Η εξέλιξη του USB: Από τα μπερδεμένα καλώδια στην τεχνολογία υψηλής ταχύτητας

Θυμάστε την μπερδεμένη κατάσταση των καλωδίων που γέμιζαν τα γραφεία των υπολογιστών τη δεκαετία του 1990; Η εποχή των σειριακών, παράλληλων και ιδιόκτητων διεπαφών έκανε τη σύνδεση περιφερειακών συσκευών έναν εφιάλτη. Η εισαγωγή του Universal Serial Bus (USB) έφερε επανάσταση σε αυτό το τοπίο, αντικαθιστώντας τους ογκώδεις συνδέσμους με τη συμπαγή και προσιτή διεπαφή USB Type-A (USB-A). Σήμερα, δισεκατομμύρια συσκευές USB χρησιμοποιούνται καθημερινά, καθιστώντας το USB την κυρίαρχη ενσύρματη διεπαφή για φορητούς υπολογιστές, tablet και smartphones.

Το USB έχει υποστεί πολλαπλές επαναλήψεις (βλέπε Πίνακα 1), καθεμία από τις οποίες βελτιώνει τον τρόπο με τον οποίο τα καλώδια συνδέονται, επικοινωνούν και παρέχουν ρεύμα σε υπολογιστές, κινητές συσκευές και περιφερειακά. Το τελευταίο πρότυπο USB4, όπως και οι προκάτοχοί του, αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό άλμα προς τα εμπρός όσον αφορά τις ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων, την ανάλυση βίντεο και τις δυνατότητες παροχής ρεύματος.

Οι σύγχρονες συσκευές διαθέτουν συνήθως τουλάχιστον τρεις διαφορετικούς τύπους θυρών USB. Μεταξύ αυτών, το USB-C έχει αποκτήσει εξέχουσα θέση σε νεότερο εξοπλισμό λόγω του μικρού του μεγέθους, των γρήγορων ρυθμών μεταφοράς δεδομένων και της δυνατότητας παροχής ισχύος έως και 240W. Τα καλώδια USB-C υποστηρίζουν επίσης μετάδοση βίντεο υψηλής ανάλυσης 4K και 8K. Ενώ είναι λειτουργικά παρόμοιες, οι θύρες Lightning χρησιμοποιούν διαφορετικό σχεδιασμό σύνδεσης.

Ο σχεδιασμός του συνδέσμου USB-C διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στις ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων. Κάθε σύνδεσμος USB Type-C περιέχει τέσσερα ζεύγη ακίδων (που ονομάζονται "λωρίδες") αφιερωμένα στη μετάδοση (TX) και τη λήψη (RX) δεδομένων. Τα USB 3.0 (5 Gbps) και USB 3.1 (10 Gbps) χρησιμοποιούν μία λωρίδα TX και μία RX, με τον προσανατολισμό να καθορίζει ποιες λωρίδες είναι ενεργές. Το USB 3.2 αξιοποιεί και τις τέσσερις λωρίδες για την επίτευξη ταχυτήτων 20 Gbps.

Η τρέχουσα ονοματολογία USB 3.2 συνδυάζει την ταχύτητα με τον αριθμό των λωρίδων. Για παράδειγμα, το USB 3.2 Gen 1×2 δηλώνει 5 Gbps × 2 λωρίδες για συνολική ταχύτητα 10 Gbps. Τόσο το USB4 Gen 2×2 (που διατίθεται στο εμπόριο ως USB4 20Gbps) όσο και το USB 3.2 Gen 2×2 παρέχουν συνδέσεις 20 Gbps. Το USB4 Gen 3×2 (USB4 40Gbps) χρησιμοποιεί ένα διακριτό σχήμα κωδικοποίησης δεδομένων για την επίτευξη 20 Gbps ανά λωρίδα, συνολικά 40 Gbps σε λειτουργία διπλής λωρίδας.

Το USB4 (επίσημα στυλιζαρισμένο χωρίς κενό) αντιπροσωπεύει μια σημαντική ενημέρωση που όχι μόνο εισάγει νέες δυνατότητες, αλλά και αντιμετωπίζει το συγκεχυμένο σχήμα ονοματολογίας USB 3.x, ενώ παράλληλα προσφέρει μια πιο προβλέψιμη εμπειρία χρήστη. Το πρωτόκολλο USB4 επιβάλλει καλώδια USB-C σε USB-C.

Μεταφορά Δεδομένων 40Gbps: Οι συσκευές USB4 πρέπει να υποστηρίζουν 20 Gbps (2,4 GB/s), με προαιρετική υποστήριξη 40 Gbps (4,8 GB/s) κατά τη χρήση κοντύτερων καλωδίων Gen 3 0,8 μέτρων.

Πολλαπλά Πρωτόκολλα Δεδομένων και Οθόνης: Το USB4 χρησιμοποιεί σήραγγα πρωτοκόλλου για την υποστήριξη USB 3.2, PCIe και DisplayPort 1.4a. Η συμβατότητα DisplayPort και Thunderbolt 3 διατηρείται μέσω της λειτουργίας Alt.

Συμβατότητα προς τα Πίσω: Το USB4 διατηρεί τη συμβατότητα με τα πρότυπα USB 3.2, USB 2.0 και Thunderbolt 3 μέσω της λειτουργίας TB3 Alt.

