Einführung zu USB 4

Einführung zu USB 4

USB4 ist das in der USB4-Spezifikation beschriebene USB-System. Das USB Developers Forum veröffentlichte Version 1.0 am 29. August 2019. USB4 steht für Universal Serial Bus Generation 4. Es basiert auf der Datenübertragungstechnologie „Thunderbolt 3“, die gemeinsam von Intel und Apple entwickelt wurde. Die Datenübertragungsgeschwindigkeit von USB4 erreicht bis zu 40 Gbit/s und ist damit doppelt so schnell wie die des kürzlich erschienenen USB 3.2 (Gen2×2).

Im Gegensatz zu früheren USB-Protokollstandards benötigt USB4 einen USB-C-Anschluss und USB PD zur Stromversorgung. Verglichen mit USB 3.2 ermöglicht es die Einrichtung von DisplayPort- und PCI-Express-Tunneln. Diese Architektur definiert ein Verfahren zur dynamischen gemeinsamen Nutzung einer einzigen Hochgeschwindigkeitsverbindung durch mehrere Endgeräte, wodurch die Datenübertragung optimal nach Typ und Anwendung gesteuert werden kann. USB4-Produkte müssen einen Durchsatz von 20 Gbit/s unterstützen und können bis zu 40 Gbit/s erreichen. Aufgrund der Tunnelübertragung kann die tatsächliche Datenübertragungsrate bei gemischten Daten jedoch selbst bei einer Übertragungsrate von 20 Gbit/s höher sein als bei USB 3.2 (USB 3.1 Gen 2).

USB4 ist in zwei Versionen unterteilt: 20 Gbit/s und 40 Gbit/s. Geräte mit USB4-Schnittstelle bieten entweder die 40-Gbit/s-Geschwindigkeit von Thunderbolt 3 oder eine reduzierte Version mit 20 Gbit/s. Wenn Sie ein Gerät mit der höchsten Übertragungsgeschwindigkeit von 40 Gbit/s erwerben möchten, sollten Sie die Spezifikationen vor dem Kauf prüfen. Für Anwendungen, die eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit erfordern, ist die Wahl des passenden USB-3.1-C-zu-C-Kabels entscheidend, da es die Grundlage für die Erreichung der 40-Gbit/s-Rate bildet.

Viele sind bezüglich des Verhältnisses zwischen USB 4 und Thunderbolt 4 verunsichert. Tatsächlich basieren beide auf dem Thunderbolt-3-Protokoll. Sie ergänzen sich und sind kompatibel. Die Schnittstellen sind beide vom Typ C, und die maximale Geschwindigkeit beträgt bei beiden 40 Gbit/s.

Zunächst einmal bezieht sich das hier erwähnte USB4-Kabel auf den Übertragungsstandard von USB, eine Protokollspezifikation, die die Leistung und Effizienz der USB-Übertragung regelt. USB4 kann als die „vierte Generation“ dieser Spezifikation verstanden werden.

Das USB-Übertragungsprotokoll wurde 1994 von mehreren Unternehmen, darunter Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC und Nortel, gemeinsam vorgeschlagen und entwickelt. Es wurde am 11. November 1994 als USB V0.7 veröffentlicht. Später, im Jahr 1995, gründeten diese Unternehmen eine gemeinnützige Organisation zur Förderung und Unterstützung von USB, das USB Implementers Forum, bekannt als USB-IF. Das USB-IF ist heute die Standardisierungsorganisation für USB.

1996 schlug das USB-IF offiziell die USB-1.0-Spezifikation vor. Die Übertragungsrate von USB 1.0 betrug jedoch nur 1,5 Mbit/s, der maximale Ausgangsstrom 5 V/500 mA, und zu dieser Zeit gab es nur sehr wenige Peripheriegeräte mit USB-Unterstützung, weshalb Mainboard-Hersteller USB-Schnittstellen selten direkt auf dem Mainboard integrierten.

▲USB 1.0

Im September 1998 veröffentlichte das USB-IF die USB-1.1-Spezifikation. Die Übertragungsrate wurde diesmal auf 12 Mbit/s erhöht, und einige technische Details von USB 1.0 wurden korrigiert. Der maximale Ausgangsstrom blieb bei 5 V/500 mA.

