrované obvody, kterým říkáme redriver a retimer.
Zatímco redriver plní zpravidla jen roli analogového zesilovače a znovu navýší amplitudu pulzujícího signálu, který se nám na delším kabelu už může pomalu ztrácet v šumu (viz odstup signálu od šumu), retimer je digitální. Postará se i o korekci taktu a prakticky kompletní rekonstrukci signálu.
Redrivery jsou levnější, jednodušší a hodí se spíše pro kratší kabely, kde se ještě tak neprojevují chyby v časování. Retimery jsou naopak časté u každého dvoumetrového vodiče, který se pyšní tím, že utáhne desítky gigabitů za sekundu. Kvůli digitálnímu zpracování sice přidají menší latenci, ta se ale dnes u korektně navržených obvodů pohybuje v řádu nižších desítek nanosekund.
Nejmenší procesory pro USB mají 1,37 mm²
Zbývá nám už jen poslední velký otazník. Jak se tam ty čipy proboha vejdou? Záběry z výpočetní tomografie z úvodu článku napovídají, že to opravdu není žádný problém.
Zatímco tržní velikáni jako Apple si často vyrobí integrované obvody na míru, ostatní mohou sáhnout po univerzálních armových mikrokontrolerech, které se v principu neliší od těch, se kterými si už roky hrajeme třeba v našem seriálu o programování elektroniky.
MSPM0C1104 v provedení DSBGA (1,6 × 0,86 mm) s osmi vývody je nejmenší univerzální procesor/mikrokontroler na světě
Krásným příkladem je třeba procesor MSPM0C1104 od Texas Instruments. K dispozici je v několika pouzdrech (rozměrech), přičemž letos v zimě firma představila doposud nejmenší variantu s osmi elektrickými vývody a plochou pouhých 1,37 mm² (1,6 × 0,86 mm).
V nitru se přitom skrývá stále poměrně výkonné 24MHz jádro Arm Cortex-M0+ s 16kB flashovou pamětí pro firmware a 1 kB RAM. Mikrokontroler má 12bitový A/D převodník, nabízí sériovou linku UART, nechybí digitální sběrnice SPI a I²C (komunikace s čidly; třeba s přesným teploměrem v kabelu) a všechny jeho digitální piny jsou 5V-tolerantní (malé čipy zpravidla pracují při mnohem nižším napětí 1,8 V a 3,3 V).
Čipy jsou levné. Platíme za značku a lidskou práci
Podle Texas Instruments je procesor o 38 % menší než srovnatelná konkurence na trhu, a tak se dodnes pyšní titulem nejmenší MCU na světě. Není to rozhodně nejmenší jednoúčelový integrovaný obvod na scéně, ale nejmenší procesor, do kterého nahrajete vlastní program. Třeba právě software e-markeru, anebo nějaké další obslužné aplikace pro špičkový kabel za tisíce.
E-marker v kabelu od Alzy má rozměry zhruba 2×2 mm. Stále je tedy násobně větší než tintítko od Texas Instruments
A jen tak na okraj, čipy samotné zvyšují cenu kabelu opravdu jen kosmeticky – není to grafika od Nvidie nebo nový herní Ryzen. Zmíněný MSPM0C1104 přijde ve větším objemu po přepočtu na 3,52 českých korun.
Platíme za značku, celkové kvalitní provedení, ale hlavně za práci inženýrů, kteří to celé zbastlili dohromady a potřebují zaplatit hypotéku a bazén pro děti. Ostatně, Apple opravdu není jediný a na trhu je hromada dalších USB-C kabelů s certifikací na nejvyšší rychlosti a s cenovkou přes tři tisíce korun.