Evoluzione USB: dai cavi ingombranti alla tecnologia ad alta velocità

Ricordate il groviglio di cavi che ingombravano le scrivanie dei computer negli anni '90? L'era delle interfacce seriali, parallele e proprietarie rendeva un incubo il collegamento di periferiche. L'introduzione di Universal Serial Bus (USB) ha rivoluzionato questo panorama, sostituendo i connettori ingombranti con la compatta e conveniente interfaccia USB Type-A (USB-A). Oggi, miliardi di dispositivi USB sono in uso quotidiano, rendendo l'USB l'interfaccia cablata dominante per laptop, tablet e smartphone.

L'USB ha subito molteplici iterazioni (vedi Tabella 1), ognuna delle quali ha perfezionato il modo in cui i cavi si collegano, comunicano e forniscono alimentazione a computer, dispositivi mobili e periferiche. L'ultimo standard USB4, come i suoi predecessori, rappresenta un significativo passo avanti in termini di velocità di trasferimento dati, risoluzione video e capacità di erogazione di energia.

I dispositivi moderni sono tipicamente dotati di almeno tre diversi tipi di porte USB. Tra questi, l'USB-C ha acquisito importanza nelle nuove apparecchiature grazie alle sue dimensioni compatte, alle rapide velocità di trasferimento dati e alla capacità di erogare fino a 240 W di potenza. I cavi USB-C supportano anche la trasmissione video ad alta risoluzione 4K e 8K. Sebbene funzionalmente simili, le porte Lightning utilizzano un design del connettore diverso.

Il design del connettore USB-C gioca un ruolo cruciale nelle velocità di trasferimento dati. Ogni connettore USB Type-C contiene quattro coppie di pin (chiamati "corsie") dedicate alla trasmissione (TX) e alla ricezione (RX) dei dati. USB 3.0 (5 Gbps) e USB 3.1 (10 Gbps) utilizzano una corsia TX e una RX, con l'orientamento che determina quali corsie sono attive. USB 3.2 sfrutta tutte e quattro le corsie per raggiungere velocità di 20 Gbps.

L'attuale convenzione di denominazione USB 3.2 combina la velocità con il conteggio delle corsie. Ad esempio, USB 3.2 Gen 1×2 indica 5 Gbps × 2 corsie per una velocità totale di 10 Gbps. Sia USB4 Gen 2×2 (commercializzato come USB4 20Gbps) che USB 3.2 Gen 2×2 offrono connessioni a 20 Gbps. USB4 Gen 3×2 (USB4 40Gbps) impiega uno schema di codifica dei dati distinto per raggiungere i 20 Gbps per corsia, per un totale di 40 Gbps in modalità a doppia corsia.

USB4 (stilizzato ufficialmente senza spazio) rappresenta un importante aggiornamento che non solo introduce nuove funzionalità, ma affronta anche la confusa nomenclatura USB 3.x, offrendo al contempo un'esperienza utente più prevedibile. Il protocollo USB4 impone cavi da USB-C a USB-C.

Trasferimento dati a 40 Gbps: I dispositivi USB4 devono supportare 20 Gbps (2,4 GB/s), con supporto opzionale a 40 Gbps (4,8 GB/s) quando si utilizzano cavi Gen 3 più corti di 0,8 metri.

Protocolli multipli di dati e visualizzazione: USB4 impiega il tunneling del protocollo per supportare USB 3.2, PCIe e DisplayPort 1.4a. La compatibilità DisplayPort e Thunderbolt 3 viene mantenuta tramite Alt Mode.

Compatibilità con le versioni precedenti: USB4 mantiene la compatibilità con gli standard USB 3.2, USB 2.0 e Thunderbolt 3 tramite TB3 Alt Mode.

Allocazione dinamica della larghezza di banda: A differenza dell'allocazione fissa della larghezza di banda di USB 3.2 (o del 100% della larghezza di banda video in DP Alt Mode), USB4 distribuisce dinamicamente la larghezza di banda tra video e dati in base alle esigenze in tempo reale.

Ricarica a 100 W: Tutti i dispositivi USB4 supportano USB Power Delivery (USB PD), negoziando contratti di alimentazione fino a 100 W (5A/20V) quando sono collegati a porte USB4.

I prodotti compatibili con Thunderbolt™ 3 stanno già entrando nel mercato, offrendo una potenza di erogazione quadrupla e velocità di trasferimento dati bidirezionali superiori a USB 3.2 Gen 2, creando al contempo possibilità di elaborazione senza precedenti per i dispositivi personali.

Progettato per dispositivi più sottili e leggeri, l'USB-C funziona altrettanto bene su smartphone, tablet e laptop. Molti laptop moderni hanno eliminato completamente le porte USB-A e RJ45 Ethernet, affidandosi esclusivamente all'USB-C per video, networking, trasferimento dati e ricarica. Questo cambiamento ha portato all'adozione di USB-C come connettore sorgente standard per i protocolli Thunderbolt™ 3, DisplayPort, MHL e HDMI.

La specifica USB-C Type 2.1 (rilasciata a maggio 2021) ha aumentato la capacità di alimentazione dei cavi e dei connettori da 100 W a 240 W, consentendo l'erogazione di energia a dispositivi più grandi e ad alto consumo come monitor 4K, e-bike e laptop da gioco.

Sebbene sia fondamentalmente un protocollo di comunicazione tra host e periferiche, l'USB si è evoluto in un'interfaccia multifunzionale. I dispositivi moderni possono supportare una o più di queste funzionalità avanzate:

Un singolo cavo USB-C può fornire potenza sufficiente per eliminare adattatori separati per periferiche ad alta richiesta come dischi rigidi esterni. Si noti che non tutti i dispositivi o le porte supportano USB Power Delivery: consultare le specifiche del prodotto per i dettagli sulla compatibilità.

La specifica BC 1.2 ha introdotto porte di ricarica dedicate che consentono una ricarica più rapida e sicura. Mentre le porte USB 2.0 e 3.0 standard erogano rispettivamente 500 mA e 900 mA, le porte conformi a BC 1.2 forniscono fino a 1,5 A, anche durante il trasferimento dati, e consentono ai dispositivi di comunicare i propri requisiti di alimentazione per una ricarica ottimale.

Questa funzione consente ai dispositivi mobili di funzionare come host per periferiche come unità flash, tastiere e mouse. I dispositivi conformi a OTG richiedono un adattatore per le connessioni periferiche, pur mantenendo la capacità di fungere da dispositivi di archiviazione di massa collegati al computer.

I connettori e i cavi USB-C possono trasmettere simultaneamente dati USB insieme a segnali video/audio VGA, DVI, HDMI o DisplayPort. Gli adattatori consentono connessioni DisplayPort-over-USB-C a vari tipi di display senza richiedere driver aggiuntivi.

Questa tecnologia supporta l'uscita video 4K simultanea su due monitor DisplayPort, ideale per segnaletica digitale e applicazioni di gioco ad alte prestazioni.

Dock USB o Thunderbolt™ 3 compatti, delle dimensioni di uno smartphone, possono migliorare la connettività per MacBook e laptop. I più recenti dock Thunderbolt™ 3 offrono notevoli velocità di trasferimento dati bidirezionali di 40 Gbps per rapidi trasferimenti di file di grandi dimensioni, connettività Ethernet cablata in aree prive di Wi-Fi e video 4K a doppio monitor con supporto audio digitale.