USB 4
Einen Gang
Höher SCHALTEN
Der neue Standard
FÜR Maximale LEISTUNG
Seit 1996 ist USB (Universal Serial Bus) in der Tat die universelle Schnittstelle für Computerperipherie. Frühere Konkurrenten wie Firewire oder Thunderbolt konnten sich wegen USBs breiter Marktakzeptanz nicht durchsetzen und sind längst verschwunden (z.B. ADB, PS/2, SCSI, LVD, IEEE 1284 etc). Andere, etwa RS-232, führen nur noch ein Nischendasein im industriellen Sektor. Mit USB4 wird nun auch Thunderbolt 3 offiziell integriert, wodurch ein neuer, noch leistungsfähigerer Standard entstand.
Erfolgsgeschichte
USB
Mit USB 1.0 entstand erstmals die Idee, sämtliche Peripherie über einen einzigen Standardport anzubinden – damals eine revolutionäre Vision. Dank Plug & Play, Hot-Plugging und für die Zeit hoher Datenraten (12 Mbit/s) setzte sich USB schnell durch.
Spätere Versionen steigerten die Übertragungsgeschwindigkeit massiv: USB 2.0 auf 480 Mbit/s, USB 3.0 auf 5 Gbit/s, USB 3.1 auf 10 Gbit/s und USB 3.2 auf 20 Gbit/s. Damit konnten alternative Schnittstellen weitgehend verdrängt werden, nur Echtzeitanwendungen blieben Spezialfälle.
Blitz und
Donnerkeil
2011 wurde Thunderbolt von Intel und Apple vorgestellt. Es basiert auf DisplayPort und nutzt einen bidirektionalen PCIe-Datenkanal, was höhere Geschwindigkeiten ermöglichte. Thunderbolt 3 führte den USB-C-Stecker ein. Zu Beginn war Thunderbolt mit einer doppelten Geschwindigkeit von USB 3.0 ein ernstzunehmender Konkurrent. Dennoch konnte es sich aufgrund der weiten Verbreitung von USB und der kostengünstigeren Produktion von USB-Hardware nicht durchsetzen, auch nicht durch die Einführung der Abwärtskompatibilität zu USB 3.1.
Aus zwei
mach‘ eins
Daher verkündete Intel nun Anfang des Jahres 2019 zusammen mit dem USB Implementers Forum die Übergabe der Protokollspezifikationen von Thunderbolt an das USB-IF. Mitte bis gegen Ende des 3. Quartals wurde mit dem nun veröffentlichten Standard USB 4 (Enhanced Superspeed) die Fusion vollzogen – und dieser vereint unter dem Dach von USB mithin das Beste aus beiden Welten. Thunderbolt hat der neuen Spezifikation die maximale Übertragungsgeschwindigkeit von 40 Gbit/s mitgegeben – doppelt so schnell also wie der im Spätjahr 2017 publizierte Standard USB 3.2. USB hingegen hat die durch die Verwendung von Hubs mögliche Baumstruktur des gesamten Systems beigesteuert, denn Thunderbolt-Geräte konnten vormals lediglich als Kette miteinander verbunden werden. Hubs waren hier nicht vorgesehen.
Diese erhielten daher bei der Entwicklung von USB 4 auch besondere Zuwendung, denn sie sind nun ein gehöriges Stück komplexer geworden, müssen sie doch neben besagten Enhanced-Superspeed-Signalen auch das von TB 3 geerbte bidirektionale PCIe-Protokoll für schnelle Datenübertragung zu externen Massenspeichergeräten beherrschen. Weiter müssen sie mit Displayport-Signalen für den bei Thunderbolt seit Anbeginn und bei USB seit Version 3.1 möglichen DP Alternate Mode für die AV-Übertragung sowie für die Abwärtskompatibilität auch mit dem USB-2.0-Protokoll umgehen können.
