L’histoire du standard USB a subi beaucoup de changement par le passé. USB 4 promet désormais d’harmoniser les spécifications et surtout de faciliter l’utilisation des câbles et appareils associés.
Depuis son introduction en 1996, la version 1.0 a créé la notion « Universal Serial Bus », en clair l’USB, dans le but d’établir une interface IT universelle, omniprésente pour chaque périphérique. Les interfaces précédentes de périphériques ont eu une longue durée de vie (ADB, PS/2, SCSI, LVD, IEEE 1284 etc.). Les autres, comme le RS232, se trouvent encore dans le secteur de l’industrie. Au cours des 23 années d’existence de l’interface USB, de nombreux obstacles se sont posés, comme des concurrents potentiels tels que le Firewire 400 et 800 qui devaient corriger les faiblesses de l’USB, mais en raison de l’omniprésence de l’USB, ils ont été simplement exclus du marché. En 2011, d’autres comme Intel en collaboration avec Apple, ont présenté la norme avancée Thunderbolt jusqu’à la version 3 qui est assimilable à l’USB 4.
La success story de l’USB
Le développement et la libération de l’USB 1.0 étaient initialement basés sur la possibilité de connecter plusieurs périphériques à partir d’un seul port standardisé sur un ordinateur. Ce qui apparait compréhensible de nos jours, était à l’époque une idée futuriste, parce les périphériques étaient connectés aux PC et aux ordinateurs portables via différentes interfaces en fonction de l’utilisation technique et des exigences de transmission. Tout cela devait être remplacé via l’USB. Pour le succès de ce processus de remplacement, les nouvelles idées étaient décisives comme la mise en place des concepts «Plug & Play » et «Hot-Plug» pour des nouvelles classes de périphériques, ainsi que la prise en charge des transferts de données jusqu’à 12 Mbit/s.
Au cours du développement de l’USB vers la version 1.1, qui corrigeait seulement des petites erreurs de spécifications. En 2000 l’USB 2.0 multiplié son transfert de données par quarante, soit 480 MBit/s. En 2008 la version USB 3.0 arrive avec jusqu’à 5 Gbit/s et de nouveaux connecteurs, l’USB 3.1 en 2013 avec 10 Gbit/s jusqu’à la fin 2017 et l’USB 3.2 avec 20 GBit/s : les débits n’ont pas cessé d’augmenter. Ce qui dame le pion face aux potentiels concurrents de l’USB. Seules les applications en temps réel et critiques sont restés des niches pour les autres systèmes.
Thunderbolt, l’éclair
Mais à partir de 2011, un nouveau système est apparu : le Thunderbolt, conçu par Intel en coopération avec Apple et basé mécaniquement et électriquement sur le Display Port (DP). Displayport, une pure interface AV, a été étendu au Thunderbolt à partir d’un canal de données bidirectionnel basé sur le PCI Express. Il utilise une électronique active dans ses connecteurs et cache la couche physique (le média de transmission) de l’hôte et du périphérique. Ceci devrait simplifier plus tard une construction de câbles cuivre sur une fibre optique. Les deux premières versions Thunderbolt utilisaient un connecteur DP, c’est-à-dire sur le connecteur Mini DP d’Apple. Thunderbolt 3 a repris l’ensemble avec l’USB 3.1 dans un nouveau connecteur, réversible, miniaturisé : l’USB type C.
Avec une vitesse doublée par rapport à l’USB 3.0, Thunderbolt était un sérieux concurrent de l’USB, qui, au moins techniquement, avait les outils pour repousser l’USB. En raison du développement du marché de l’USB et du coût considérablement moins cher d’appareils pour ce standard, il n’a pas percé et la rétrocompatibilité avec l’USB 3.1 introduite depuis Thunderbolt 3 n’a pas beaucoup changé à cet égard.