Δυναμική Κατανομή εύρους ζώνης: Σε αντίθεση με την σταθερή κατανομή εύρους ζώνης του USB 3.2 (ή το 100% του εύρους ζώνης βίντεο στη λειτουργία DP Alt), το USB4 κατανέμει δυναμικά το εύρος ζώνης μεταξύ βίντεο και δεδομένων με βάση τις απαιτήσεις σε πραγματικό χρόνο.

Φόρτιση 100W: Όλες οι συσκευές USB4 υποστηρίζουν την παροχή ρεύματος USB (USB PD), διαπραγματευόμενες συμβάσεις ρεύματος έως και 100W (5A/20V) όταν είναι συνδεδεμένες σε θύρες USB4.

Τα προϊόντα συμβατά με Thunderbolt™ 3 εισέρχονται ήδη στην αγορά, προσφέροντας τετραπλάσια παροχή ρεύματος και αμφίδρομες ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων από το USB 3.2 Gen 2, δημιουργώντας παράλληλα πρωτοφανείς δυνατότητες υπολογιστών για προσωπικές συσκευές.

Σχεδιασμένο για λεπτότερες, ελαφρύτερες συσκευές, το USB-C λειτουργεί εξίσου καλά σε smartphones, tablet και φορητούς υπολογιστές. Πολλοί σύγχρονοι φορητοί υπολογιστές έχουν εξαλείψει εντελώς τις θύρες USB-A και RJ45 Ethernet, βασιζόμενοι αποκλειστικά στο USB-C για βίντεο, δικτύωση, μεταφορά δεδομένων και φόρτιση. Αυτή η αλλαγή ώθησε την υιοθέτηση του USB-C ως του τυπικού συνδέσμου πηγής για τα πρωτόκολλα Thunderbolt™ 3, DisplayPort, MHL και HDMI.

Η προδιαγραφή USB-C Type 2.1 (κυκλοφόρησε τον Μάιο του 2021) αύξησε την χωρητικότητα ρεύματος καλωδίων και συνδέσμων από 100W σε 240W, επιτρέποντας την παροχή ρεύματος σε μεγαλύτερες συσκευές υψηλής κατανάλωσης, όπως οθόνες 4K, e-bikes και φορητούς υπολογιστές gaming.

Ενώ είναι θεμελιωδώς ένα πρωτόκολλο επικοινωνίας μεταξύ κεντρικών υπολογιστών και περιφερειακών, το USB έχει εξελιχθεί σε μια πολυλειτουργική διεπαφή. Οι σύγχρονες συσκευές ενδέχεται να υποστηρίζουν μία ή περισσότερες από αυτές τις προηγμένες λειτουργίες:

Ένα μόνο καλώδιο USB-C μπορεί να παρέχει επαρκή ισχύ για την εξάλειψη ξεχωριστών προσαρμογέων για περιφερειακά υψηλής ζήτησης, όπως εξωτερικούς σκληρούς δίσκους. Λάβετε υπόψη ότι δεν υποστηρίζουν όλες οι συσκευές ή οι θύρες την παροχή ρεύματος USB—συμβουλευτείτε τις προδιαγραφές του προϊόντος για λεπτομέρειες συμβατότητας.

Η προδιαγραφή BC 1.2 εισήγαγε ειδικές θύρες φόρτισης που επιτρέπουν ταχύτερη, ασφαλέστερη φόρτιση. Ενώ οι τυπικές θύρες USB 2.0 και 3.0 παρέχουν 500mA και 900mA αντίστοιχα, οι θύρες που συμμορφώνονται με το BC 1.2 παρέχουν έως και 1,5A—ακόμη και κατά τη μεταφορά δεδομένων—και επιτρέπουν στις συσκευές να επικοινωνούν τις απαιτήσεις τους σε ρεύμα για βέλτιστη φόρτιση.

Αυτή η λειτουργία επιτρέπει στις κινητές συσκευές να λειτουργούν ως κεντρικοί υπολογιστές για περιφερειακά όπως μονάδες flash, πληκτρολόγια και ποντίκια. Οι συσκευές που συμμορφώνονται με το OTG απαιτούν έναν προσαρμογέα για συνδέσεις περιφερειακών, διατηρώντας παράλληλα την ικανότητά τους να χρησιμεύουν ως συσκευές μαζικής αποθήκευσης συνδεδεμένες με υπολογιστή.

Οι σύνδεσμοι και τα καλώδια USB-C μπορούν ταυτόχρονα να μεταδίδουν δεδομένα USB μαζί με σήματα βίντεο/ήχου VGA, DVI, HDMI ή DisplayPort. Οι προσαρμογείς επιτρέπουν συνδέσεις DisplayPort-over-USB-C σε διάφορους τύπους οθονών χωρίς να απαιτούνται πρόσθετοι οδηγοί.

Αυτή η τεχνολογία υποστηρίζει ταυτόχρονη έξοδο βίντεο 4K σε δύο οθόνες DisplayPort—ιδανική για ψηφιακή σήμανση και εφαρμογές gaming υψηλής απόδοσης.

Οι συμπαγείς βάσεις USB ή Thunderbolt™ 3 μεγέθους smartphone μπορούν να βελτιώσουν τη συνδεσιμότητα για MacBooks και φορητούς υπολογιστές. Οι τελευταίες βάσεις Thunderbolt™ 3 προσφέρουν αξιοσημείωτες αμφίδρομες ταχύτητες μεταφοράς δεδομένων 40 Gbps για γρήγορες μεταφορές μεγάλων αρχείων, ενσύρματη συνδεσιμότητα Ethernet σε περιοχές με έλλειψη Wi-Fi και διπλή οθόνη βίντεο 4K με υποστήριξη ψηφιακού ήχου.