Das Ganze
und die Summe seiner Teile
Das ist eine ganze Menge unterschiedlicher Protokolle. Damit USB 4 Host Adapter und Hubs sie alle beherrschen können, enthalten sie als interne Baugruppen unter anderem einen USB Enhanced Superspeed Host, USB 2.0-Hosts beziehungsweise -Hubs, einen PCIe-Controller beziehungsweise -Switch und Displayport-Adapter. Das Zusammenspiel zwischen diesen Baugruppen wird von je einer weiteren internen Komponente in Hosts, Hubs und Devices gesteuert und koordiniert, die Router genannt wird.
Aus USB ab Version 3.1 und TB 3 erhalten geblieben ist der Stecker Typ C. Er wurde im Fahrwasser von USB 3.1, jedoch unabhängig davon vorgestellt und ermöglicht über USB per Displayport Alternate Mode, was Thunderbolt schon von Anfang an beherrschte: das Umschalten von reiner USB- beziehungsweise Thunderbolt-Datenausgabe auf Displayport-Signale. Es werden dann die für die Datenübertragung vorgesehenen Aderpaare komplett oder teilweise für die Übertragung der AV-Daten verwendet. Somit können an diesem Anschluss nicht nur Peripheriegeräte, sondern auch Monitore und Beamer angeschlossen werden.
Entsprechend komplex gestaltet sich dann auch der Aufbau des Negotiation-Prozesses beim Ansteckvorgang eines Gerätes an einen Hub, bis dann auf dem gesamten Bus abschließend ausgehandelt ist, wer welche Daten mit welcher Geschwindigkeit bekommen kann beziehungsweise muss.
À propos Geschwindigkeit: Möglich sind bei USB 4 zwar maximal die für TB3 definierten 40 GBit/s, per Spezifikation bindend sind allerdings weniger, nämlich die für USB 3.2 verpflichtend festgelegten 20 GBit/s. Daraus folgt sofort, dass USB 4 nicht zwingend vollständig abwärtskompatibel zu Thunderbolt-3-Geräten sein muss. Diese laufen zwar an jedem USB-4-Host, reduzieren dann aber die Geschwindigkeit auf besagte 20 GBit/s. Man wird also beim Hardware-Erwerb genau hinschauen müssen, was möglich ist. Ob ein USB-4-Host die vollen 40 GBit/s liefern kann oder nicht, wird zumindest bei den Host-Adaptern der ersten ein oder zwei im Markt verfügbaren Generationen wohl eine Kostenfrage sein.
Babylon
lässt grüßen
Gewöhnungsbedürftig ist allerdings das seit USB 3.1 verwendete Bezeichnungsschema. Waren vor dieser Version die Geschwindigkeiten direkt aus der USB-Versionsnummer zuzuordnen (USB 2.0 mit 480 MBit/s, USB 3.0 mit 5 GBit/s), so musste man seit der Version 3.1 schon genauer hinschauen.Zur Erinnerung: Mit der Einführung von USB 3.1 galt, dass USB 3.0 mit 5 GBit/s fortan die Bezeichnung USB 3.1 Gen 1 (Gen für Generation) erhielt und USB 3.1 mit 10 GBit/s folgerichtig mit USB 3.1 Gen 2 bezeichnet wurde.
Mit der Einführung von USB 3.2 galt dann, dass USB 3.0 alias USB 3.1 Gen 1 mit 5 GBit/s nun USB 3.2 Gen 1 heißt. Es verwendet ein Aderpaar der Gen 1 mit 5 GBit/s.USB 3.1 alias USB 3.1 Gen 2 mit 10 GBit/s heißt nun USB 3.2 Gen 2 und verwendet ein Aderpaar der Gen 2 mit 10 GBit/s, während USB 3.2 mit 20 GBit/s USB 3.2 Gen 2×2 heißt, denn es verwendet zwei Aderpaare der Gen 2 mit je 10 GBit/s.
