Generationssprung
USB4 kann mehr als schnell
USB4 erhöht gegenüber den Vorgängerversionen nicht nur die Datenrate, sondern führt auch Geräte und Standards zusammen.
USB hat sich von einer einfachen „gemeinsamen Schnittstelle“ für einige Peripheriegeräte zu einer vielseitigen, universellen Hochgeschwindigkeitsschnittstelle für nahezu alle externen Geräte, einschließlich Bildschirmen und Massenspeichergeräten, entwickelt. Dazu durchlief der Bus mehrere Evolutionsstufen. Mitte der neunziger Jahre des letzten Jahrhunderts gründeten PC-Firmen das USB Implementers Forum (USB-IF) und legen die Spezifikation für einen universellen seriellen Bus fest, den neue Peripheriegeräte, seien es I/O-Gerät, Massenspeicher oder Kommunikationsschnittstelle, nutzen können. Die Punkt-zu-Punkt-Schnittstelle kann durch Hubs auf viele Geräte erweitert werden. Später wurde die Datenrate mit USB 2.0 von 12 Mbit/s auf 480 Mbit/s erhöht, wobei die Abwärtskompatibilität zu langsameren Geräten beibehalten wurde.
Einen großen Schritt wagte USB-IF im Jahr 2008 und beseitigt für USB 3.0 den Engpass der Halbduplex-Kommunikation über ein einziges Leitungspaar, indem sie zwei unidirektionale SuperSpeed-Verbindungen für Downlink und Uplink einführte. Jede dieser Verbindungen besteht aus zwei differentiellen Leitungen und wird Lane genannt. Die Datenrate wurde auf 5 Gbit/s, später auf 10 Gbit/s erhöht, und es wird eine verbesserte Übertragungs- und Kodierungstechnologie eingesetzt.
Der nächste Standard USB Type-C ist softwarekompatibel, bietet aber mehr Flexibilität bei der Hardware. Der neue Stecker hat 24 Leitungen. Es gibt nur einen Typ, der sowohl an einen Host als auch ein Gerät passt, die Richtung des Kabels ist somit umkehrbar. Der Host sorgt dafür, dass die Leitungen in die richtige Richtung geschaltet werden. Darüber hinaus implementiert USB Type-C sogenannte „Alternate modes“, bei denen einige Leitungen zur Übertragung anderer Signale als USB verwendet werden, beispielsweise DisplayPort oder MHL-Grafiken.
Da USB Type-C als reine USB-Verbindung ein Paar pro Richtung ungenutzt lässt, verwendet die nächste Revision von USB die "Reserve"-Leitungen, um Daten schneller zu übertragen, indem die beiden Kanäle gebündelt werden: USB 3.2 verdoppelt dadurch die Datenrate auf "Enhanced SuperSpeed" mit 20 Gbit/s.
Zwischenzeitlich wurde eine „Konkurrenz“ zu USB von Intel und Apple mit „Thunderbolt“ definiert: Die Schnittstelle ermöglicht nicht nur den Anschluss von Peripheriegeräten wie Festplatte, Scanner, Kamera, Monitor in einer Daisy-Chain-Konfiguration, sondern verbindet auch zwei Hosts mit bis zu 40 Gbit/s. Der Host stellt dabei jedem Peripheriegerät ausreichend Bandbreite zur Verfügung. Darüber hinaus kann über dieselbe Schnittstelle eine Leistung von bis zu 100 W bereitgestellt werden. Intel als Patentinhaber übergibt die Spezifikation an die USB Implementers Group, die dies Technologie in die Spezifikation von USB4 einfließen lässt.
USB4 ist damit eine Synthese des klassischen USB und Thunderbolt. Die Geschwindigkeit von USB 3 wird auf 40 Gbit/s verdoppelt, was aus 20 Gbit/s pro Lane resultiert. Thunderbolt steuert das Konzept der gemeinsamen Nutzung der Bandbreite als auch die Tunnelarchitektur bei. Alle Thunderbolt-Signale werden unterstützt, das heißt DisplayPort-Grafiken, PCIe-Daten, USB von 1.1 an und eine Leistung von bis zu 100 W. Von USB wird die Baumstruktur übernommen.
