USB4 ermöglicht Datenraten bis zu 40Gbps
USB4 ist eine Synthese des klassischen USB und Thunderbolt. Die Geschwindigkeit von USB3 wird auf 40Gbps verdoppelt. Welche Möglichkeiten das neue Interface bietet, zeigt der folgende Beitrag*.
Bislang war Thunderbolt eine von Intel definierte und verwaltete Schnittstelle, für deren Nutzung Lizenzgebühren gezahlt werden mussten. Intel übergab die Spezifikation jedoch an die USB Implementers Group, die das hinzu gewonnene Know-How in die Spezifikation von USB4 einfließen ließ. Thunderbolt steuert das Konzept der gemeinsamen Nutzung der Bandbreite als auch die Tunnelarchitektur bei. Die beiden Lanes des wendbaren USB-Type-C-Anschlusses werden im Dual-Lane, Dual-Simplex-Modus verwendet und betrieben. Alle von Thunderbolt unterstützten Signale werden ebenfalls unterstützt, d.h. DisplayPort-Grafiken, PCIe-Daten, USB von Version 1.1 an und eine Leistung von bis zu 100W. Die Baumstruktur wird von USB übernommen. USB4 verwendet den USB-Type-C-Stecker mit 24 Pins und nutzt alle verfügbaren Leitungen. Um die Abwärtskompatibilität bis zur ersten Revision von USB aufrechtzuerhalten, werden zwei separate Leitungen zur Übertragung von USB 2.0/1.1-Signalen verwendet. Das neue Benennungsschema berücksichtigt die Vielfalt der verschiedenen Konfigurationen: Die Datenraten können unterschiedlich sein, und die Anzahl der Lanes variieren. 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: 5Gbps (X=1), 10Gbps (X=2) und 20Gbps (X=3). Begrenzt durch die verfügbaren Leitungen, kann es nur eine (Y=1) oder zwei (Y=2) Lanes geben. Die Verwendung von zwei Lanes verdoppelt die verfügbare Datenrate. Die beiden Lanes werden aggregiert und erscheinen dem System wie ein einziger Übertragungskanal, der in der Lage ist, die Datenrate bis zu einem Maximum von 40Gbps zu verdoppeln.
(Bild: HY-LINE Computer Components Vertriebs GmbH)
Datentunnel
Eine Stärke von USB4 ist die Fähigkeit, die es von Thunderbolt geerbt hat, verschiedene andere Protokolle wie DisplayPort, PCI Express und Host-zu-Host-Übertragungen zu tunneln. Interessanterweise schreibt die USB4-Spezifikation keine Thunderbolt-Unterstützung durch einen Host-Computer oder ein Gerät selbst, jedoch bei einem Hub zwingend, 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 im laufenden Betrieb. Das Protokoll ist vollständig kompatibel zu früheren Revisionen von USB. Schließlich kann das USB-PD-Protokoll (Power Delivery) implementiert werden, um Strom zum Betrieb oder Laden des Akkus bidirektional zwischen Host und Peripheriegeräten zu übertragen. Das Konzept des Datentunnelns erfordert die Anpassung der Protokolle und die Weiterleitung über einen Geräterouter, der Teil jedes Busteilnehmers (Host, Hub und Gerät) ist. Jedes Protokoll wird durch einen anwendungsspezifischen Protokollstack geleitet und dann in den Datenstrom gemultiplext. Eine gemeinsame Transportschicht überträgt die Signale an die elektrische Schicht, wo die physikalische Verbindung zum nächsten Gerät hergestellt wird. Auf der Geräte- oder Hub-Seite wird der gleiche Prozess in umgekehrter Richtung durchgeführt: Die Daten werden demultiplext und in die entsprechenden Kanäle wie PCI Express, DisplayPort oder USB sortiert.
Hinter USB4 versteckt sich der gemeinsame Nachfolger von USB 3.2 und Thunderbolt. (Bild: Hy-Line Computer Components Vertriebs GmbH)
Design und Topologie
Ein USB4-Hub muss alle Merkmale der USB4-Spezifikation vollständig unterstützen: 20 und 40Gbps Datenrate, getunnelte Protokolle, Enhanced SuperSpeed, Abwärtskompatibilität zu USB 3, USB 2.0/1.1 und die Verwendung eines PCI Express-Switch für volle Kompatibilität mit Thunderbolt 3-Signalen. Außerdem müssen alle (Ausgangs-)Ports den Anschluss eines Monitors für DisplayPort-Signale unterstützen. Die Spezifikation für USB4-Hosts und USB4-Geräte ist hingegen gelockert: Sie können mit der niedrigeren Datenrate von 20Gbps arbeiten, den Single- oder Dual-Link-Betrieb nutzen und unterstützen optional Thunderbolt 3, d.h. alle Vorteile der Link-Aggregation und der gemeinsamen Nutzung der Bandbreite ohne Unterstützung des PCI-Express-Protokolls. Gemäß der USB4-Spezifikation kann ein USB4-kompatibles Gerät alles sein: USB 2.0/1.1 oder 3.x-Gerät, USB4-Gerät, PCI-Express-Gerät, DisplayPort-Monitor oder sogar ein anderer Host. Die Spezifikation verlangt, dass die Teilnehmer vom Host bis zum Hub mit jedem von ihnen kommunizieren können, solange die angeforderte Bandbreite ausreicht.