Das Schema wird erkennbar: Jede neue USB-Version beinhaltet die vorigen und unterscheidet die Datenraten durch das entsprechende Gen-Postfix. Ob sich dieses Schema nun auch mit USB 4 fortsetzen wird und die älteren Versionen 3.x wiederum namentlich angepasst werden, ist bislang noch nicht abschließend geklärt.
Fest steht aber: USB 4 mit 40 GBit/s wird USB 4 Gen 3×2 genannt, denn es verwendet zwei Aderpaare der (neuen) Gen 3 mit je 20 GBit/s, und USB 4 mit 20 GBit/s wird USB 4 Gen 2×2 genannt, denn es verwendet zwei Aderpaare der Gen 2 mit je 10 GBit/s.
Volle Übernahme
POWER DELIVERY
Komplett in USB 4 übernommen wurde der Standard Power Delivery in der neuesten Version, der sowohl unter USB ab Version 3.1 Gen 2 wie auch unter Thunderbolt 3 (also alle Versionen, die den Stecker Typ C verwenden) die Stromversorgung zwischen Host, Hubs und Devices aushandelt und regelt. Ausgehandelt werden Profile aus Spannung und Stromstärke (5V/2A, 12V/1,5A, 12V/3A, 20V3A oder 20V/5A) sowie die Versorgungsrichtung. Alle Kabel, die mehr als die für das Profil mit der geringsten Strombelastung vorgesehenen 1,5A vertragen, müssen dies über einen sogenannten E-Mark Chip kundtun, damit das richtige Profil ausgehandelt werden kann.
Dadurch wird es beispielsweise möglich, ein Netzteil mit USB-Typ-C-Stecker an den PD-fähigen USB-Anschluss eines Hubs oder einer Docking Station anzuschließen und diese über ein einziges für PD mit 5A ausgewiesenes USB-Typ-C-Kabel mit einem Notebook zu verbinden, um das Notebook darüber zu laden und gleichzeitig Daten zu übertragen. Mit der richtigen Ausstattung wird die Peripherie nun also übersichtlicher und der Kabelsalat auf dem Schreibtisch deutlich reduziert.
Was bedeutet dAs
für den Anwender?
Letztlich sind USB 4 und die Fusion von USB mit Thunderbolt nichts anderes als die Umsetzung der Marktanforderungen nach höheren Bandbreiten sowie einheitlichen und universellen Standards.
Die Übernahme des Know-How für die Übertragung von 40 Gbit/s und die Vereinheitlichung der beiden Standards unter dem Dach von USB kommt diesen Forderungen einen entscheidenden Schritt entgegen.
Ist USB 4 erst am Markt etabliert, und vorausgesetzt, man ist als Anwender im Besitz jener USB-Komponenten, die die volle USB-4-Funktionalität mit 40 GBit/s und allen PD-Profilen unterstützen, dann wird das Leben mit USB wohl leichter werden. Denn musste vorher anhand des am USB-Port aufgebrachten Logos identifiziert werden, ob ein Port nun für Thunderbolt oder USB vorgesehen war und zum anzuschließenden Gerät passte, weil beispielsweise ein TB-Gerät an einem USB-Port schlicht nicht lief, so wird mit USB 4 das Schlimmste, was passieren kann, eine Funktion mit reduzierter Datenrate sein. Mittel- bis langfristig wird es für sämtliche Peripherie nur noch einen Steckverbinder geben – Typ C. Geräte mit anderen Steckverbindern werden nach einer Gnadenfrist an einem Adapter wohl über kurz oder lang verschwinden.
Bis es jedoch soweit ist, ist man als Käufer gezwungen, die Augen offen zu halten und bei der Hardware, die man erwerben möchte, die Angaben der Hersteller hinsichtlich Geschwindigkeit (Gen-Postfix bei der USB-Version beachten) und PD-Fähigkeit der einzelnen Komponenten sehr genau unter die Lupe zu nehmen.
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