USB4 verwendet den USB-Type-C-Stecker mit 24 Pins und nutzt alle verfügbaren Leitungen. Zwei separate Leitungen zur Übertragung von USB-2.0/1.1-Signalen gewährleisten die Abwärtskompatibilität. Das neue Benennungsschema berücksichtigt die Vielfalt der verschiedenen Konfigurationen je nach Datenrate und der Anzahl der Lanes. Der vollständige Name lautet also „USB4 Gen X x Y“, wobei X die Datenrate und Y die Anzahl der Lanes angibt. Bislang definiert USB4 drei verschiedene Datenraten pro Lane: 5 Gbit/s (X = 1), 10 Gbit/s (X = 2) und 20 Gbit/s (X = 3). Begrenzt durch die verfügbaren Leitungen, kann es eine (Y = 1) oder zwei (Y = 2) Lanes geben. Zwei Lanes werden aggregiert und erscheinen dem System wie ein einziger Übertragungskanal mit bis zu 40 Gbit/s Datenrate. Im Vergleich zum noch weit verbreiteten USB 3.1 mit 5 Gbit/s erlaubt die neueste Spezifikation also die achtfache Datenrate. Im Vergleich zu USB 2.0, das bei USB-Memory-Sticks immer noch weit verbreitet ist, ergibt sich bei USB4 eine mehr als 80-fache Steigerung.
Eine Stärke von USB4 ist die von Thunderbolt geerbte Fähigkeit, verschiedene andere Protokolle wie DisplayPort, PCI Express und Host-zu-Host-Übertragungen zu tunneln. Allerdings schreibt die USB4-Spezifikation keine Thunderbolt-Unterstützung durch einen Host-Computer oder ein Gerät selbst vor. Anders als bei den „Alt-Modi“, die mit USB Typ-C eingeführt wurden, wird die Bandbreite mit einer feinen Granularität geteilt, nicht in Lane-Einheiten. Die Hot-Plug-Fähigkeit ermöglicht das Anschließen, Konfigurieren, Verwenden und Trennen von Peripheriegeräten, während der Host und andere Peripheriegeräte in Betrieb sind. Das Protokoll ist kompatibel zu früheren Revisionen von USB. Mit dem USB-PD-Protokoll (Power Delivery) kann Strom zum Betrieb oder Laden des Akkus bidirektional zwischen Host und Peripheriegeräten übertragen werden.
USB 1.1/2.0 nutzt ein Paar Datenleitungen. Die nächste Generation fügt SuperSpeed auf getrennten Leitungspaaren hinzu, und USB Type-C fügt zwei weitere Lanes hinzu, um den Stecker wenden zu können. Die Reserve-Lanes konnten für alternative Modi, wie DisplayPort-Videosignale, verwendet werden. Diese Funktion wird von USB Type-C in zwei Stufen genutzt: Im ersten Schritt werden zwei Lanes zur Übertragung alternativer Daten verwendet. In der zweiten Stufe werden alle SuperSpeed-Lanes für DisplayPort-Daten umgewidmet, so dass sehr hochauflösende Displays angeschlossen werden können. USB 2.0/1.1 bleibt weiterhin verfügbar, da es auf getrennten Leitungen läuft.
Allerdings hat sich mit USB4 die maximal nutzbare Kabellänge nochmals reduziert. Während die USB-1.1/2.0-Kabellänge hauptsächlich unter Zeitbeschränkungen litt - die maximale Zeit bis zum Rückempfang der Antwort beim Host - müssen die späteren Generationen mit den Eigenschaften von realen Kabeln und realen Steckern zurechtkommen. Ab USB 3 wird die Qualität der elektrischen Signale während der Enumeration überprüft, und die Sender wenden eine Vorverzerrung und Entzerrung an. Das bedeutet, dass das Signal am Sender gezielt verzerrt wird, um am Empfänger ein noch gutes Signal zu erhalten. Es liegt auf der Hand, dass ein „gutes“ Kabel mit konstanter und angepasster Impedanz, geringen Verlusten und geringer Kapazität eine größere Entfernung zulässt. Dennoch arbeitet die Gen 1 (5 Gbit/s) bis 3 m, die Gen 2 (10 Gbit/s) bis 1 m zuverlässig. 20 Gbit/s können über 0,5 m erreicht werden. Distanzen - insbesondere bei 20 Gbit/s - können durch den Einsatz eines aktiven Kabels, das Re-Clocker und adaptive Equalizer einsetzt, verlängert werden. Damit wird USB4 ist eine echte Einkabellösung für viele stationäre und mobile Geräte.
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