USB-Evolution: Von Kabelsalat zu Hochgeschwindigkeits-Technologie

Erinnern Sie sich an das Kabelsalat-Chaos, das in den 1990er Jahren die Computertische verstopfte? Die Ära der seriellen, parallelen und proprietären Schnittstellen machte den Anschluss von Peripheriegeräten zu einem Albtraum. Die Einführung von Universal Serial Bus (USB) revolutionierte diese Landschaft und ersetzte sperrige Anschlüsse durch die kompakte und kostengünstige USB-Typ-A (USB-A)-Schnittstelle. Heute sind Milliarden von USB-Geräten täglich im Einsatz, was USB zur dominierenden kabelgebundenen Schnittstelle für Laptops, Tablets und Smartphones macht.

USB hat mehrere Iterationen durchlaufen (siehe Tabelle 1), wobei jede verfeinert hat, wie Kabel angeschlossen werden, kommunizieren und Strom an Computer, mobile Geräte und Peripheriegeräte liefern. Der neueste USB4-Standard stellt, wie seine Vorgänger, einen bedeutenden Fortschritt in Bezug auf Datenübertragungsgeschwindigkeiten, Videoauflösung und Stromversorgungsfähigkeiten dar.

Moderne Geräte verfügen typischerweise über mindestens drei verschiedene USB-Anschlusstypen. Unter diesen hat USB-C in neueren Geräten aufgrund seiner kompakten Größe, der schnellen Datenübertragungsraten und der Fähigkeit, bis zu 240 W Leistung zu liefern, an Bedeutung gewonnen. USB-C-Kabel unterstützen auch hochauflösende 4K- und 8K-Videoübertragung. Obwohl sie funktional ähnlich sind, verwenden Lightning-Anschlüsse ein anderes Anschlussdesign.

Das Design des USB-C-Anschlusses spielt eine entscheidende Rolle für die Datenübertragungsgeschwindigkeiten. Jeder USB-Typ-C-Anschluss enthält vier Pinpaare (genannt "Lanes"), die für das Senden (TX) und Empfangen (RX) von Daten vorgesehen sind. USB 3.0 (5 Gbit/s) und USB 3.1 (10 Gbit/s) verwenden eine TX- und eine RX-Lane, wobei die Ausrichtung bestimmt, welche Lanes aktiv sind. USB 3.2 nutzt alle vier Lanes, um Geschwindigkeiten von 20 Gbit/s zu erreichen.

Die aktuelle USB 3.2-Namenskonvention kombiniert Geschwindigkeit mit der Anzahl der Lanes. Zum Beispiel bezeichnet USB 3.2 Gen 1×2 5 Gbit/s × 2 Lanes für eine Gesamtgeschwindigkeit von 10 Gbit/s. Sowohl USB4 Gen 2×2 (vermarktet als USB4 20 Gbit/s) als auch USB 3.2 Gen 2×2 liefern 20 Gbit/s-Verbindungen. USB4 Gen 3×2 (USB4 40 Gbit/s) verwendet ein anderes Datenkodierungsschema, um 20 Gbit/s pro Lane zu erreichen, was im Dual-Lane-Modus insgesamt 40 Gbit/s ergibt.

USB4 (offiziell ohne Leerzeichen geschrieben) stellt ein wichtiges Update dar, das nicht nur neue Funktionen einführt, sondern auch das verwirrende USB 3.x-Namensschema angeht und gleichzeitig eine vorhersehbarere Benutzererfahrung bietet. Das USB4-Protokoll schreibt USB-C-zu-USB-C-Kabel vor.

40 Gbit/s Datenübertragung: USB4-Geräte müssen 20 Gbit/s (2,4 GB/s) unterstützen, mit optionaler Unterstützung für 40 Gbit/s (4,8 GB/s) bei Verwendung kürzerer 0,8-Meter-Gen-3-Kabeln.

Mehrere Daten- und Display-Protokolle: USB4 verwendet Protokoll-Tunneling, um USB 3.2, PCIe und DisplayPort 1.4a zu unterstützen. Die Kompatibilität mit DisplayPort und Thunderbolt 3 wird durch den Alt-Modus aufrechterhalten.

Abwärtskompatibilität: USB4 behält die Kompatibilität mit den Standards USB 3.2, USB 2.0 und Thunderbolt 3 durch den TB3 Alt-Modus bei.

