USB, die Vierte
Quelle: Lindy

USB, die Vierte

Von Axel Kerber

Der USB-Standard hat eine bewegte Geschichte hinter sich. USB 4 verspricht nun, Licht ins Spezifikations-Chaos zu bringen und vor allem die Nutzung entsprechender Kabel und Geräte entscheidend zu vereinfachen.
9. November 2019

     

Seit seiner Einführung Anno Domini 1996 in der Version 1.0 hat sich der Universal Serial Bus (USB) in der Tat zur universellen, omnipräsenten und nicht mehr wegzudenkenden IT-Schnittstelle für jegliche Rechnerperipherie etabliert. Viele der unzähligen, vorher existierenden Peripherie-Schnittstellen sind längst Geschichte (ADB, PS/2, SCSI, LVD, IEEE 1284 etc.). Andere, etwa RS-232, führen nur noch ein Nischendasein im industriellen Sektor. Im Verlauf der mittlerweile 23-jährigen Geschichte der USB-Schnittstelle gab es viele Hürden und Hindernisse, doch wurden potenzielle Konkurrenten wie Firewire 400 und 800, die manche Schwäche von USB korrigieren sollten, kraft der schieren Allgegenwart von USB schlicht vom Markt verdrängt. Andere – wie jetzt das 2011 von Intel in Kooperation mit Apple vorgestellte und bis zur Version 3 weiterentwickelte Thunderbolt – werden nun von USB 4 einfach assimiliert. Doch von Anfang an.

Erfolgsgeschichte USB

Der Entwicklung und Veröffentlichung von USB 1.0 lag erstmals der Gedanke zugrunde, eine Möglichkeit zu schaffen, sämtliche denkbare Computer-Peripherie über einen einzigen standardisierten Port mit Rechnern zu verbinden. Was heute selbstverständlich erscheint, war damals eine futuristische Idee, denn zu jener Zeit wurden Peripheriegeräte je nach technischer Anwendung und den Anforderungen an die Übertragungseigenschaften über eine Vielzahl unterschiedlicher Schnittstellen an PCs und Laptops angeschlossen. Diese sollten durch USB einheitlich ersetzt werden. Ausschlaggebend für das Gelingen dieses Ersetzungsprozesses waren hierbei neue Ideen wie das durch konsequent mit Hilfe spezifikationsimplizit definierter Geräteklassen umgesetzte Plug & Play und das Hot-Plugging-­Konzept bedingte einfache Handling sowie die für damalige Verhältnisse recht hohen Datenübertragungsraten von bis zu 12 MBit/s.


Im Verlauf der Weiterentwicklung von USB über die Versionen 1.1, die nur kleinere Spezifikationsfehler behob, USB 2.0 mit seiner Vervierzigfachung der Übertragungsrate auf 480 MBit/s im Jahr 2000, das 2008 vorgestellte USB 3.0 mit bis zu 5 GBit Bruttodatenrate und neu eingeführten erweiterten Steckverbindern, das aus 2013 stammende USB 3.1 mit 10 Gbit/s bis hin zum Ende 2017 publizierten USB 3.2 mit 20 GBit/s wurde die Datenübertragungsrate immer weiter aufgebohrt. Damit konnten bis dato potenzielle USB-Konkurrenten verdrängt oder zumindest in Schach gehalten werden. Einzig zeitkritische Echtzeitanwendungen blieben eine Nischendomäne für andere Systeme.

Blitz und Donnerkeil

Ab 2011 trat jedoch ein neues System auf den Plan: das von Intel in Kooperation mit Apple konzipierte und mechanisch wie elektrisch auf dem Displayport (DP) aufbauende Thunderbolt (engl. für Donnerkeil oder Blitz). Displayport, eigentlich eine reine AV-Schnittstelle, wurde um einen auf PCI Express basierenden bidirektionalen Datenkanal zu Thunderbolt erweitert. Dieser verwendet aktive Elektronik in seinen Steckverbindern und versteckt so den Physical Layer (das Übertragungsmedium) vor Host und Geräten. Dies sollte später eine eventuelle Umstellung von Kupferkabeln auf optische Kabel besonders vereinfachen. Die ersten beiden Versionen von Thunderbolt verwendeten dann auch folgerichtig einen DP-Stecker, nämlich den von ­Apple vorgestellten Steckverbinder Mini-­­DP. Thunderbolt 3 übernahm dann allerdings den zusammen mit USB 3.1 eingeführten, Steckrichtungs-unabhängigen und noch weiter miniaturisierten USB-Stecker­typ C.


Mit der anfangs etwa doppelten Geschwindigkeit von USB 3.0 war Thunderbolt von Beginn an ein ernstzunehmender Konkurrent zu USB, der zumindest technisch gesehen das Rüstzeug hatte, USB zurückzudrängen. Aufgrund der Marktverbreitung von USB und der wesentlich kostengünstiger produzierbaren Hardware für diesen Standard gelang dies jedoch nicht, und daran änderte auch die seit TB 3 eingeführte Abwärtskompatibilität zu USB 3.1 nicht viel.

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 dritten 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 denn 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.

Apropos Geschwindigkeit: Möglich sind bei USB 4 zwar maximal die für TB 3 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 2x2 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 3x2 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 2x2 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, 20V/3A 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 Gerät darüber zu laden und gleichzeitig Daten zu übertragen. Mit der richtigen Ausstattung wird die Peripherie also übersichtlicher und der Kabelsalat auf dem Schreibtisch deutlich reduziert.

Was bedeutet dies alles 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 USB-Dach kommt diesen Forderungen einen wichtigen 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 dieser 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 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.

Der Autor

Axel Kerber ist seit 25 Jahren im IT- und AV-­Business zuhause. Im Verlauf seiner Karriere bei Lindy in Mannheim als Mitarbeiter im technischen Support, Produktmanager, Leiter des technischen Supportes und seit einiger Zeit nun als technischer Redakteur tätig, war und ist er ständig auf Tuchfühlung mit den aktuellsten Technologietrends dieser Branche. Das Vordringen in die Tiefen der allerneuesten technologischen Entwicklungen des stets ­voranschreitenden Connectivity-Marktes sind ihm dabei Faszination, Antrieb und Herausforderung zugleich.



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