USB4, manchmal auch als USB 4.0 bezeichnet bietet Übertragungsgeschwindigkeiten von 40 Gbit/s und genügend Videobandbreite für zwei 4K-Displays oder ein 8k-Display.

USB4, manchmal auch als USB 4.0 bezeichnet, bietet Übertragungsgeschwindigkeiten von 40 Gbit/s und genügend Videobandbreite für zwei 4K-Displays oder ein 8K-Display. (Bild: AdobeStock_528704155)

USB 4/USB 4.0 in Kürze

Von USB1 bis USB4 (manchmal auch USB 4 oder USB 4.0) der Universal Serial Bus kann immer mehr. USB4 kombiniert höchste Bandbreite mit größter Vielseitigkeit für Peripheriegeräte und basiert auf den Erfahrungen mit früheren USB-Generationen und der Thunderbolt-Technologie. Die Verwendung von zwei parallelen Lanes und die Verdoppelung der Datenrate auf jeder Lane erhöhte die Gesamtdatenkapazität auf 40 Gbps. Dies ermöglichte den Anschluss mehrerer Peripheriegeräte mit Hochgeschwindigkeits-USB, DisplayPort-Grafiken, PCIe-Lade-/Speicherfunktionen oder Host-zu-Host-Verbindungen. Eine Stärke von USB4 ist die von Thunderbolt geerbte Fähigkeit, andere Protokolle wie DisplayPort, PCI Express und Host-zu-Host-Übertragungen zu tunneln. Der Artikel verschafft einen Überblick über die Entwicklung von USB 1.1 bis USB4 und bietet Detailinformationen über die einzelnen USB-Features.

Mitte der neunziger Jahre begann die Entwicklung von USB. PC-Firmen gründen 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. Mittlerweile sind wir beim Standard 4.0. Dieser Artikel erzählt ein wenig über die Geschichte und über die Eigenschaften und Vorteile der neueste Generation.

Mit USB 2.0 wird die Datenrate von 12 auf 480 Mbps erhöht, wobei die Abwärtskompatibilität zu langsameren Geräten beibehalten wurde.  2008 definierte das USB-IF den USB-3.0-Standard 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, später auf 10 Gbps gesetzt, und es wird eine verbesserte Übertragungs- und Kodierungstechnologie eingesetzt.

"Diagramm zeigt eine detaillierte Pin-Belegung für einen USB-Stecker. Die Belegung umfasst mehrere Reihen mit Bezeichnungen wie GND, TX1+, TX1-, Vbus, CC1, D+, D-, SBU1 und andere. Jede Reihe ist farblich codiert, um Unterschiede zwischen den einzelnen Pins hervorzuheben."
Der USB-Type-C-Wendestecker ist einfach handhabbar. (Bild: Hy-Line)

USB-Standards im Überblick von USB 1.0 bis USB 4.0

USB 1.0/1.1

Der Übertragungsstandard USB 1.0/1.1 von 1996 war mit maximal 12 Mbit/s aus heutiger Sicht nicht wirklich schnell. Jedoch war die Datenrate deutlich höher, als die der sonst üblichen Schnittstellen und eeinfacher in der Handhabung.

USB 2.0

2001 kam USB 2.0 auf den Markt. Die Übertragungsgeschwindigkeit erhöhte sich um das 40fache auf 480 Mbit/sDer zur Verfügung stehende Strom erhöhte sich von 100 mA auf 500 mA.

USB 3.0/USB 3.1 (Gen1)

2008 kam der Standard 3.0 auf den Markt. dieser wurde ab 2013 als USB 3.1 (Generation 1) bezeichnet. Die Geschwindigkeit beträgt 5 Gbit/s und die Strombelastbarkeit 900 mA. Mit der Einführung von 3.2 wurde USB 3.1 (Gen1) in USB 3.2 Gen 1 (×1) umbenannt)

USB 3.1 (Gen 2)

Siet 2013 gibt es den Standard 3.1 (Gen2). Seine Übertragungsgeschwindigkeit beträgt 10 Gbit/s.Die Stromstärke liegt bei 5 A. Mit der Einführung von USB 3.1 (Gen2) in USB 3.2 Gen 2(×1) umbenannt.

USB 3.2

Der "echte" USB-Standard USB 3.2 wird als USB 3.2 Gen 2×2 bezeichnet und wurde im Juli 2017 veröffentlicht. Mit ihm sind Datenraten von bis zu 20 Gbit/s möglich. Da im Multi-Lane-Verfahren über je zwei Adernpaare 10 Gbit/s pro Richtung übertragen werden, sind USB-C-Stecker anstelle der weit verbreiteten USB-Typ-A-Steckver erforderlich.

USB4.0/USB4

USB4 wurde als gemeinsamer Nachfolger für USB 3.2 und Thunderbolt 3 im Jahr 2019 veröffentlicht. Von Thunderbolt wurde die gemeinsame Nutzung der Bandbreite sowie die Tunnelarchitektur und von USB die Baumstruktur übernommen. In der Ausführung USB4 Gen 3×2 wird eine Geschwindigkeit von bis zu 40 Gbit/s (20 Gbit/s pro Lane) erreicht. Ende letzten Jahres wurde die Version 2.0 des USB-4-Standards veröffentlicht. Die Version ermöglicht Geschwindigkeiten von bis zu 120 Gbit/s.