De deux vers un
C’est pourquoi, début 2019, Intel et l’USB Implementers Forum ont annoncé le transfert des spécifications du protocole de Thunderbolt vers l’USB-IF. Entre juin et fin septembre, la fusion a été complétée par la norme USB 4 (Enhanced Superspeed), qui combine le meilleur des deux mondes en USB. Thunderbolt a donné à la nouvelle spécification la vitesse de transmission maximale de 40 Gbit/s – deux fois plus rapide que le standard USB 3.2 publié en fin d’année 2017. L’USB, d’autre part, a contribué à la structure du système en utilisant des hubs, car les périphériques Thunderbolt ne pouvaient être connectés entre eux que sous forme de chaîne. Les hubs n’étaient pas prévus ici.
Ceux-ci ont donc fait l’objet d’une attention particulière lors du développement de l’USB 4, car ils sont devenus beaucoup plus complexes, puisqu’en plus des signaux Enhanced Super Speed mentionnés ci-dessus, ils doivent également être capables de gérer le protocole PCIe bidirectionnel hérité de Thunderbolt 3 pour un transfert rapide des données vers des périphériques externes de stockage. Ils doivent également être capables de gérer les signaux Displayport en Alternate Mode pour la transmission AV, ce qui est possible en Thunderbolt depuis le début et en USB depuis la version 3.1, ainsi que le protocole USB 2.0 pour une rétrocompatibilité.
L’USB 4, plus en détail
Cela fait beaucoup de protocoles différents. Pour pouvoir contrôler des adaptateurs USB 4 et des Hubs, ils contiennent des modules internes tels que : USB Enhanced Superspeed Host, USB 2.0-Hosts et Hubs, un contrôleur PCIe (switch) et un adaptateur Displayport. L’interaction entre ces modules est géré et coordonné par un autre composant pour les hôtes (hosts), hubs, et périphériques (devices) : le routeur.
Le connecteur type C est resté dès la version USB 3.1 et Thunderbolt 3. Il a été introduit dans le sillage de l’USB 3.1, mais indépendamment de celui-ci, et permet la fonction Displayport Alternate Mode en USB, ce que Thunderbolt a maîtrisé dès le départ : l’ajout de données pures (data) USB ou Thunderbolt à des signaux Displayport. Les fils du connecteur sont ensuite utilisés en tout ou en partie pour la transmission de données AV. Ce connecteur pourra alors accepter la connexion de périphériques (devices), mais aussi des écrans et des projecteurs.
Le processus de négociation lors de la connexion d’un appareil à un hub est donc complexe, jusqu’à ce qu’il soit finalement validé sur le bus qui définit le type de données et la vitesse à utiliser.
À propos de vitesse : bien que les 40 GBit/s maximums définis pour Thunderbolt 3 soient réellement possibles pour l’USB 4, les spécifications sont moins contraignantes, à savoir 20 GBit/s définis pour l’USB 3.2. Par conséquent, l’USB 4 n’a pas besoin d’être entièrement rétrocompatible avec les périphériques Thunderbolt 3. Ces derniers fonctionnent correctement sur chaque port USB 4 de l’hôte (host) et réduisent donc la vitesse à 20 GBit/s. Vous devrez donc lire de près ce qui est possible lors de l’achat de ce type de matériel. Savoir si un hôte USB-4 peut prendre en charge la totalité des 40 GBit/s ou non sera probablement une question de coût, du moins pour les adaptateurs hôtes de la première ou deuxième génération disponibles sur le marché.
Les désignations en USB changent
Depuis l’USB 3.1, il va falloir s’habituer à une autre logique. Avant la version 3.1, chaque vitesse était identifiable à la version USB utilisée (USB 2.0 jusqu’à 480 MBit/s, USB 3.0 jusqu’à 5 GBit/s), mais cela devient plus précis depuis la version 3.1. Pour rappel depuis l’introduction de l’USB 3.1 : USB 3.0 avec 5 GBit/s s’appelle désormais USB 3.1 Gen 1 (Gen pour Génération). L’USB 3.1 avec 10 GBit/s a donc été appelé USB 3.1 Gen 2.
Avec l’introduction de l’USB 3.2 : USB 3.0 alias USB 3.1 Gen 1 à 5 GBit/s signifie maintenant USB 3.2 Gen 1. Il utilise une paire de fil de la Gen 1 à 5 GBit/s. USB 3.1 alias USB 3.1 Gen 2 à 10 GBit/s s’appelle désormais USB 3.2 Gen 2 et utilise une paire de fil de la Gen 2 à 10 GBit/s, alors que l’USB 3.2 à 20 GBit/s s’appelle USB 3.2 Gen 2×2, qui utilise donc deux paires de fils de la Gen 2, chacune à 10 GBit/s.