Im April 2000 wurde der USB-2.0-Standard mit einer Übertragungsrate von 480 Mbit/s (60 MB/s) eingeführt. Das ist das 40-Fache von USB 1.1. Der maximale Ausgangsstrom beträgt 5 V/500 mA, und der Anschluss ist vierpolig. USB 2.0 ist bis heute im Einsatz und gilt als der langlebigste USB-Standard.

Angefangen bei USB 2.0 bewies USB-IF sein „einzigartiges Talent“ im Umbenennen von Bezeichnungen.

Im Juni 2003 benannte das USB-IF die Spezifikationen und Standards von USB um und änderte USB 1.0 in USB 2.0 Low-Speed, USB 1.1 in USB 2.0 Full-Speed ​​und USB 2.0 in USB 2.0 High-Speed.

Allerdings hatte diese Änderung zu diesem Zeitpunkt nur geringe Auswirkungen auf die aktuelle Situation, da USB 1.0 und 1.1 im Grunde schon der Vergangenheit angehören.

Im November 2008 schloss die USB 3.0 Promoter Group, bestehend aus Branchengrößen wie Intel, Microsoft, HP, Texas Instruments, NEC und ST-NXP, die Entwicklung des USB 3.0-Standards ab und veröffentlichte ihn. Der offizielle Name lautete „SuperSpeed“. Die USB Promoter Group ist hauptsächlich für die Entwicklung und Formulierung der USB-Standards verantwortlich, die schließlich an das USB-IF zur Verwaltung übergeben werden.

Die maximale Übertragungsrate von USB 3.0 erreicht 5,0 Gbit/s, was 640 MB/s entspricht. Der maximale Ausgangsstrom beträgt 5 V/900 mA. Es ist vollständig kompatibel mit USB 2.0 und unterstützt Vollduplex-Datenübertragung (d. h. es kann Daten gleichzeitig empfangen und senden, während USB 2.0 nur Halbduplex unterstützt). Darüber hinaus bietet es verbesserte Energiemanagement-Funktionen und weitere Vorteile.

USB 3.0 verwendet einen 9-poligen Stecker. Die ersten vier Pins sind identisch mit denen von USB 2.0, während die restlichen fünf Pins speziell für USB 3.0 ausgelegt sind. Daher lässt sich anhand der Pinbelegung feststellen, ob es sich um USB 2.0 oder USB 3.0 handelt.

Im Juli 2013 wurde USB 3.1 veröffentlicht, mit einer Übertragungsgeschwindigkeit von 10 Gbit/s (1280 MB/s), das als SuperSpeed+ beworben wurde, und die maximal zulässige Versorgungsspannung wurde auf 20 V/5 A, also 100 W, erhöht.

Das Upgrade von USB 3.1 gegenüber USB 3.0 war ebenfalls sehr deutlich. Allerdings benannte das USB-IF USB 3.0 schon bald in USB 3.1 Gen1 und USB 3.1 in USB 3.1 Gen2 um.

Diese Namensänderung führte zu Problemen für Verbraucher, da viele skrupellose Händler Produkte lediglich als USB 3.1-kompatibel auf der Verpackung kennzeichneten, ohne anzugeben, ob es sich um Gen1 oder Gen2 handelte. Tatsächlich ist die Übertragungsleistung der beiden Generationen deutlich unterschiedlich, und Verbraucher könnten leicht in eine Falle tappen. Daher war diese Namensänderung für die meisten Verbraucher ein Fehler.

Im September 2017 wurde USB 3.2 veröffentlicht. Unter USB Typ-C unterstützt es zwei 10-Gbit/s-Kanäle für die Datenübertragung mit einer Geschwindigkeit von bis zu 20 Gbit/s (2500 MB/s), wobei der maximale Ausgangsstrom weiterhin 20 V/5 A beträgt. Andere Aspekte wurden nur geringfügig verbessert.

▲Der Prozess der USB-Namensänderungen

Im Jahr 2019 nahm das USB-IF jedoch eine weitere Namensänderung vor. Sie benannten USB 3.1 Gen1 (das ursprüngliche USB 3.0) in USB 3.2 Gen1, USB 3.1 Gen2 (das ursprüngliche USB 3.1) in USB 3.2 Gen2 und USB 3.2 in USB 3.2 Gen 2×2 um.

