Entwicklung der USB-Schnittstelle USB 4.0 kann wieder mehr

Mitte der 90er-Jahre gründen PC-Firmen das USB Implementers Forum (USB-IF) und legen die Spezifikation für einen universellen seriellen Bus fest, den neue Peripheriegeräte, seien es E/A-Gerät, Massenspeicher oder Kommunikationsschnittstelle, nutzen können. Die Punkt-zu-Punkt-Schnittstelle kann durch Hubs auf viele Geräte erweitert werden. Später wird die Datenrate mit USB 2.0 von 12 auf 480 Mbit/s erhöht, wobei die Abwärtskompatibilität zu langsameren Geräten beibehalten wurde.

USB 3.0: höhere Datenrate

Im Jahr 2008 definierte das USB-IF USB 3.0 und beseitigt den Engpass der Halbduplex-Kommunikation über ein einziges Leitungspaar, indem sie zwei unidirektionale SuperSpeed-Verbindungen für Downlink und Uplink einführt. Jede dieser Verbindungen besteht aus zwei differenziellen Leitungen und wird Lane genannt. Die Datenrate wird auf 5 Gbit/s, später auf 10 Gbit/s gesetzt, und es wird eine verbesserte Übertragungs- und Kodierungstechnologie eingesetzt.

Type-C: flexibler Steckverbinder

Der nächste Standard USB Type-C ist Software-kompatibel, bietet aber mehr Flexibilität bei der Hardware. Der neue Stecker hat 24 Leitungen. Es gibt nur einen Typ, der an sowohl an Host als auch Gerät passt, die Richtung des Kabels ist 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, zum Beispiel 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 somit die Datenrate auf „Enhanced SuperSpeed“ mit 20 Gbit/s.

Stammbaum von USB 4

USB 4 ist 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. Die Baumstruktur wird von USB übernommen.

USB 4 – elektrische Aspekte

USB 4 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 „USB 4 Gen X x Y“, wobei X die Datenrate und Y die Anzahl der Lanes angibt. Bislang definiert USB 4 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 die achtfache Datenrate. Im Vergleich zu USB 2.0, das bei USB-Memory-Sticks immer noch weit verbreitet ist, ergibt sich bei USB 4 eine mehr als 80-fache Steigerung.

USB 4 – Protokollaspekte

Eine Stärke von USB 4 ist die von Thunderbolt geerbte Fähigkeit, verschiedene andere Protokolle wie DisplayPort, PCI Express und Host-zu-Host-Übertragungen zu tunneln. Allerdings schreibt die USB-4-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-Plugging-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-Features im Überblick

USB 1.1/2.0 nutzt ein Paar Datenleitungen. Die nächste Generation fügte SuperSpeed auf getrennten Leitungspaaren hinzu, und USB Type-C fügte zwei weitere Lanes hinzu, um den Stecker wenden zu können. Die Reserve-Lanes konnten für alternative Modi, zum Beispiel 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, sodass sehr hochauflösende Displays angeschlossen werden können. USB 2.0/1.1 bleibt weiterhin völlig problemlos verfügbar, da es auf getrennten und unabhängigen Datenleitungen läuft.

Neben den neuen Funktionen bietet USB 4 eine neue Datenrate von 40 Gbit/s, die die mit USB 3.2 verfügbare Datenrate verdoppelt, wobei jede der zwei Lanes 20 Gbit/s überträgt. Die maximal erreichbare Kabellänge hat sich 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 absichtlich 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.

Zusammenfassung und Ausblick

USB 4 kombiniert höchste Bandbreite mit größter Vielseitigkeit für Peripheriegeräte und wurde auf der Grundlage der Erfahrungen mit früheren USB-Generationen und der Thunderbolt-Technologie spezifiziert. Durch die Verwendung von zwei parallelen Lanes und die Verdoppelung der Datenrate auf jeder Lane wurde die Gesamtdatenkapazität auf 40 Gbit/s erhöht, wodurch der Anschluss mehrerer Peripheriegeräte mit Hochgeschwindigkeits-USB, DisplayPort-Grafiken, PCIe-Lade-/Speicherfunktionen oder sogar Host-zu-Host-Verbindungen möglich wird.

Die USB-Stromversorgung ermöglicht ein bidirektionales Laden oder eine Stromversorgung zwischen Host und Gerät. Die Stecker und Kabel des USB Typ-C sind zukunftssicher und durch die Wendefunktion einfach handhabbar. Das Thunderbolt-3-Protokoll bietet Kompatibilität zu einer noch größeren Bandbreite an Peripheriegeräten, und die skalierbare (nicht nur wählbare) Bandbreite für Grafik und Daten macht die Schnittstelle flexibel und vielseitig.

USB 4 ist weiterhin eine echte Einkabellösung für viele unterschiedliche stationäre Systeme und mobile Geräte.