La logique devient reconnaissable: chaque nouvelle version USB conserve les précédentes et différencie les vitesses de transfert via le terme « Gen ». La question de savoir si cette logique va maintenant se poursuivre en USB 4 et si les anciennes versions 3.x seront adaptées par leur nom n’a pas encore été définitivement clarifiée. Cela dit, deux points sont clairement définis: l’USB 4 en 40 GBit/s sera nommé USB 4 Gen 3×2 qui utilisera deux paires fils de la (nouvelle) Gen 3, chacune à 20 GBit/s. L’USB 4 en 20 GBit/s sera nommé USB 4 Gen 2×2 qui utilisera deux paires de fils de la Gen 2, chacune à 10 GBit/s.
Prise en charge totale: Power Delivery
L’USB 4 prend intégralement en charge le standard Power Delivery, y compris sa dernière version qui choisit et régule l’alimentation entre l’hôte, les hubs et les périphériques dès la version USB 3.1 Gen 2 et Thunderbolt 3 (ou toutes les versions qui utilisent un connecteur type C). Les choix sont basés sur des profils de la tension et du courant (5V/2A, 12V/1.5A, 12V/3A, 12V/3A, 20V3A ou 20V/5A) ainsi que du sens d’alimentation. Tous les câbles USB, qui tolèrent la consommation du profil minimal à 1,5A, se font analyser par un chipset E-Mark qui effectuera la sélection du bon profil d’alimentation.
Il est alors possible de connecter une alimentation secteur avec connecteur USB type C à la prise USB Power Delivery d’un hub ou d’une Docking Station, puis d’y connecter un Notebook via un autre câble USB type C en Power Delivery 5A pour pouvoir transférer les données et charger en même temps ce même Notebook. Avec ce montage, l’encombrement des câbles sur le bureau est considérablement réduit.
Cela signifie quoi pour l’utilisateur?
En fin de compte, l’USB 4 et la fusion de l’USB avec Thunderbolt ne sont rien de plus que la mise en œuvre des exigences du marché pour des bandes passantes plus élevées et des normes uniformes et universelles. La reprise du savoir-faire pour la transmission de 40 Gbit/s et l’unification des deux standards sous l’égide de l’USB répondent à ces exigences, soit une étape décisive.
Une fois l’USB 4 établi sur le marché, et en supposant que l’utilisateur possède les composants USB qui prennent en charge toutes les fonctionnalités USB 4 avec 40 Go/s et tous les profils Power Delivery, la vie avec USB deviendra probablement plus facile. Il faudrait au préalable identifier par le logo apposé sur le port USB, qu’il s’agisse d’un port destiné à Thunderbolt ou USB et qu’il prenne en charge le périphérique à connecter. Si, par exemple, un périphérique Thunderbolt ne fonctionnait tout simplement pas sur un port USB, alors l’USB 4 réduira la vitesse de transfert, soit la pire chose qui puisse arriver. À moyen et à long terme, tous les périphériques auront un seul et même connecteur : l’USB type C. Les périphériques avec d’autres connecteurs pourront encore être utilisés à l’aide d’adaptateurs mais finiront par disparaitre à court ou long terme.
D’ici là, les acheteurs sont obligés d’être attentifs et d’examiner de très près les spécifications du fabricant concernant la vitesse (le terme ‘Gen’ pour la version USB) et la capacité Power Delivery des différents composants pour le matériel qu’ils veulent acheter.
L’auteur
Très à l’aise dans les domaines IT et AV depuis 25 ans, Axel Kerber, au cours de sa carrière chez Lindy à Mannheim, a successivement été technicien Support, Responsable technique, Responsable Produits. Toujours à l’écoute des dernières tendances technologiques du secteur, il est à la fois fasciné, motivé et guidé par les dernières avancées technologiques du marché de la connectivité, en constante évolution.