Gegenwart und Zukunft: Der Sprung nach vorn mit USB4

Nachdem wir nun USB4 erreicht haben, werfen wir einen Blick auf die Neuerungen und Verbesserungen dieses Protokollstandards. Da es sich um ein Upgrade von USB3 auf USB4 handelt, muss die Verbesserung erheblich sein.

Auf Grundlage aller gesammelten Informationen lassen sich die neuen Funktionen von USB4 wie folgt zusammenfassen:

1. Maximale Übertragungsgeschwindigkeit von 40 Gbit/s:

Durch die Zweikanalübertragung sollte die theoretische maximale Übertragungsgeschwindigkeit von USB4 40 Gbit/s erreichen können, was der von Thunderbolt 3 (im Folgenden als „Thunderbolt 3“ bezeichnet) entspricht.

Tatsächlich wird USB4 drei Übertragungsgeschwindigkeiten bieten: 10 Gbit/s, 20 Gbit/s und 40 Gbit/s. Wenn Sie also ein Gerät mit der höchsten Übertragungsgeschwindigkeit von 40 Gbit/s erwerben möchten, sollten Sie die technischen Daten vor dem Kauf überprüfen.

2. Kompatibel mit Thunderbolt 3-Schnittstellen:

Manche (nicht alle) USB4-Geräte sind auch mit Thunderbolt 3-Schnittstellen kompatibel. Das heißt, wenn Ihr Gerät über eine USB4-Schnittstelle verfügt, können Sie unter Umständen auch ein externes Thunderbolt 3-Gerät anschließen. Dies ist jedoch nicht zwingend. Ob ein Gerät kompatibel ist, hängt von den Vorgaben des Geräteherstellers ab.

3. Fähigkeit zur dynamischen Bandbreitenressourcenzuweisung:

Wenn Sie den USB4-Anschluss gleichzeitig zum Anschluss eines Displays und zur Datenübertragung nutzen, teilt der Anschluss die Bandbreite entsprechend der jeweiligen Situation auf. Benötigt das Video beispielsweise nur 20 % der Bandbreite für die Ansteuerung eines 1080p-Displays, stehen die verbleibenden 80 % für andere Aufgaben zur Verfügung. Dies war mit USB 3.2 und früheren Versionen nicht möglich. Dort wechselte sich der USB-Betrieb ab.

4. Alle USB4-Geräte unterstützen USB PD.

USB PD steht für USB Power Delivery (USB-Stromübertragung) und ist eines der gängigen Schnellladeprotokolle. Es wurde von der USB-IF-Organisation entwickelt. Diese Spezifikation ermöglicht höhere Spannungen und Ströme mit einer maximalen Übertragungsleistung von bis zu 100 W, wobei die Stromübertragungsrichtung frei wählbar ist.

Gemäß den Richtlinien des USB-IF sollte die Standardform der aktuellen USB-PD-Ladeschnittstelle USB Typ-C sein. Die USB-Typ-C-Schnittstelle verfügt über zwei Pins, CC1 und CC2, die für die Konfiguration der PD-Kommunikationskanäle verwendet werden.

5. Es kann nur die USB-Typ-C-Schnittstelle verwendet werden.

Aufgrund dieser Eigenschaft ist es naheliegend, dass USB4 ausschließlich über USB-Typ-C-Anschlüsse funktioniert. Tatsächlich ist nicht nur USB PD, sondern auch der aktuelle USB-IF-Standard nur mit Typ-C kompatibel.

6. Kann abwärtskompatibel mit früheren Protokollen sein.

USB4 ist mit USB-3- und USB-2-Geräten und -Anschlüssen kompatibel. Das heißt, es ist abwärtskompatibel zu älteren Protokollstandards. USB 1.0 und 1.1 werden jedoch nicht unterstützt. Schnittstellen, die dieses Protokoll verwenden, sind heutzutage fast vollständig vom Markt verschwunden.

Natürlich kann ein USB4-Gerät, das an einen USB-3.2-Anschluss angeschlossen ist, nicht mit einer Geschwindigkeit von 40 Gbit/s übertragen werden. Und die veraltete USB-2-Schnittstelle wird nicht schneller, nur weil sie an eine USB4-Schnittstelle angeschlossen ist.