Dynamische Bandbreitenzuweisung: Im Gegensatz zur festen Bandbreitenzuweisung von USB 3.2 (oder 100 % Videobandbreite im DP Alt-Modus) verteilt USB4 die Bandbreite dynamisch zwischen Video und Daten, basierend auf Echtzeit-Anforderungen.

100 W Laden: Alle USB4-Geräte unterstützen USB Power Delivery (USB PD) und verhandeln Stromverträge bis zu 100 W (5 A/20 V), wenn sie an USB4-Anschlüsse angeschlossen sind.

Thunderbolt™ 3-kompatible Produkte kommen bereits auf den Markt und bieten die vierfache Stromversorgung und bidirektionale Datenübertragungsgeschwindigkeiten von USB 3.2 Gen 2, während sie beispiellose Rechenmöglichkeiten für persönliche Geräte schaffen.

USB-C wurde für dünnere, leichtere Geräte entwickelt und funktioniert gleichermaßen gut in Smartphones, Tablets und Laptops. Viele moderne Laptops haben USB-A- und RJ45-Ethernet-Anschlüsse vollständig eliminiert und verlassen sich ausschließlich auf USB-C für Video, Netzwerk, Datenübertragung und Aufladen. Diese Verschiebung hat die Einführung von USB-C als Standard-Quellanschluss für Thunderbolt™ 3, DisplayPort, MHL und HDMI-Protokolle gefördert.

Die USB-C Typ 2.1-Spezifikation (veröffentlicht im Mai 2021) erhöhte die Stromkapazität von Kabeln und Anschlüssen von 100 W auf 240 W, wodurch die Stromversorgung von größeren Geräten mit hohem Verbrauch wie 4K-Monitoren, E-Bikes und Gaming-Laptops ermöglicht wurde.

Obwohl USB im Wesentlichen ein Kommunikationsprotokoll zwischen Hosts und Peripheriegeräten ist, hat es sich zu einer multifunktionalen Schnittstelle entwickelt. Moderne Geräte können eine oder mehrere dieser erweiterten Funktionen unterstützen:

Ein einzelnes USB-C-Kabel kann ausreichend Strom liefern, um separate Adapter für Peripheriegeräte mit hohem Bedarf wie externe Festplatten überflüssig zu machen. Beachten Sie, dass nicht alle Geräte oder Anschlüsse USB Power Delivery unterstützen – konsultieren Sie die Produktspezifikationen für Kompatibilitätsdetails.

Die BC 1.2-Spezifikation führte dedizierte Ladeanschlüsse ein, die ein schnelleres und sichereres Aufladen ermöglichen. Während Standard-USB 2.0- und 3.0-Anschlüsse 500 mA bzw. 900 mA liefern, bieten BC 1.2-konforme Anschlüsse bis zu 1,5 A – sogar während der Datenübertragung – und ermöglichen es Geräten, ihre Leistungsanforderungen für optimales Aufladen zu kommunizieren.

Diese Funktion ermöglicht es mobilen Geräten, als Hosts für Peripheriegeräte wie Flash-Laufwerke, Tastaturen und Mäuse zu fungieren. OTG-konforme Geräte benötigen einen Adapter für Peripherieanschlüsse, während sie ihre Fähigkeit beibehalten, als computerverbundene Massenspeichergeräte zu dienen.

USB-C-Anschlüsse und -Kabel können gleichzeitig USB-Daten zusammen mit VGA-, DVI-, HDMI- oder DisplayPort-Video-/Audiosignalen übertragen. Adapter ermöglichen DisplayPort-over-USB-C-Verbindungen zu verschiedenen Anzeigetypen, ohne dass zusätzliche Treiber erforderlich sind.

Diese Technologie unterstützt die gleichzeitige 4K-Videoausgabe an zwei DisplayPort-Monitore – ideal für digitale Beschilderung und Hochleistungs-Gaming-Anwendungen.

Kompakte, smartphonegroße USB- oder Thunderbolt™ 3-Docks können die Konnektivität für MacBooks und Laptops verbessern. Die neuesten Thunderbolt™ 3-Docks bieten bemerkenswerte bidirektionale Datenübertragungsgeschwindigkeiten von 40 Gbit/s für den schnellen Transfer großer Dateien, kabelgebundene Ethernet-Konnektivität in Wi-Fi-defizienten Bereichen und Dual-Monitor-4K-Video mit digitaler Audio-Unterstützung.