 

USB Type-C: Flexibler Steckverbinder mit 24 Leitungen

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 den Host als auch an das 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 Display Port 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 Gbps.

Die Thunderbolt-Schnittstelle verbindet zwei Hosts mit bis zu 40 Gbps

Die Konkurrenz zu USB wird Mitte der achtziger Jahre unter anderem von Apple Computers definiert. Die „Thunderbolt“-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 Gbps. Der Host stellt 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 diese Technologie in die Spezifikation von USB 4.0 einfließen lässt.

USB4 ist eine Synthese des klassischen USB und der Thunderbolt-Schnittstelle

USB4 ist eine Synthese des klassischen USB und Thunderbolt. Die Geschwindigkeit von USB3 wird auf 40 Gbps verdoppelt, was aus 20 Gbps pro Lane resultiert. Thunderbolt steuert das Konzept der gemeinsamen Nutzung der Bandbreite als auch die Tunnelarchitektur bei. Alle Thunderbolt-Signale werden unterstützt, das heißt Display-Port-Grafiken, PCIe-Daten, USB von 1.1 an und eine Leistung von bis zu 100 W. Die Baumstruktur wird von USB übernommen.

Die USB-Generationen und deren Terminologie im Überblick.
Die USB-Generationen und deren Terminologie im Überblick. (Bild: Hy-Line)

USB4 bietet eine Datenrate bis zu 40 Gbps

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 Gbps (X = 1), 10 Gbps (X = 2) und 20 Gbps (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 Gbps Datenrate.

Im Vergleich zum noch weit verbreiteten USB 3.1 mit 5 Gbps erlaubt die neueste Spezifikation die 8-fache 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.

USB4 kann verschiedene andere Protokolle tunneln

Eine Stärke von USB4 ist die von Thunderbolt geerbte Fähigkeit, verschiedene andere Protokolle wie Display Port, 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 Type-C eingeführt wurden, wird die Bandbreite mit einer feinen Granularität geteilt und 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.

Von USB 1.1/2.0 bis USB4: Diese Features gibt es

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 Display-Port-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 Display-Port-Daten umgewidmet, sodass sehr hochauflösende Displays angeschlossen werden können. USB 2.0/1.1 bleibt weiterhin verfügbar, da es auf getrennten Leitungen läuft.

 

Darstellung der Entwicklung der USB-Datenraten.
Darstellung der Entwicklung der USB-Datenraten. (Bild: Hy-Line)

In Kürze: 5 Fragen und Antworten zu USB 4.0

Was ist USB4?

USB4 ist die neueste Generation von USB, die Datenübertragungsraten von bis zu 40 Gbps unterstützt und auf dem Thunderbolt-Protokoll basiert.

Welche Steckertypen werden von USB4 unterstützt?

USB4 verwendet den USB-C-Steckertyp, der eine universelle Konnektivität und Benutzerfreundlichkeit sicherstellt.

Wie ist die Kompatibilität von USB4 mit älteren USB-Versionen?

USB4 ist rückwärtskompatibel mit älteren USB-Versionen, benötigt jedoch Adapter oder entsprechende Kabel für die Verbindung mit älteren Geräten.

Welche Vorteile bietet USB4 gegenüber früheren USB-Versionen?

USB4 bietet höhere Datenübertragungsraten, verbesserte Videoübertragungsfähigkeiten und effizientere Ressourcennutzung für angeschlossene Geräte.

Welche Videoübertragungsfähigkeiten hat USB4?

USB4 unterstützt die Übertragung von DisplayPort- und PCIe-Signalen, wodurch Benutzer gleichzeitig hochauflösende Videos und Daten über ein einziges Kabel übertragen können.

Neben den neuen Funktionen bietet USB4 eine neue Datenrate von 40 Gbps, die die mit USB 3.2 verfügbare Datenrate verdoppelt, wobei jede der zwei Lanes 20 Gbps 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 USB3 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 Gbps) bis 3 m, die Gen 2 (10 Gbps) bis 1 m zuverlässig. 20 Gbps können über 0,5 m erreicht werden. Distanzen insbesondere bei 20 Gbps können durch den Einsatz eines aktiven Kabels, das Re-Clocker und adaptive Equalizer einsetzt, verlängert werden.

Die USB-Features im Überblick.
Die USB-Features im Überblick. (Bild: Hy-Line)

USB4 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 Gbps erhöht, wodurch der Anschluss mehrerer Peripheriegeräte mit Hochgeschwindigkeits-USB, Display-Port-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 Type-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. USB4 ist eine echte Einkabellösung für viele stationäre und mobile Geräte. (neu)

Rudolf Sosnowsky

Technischer Leiter/Chief Technology Officer, Hy-Line Computer Components

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