تکامل USB: از کابل‌های درهم‌تنیده تا فناوری پرسرعت

آیا آشفتگی کابل‌هایی را که میزهای کامپیوتر در دهه 1990 را شلوغ کرده بود، به یاد دارید؟ دوران رابط‌های سریال، موازی و اختصاصی، اتصال دستگاه‌های جانبی را به یک کابوس تبدیل کرده بود. معرفی گذرگاه سریال جهانی (USB) این چشم‌انداز را متحول کرد و کانکتورهای حجیم را با رابط جمع‌وجور و مقرون‌به‌صرفه USB Type-A (USB-A) جایگزین کرد. امروزه، میلیاردها دستگاه USB در استفاده روزانه هستند و USB را به رابط سیمی غالب برای لپ‌تاپ‌ها، تبلت‌ها و گوشی‌های هوشمند تبدیل کرده‌اند.

USB چندین تکرار را پشت سر گذاشته است (به جدول 1 مراجعه کنید)، که هر کدام نحوه اتصال کابل‌ها، برقراری ارتباط و تحویل برق به رایانه‌ها، دستگاه‌های تلفن همراه و لوازم جانبی را اصلاح می‌کند. آخرین استاندارد USB4، مانند پیشینیان خود، نشان‌دهنده جهشی قابل توجه در سرعت انتقال داده، وضوح ویدیو و قابلیت‌های تحویل برق است.

دستگاه‌های مدرن معمولاً حداقل سه نوع پورت USB متمایز دارند. در میان این موارد، USB-C به دلیل اندازه جمع‌وجور، سرعت انتقال داده سریع و توانایی تحویل تا 240 وات برق، در تجهیزات جدیدتر برجسته شده است. کابل‌های USB-C همچنین از انتقال ویدیوی 4K و 8K با وضوح بالا پشتیبانی می‌کنند. در حالی که از نظر عملکرد مشابه هستند، پورت‌های Lightning از طراحی کانکتور متفاوتی استفاده می‌کنند.

طراحی کانکتور USB-C نقش مهمی در سرعت انتقال داده دارد. هر کانکتور USB Type-C حاوی چهار جفت پین (به نام «خطوط») است که به انتقال (TX) و دریافت (RX) داده اختصاص داده شده‌اند. USB 3.0 (5 گیگابیت بر ثانیه) و USB 3.1 (10 گیگابیت بر ثانیه) از یک خط TX و یک خط RX استفاده می‌کنند و جهت‌گیری تعیین می‌کند که کدام خطوط فعال هستند. USB 3.2 از هر چهار خط برای دستیابی به سرعت 20 گیگابیت بر ثانیه استفاده می‌کند.

اصطلاحات نام‌گذاری فعلی USB 3.2 سرعت را با تعداد خطوط ترکیب می‌کند. به عنوان مثال، USB 3.2 Gen 1×2 نشان‌دهنده 5 گیگابیت بر ثانیه × 2 خط برای سرعت کل 10 گیگابیت بر ثانیه است. هر دو USB4 Gen 2×2 (که به عنوان USB4 20Gbps به بازار عرضه می‌شود) و USB 3.2 Gen 2×2 اتصالات 20 گیگابیت بر ثانیه را ارائه می‌دهند. USB4 Gen 3×2 (USB4 40Gbps) از یک طرح رمزگذاری داده متمایز برای دستیابی به 20 گیگابیت بر ثانیه در هر خط استفاده می‌کند که در مجموع 40 گیگابیت بر ثانیه در حالت دو خطی است.

USB4 (به‌طور رسمی بدون فاصله) یک به‌روزرسانی بزرگ را نشان می‌دهد که نه تنها قابلیت‌های جدیدی را معرفی می‌کند، بلکه به طرح نام‌گذاری گیج‌کننده USB 3.x نیز می‌پردازد و در عین حال تجربه کاربری قابل پیش‌بینی‌تری را ارائه می‌دهد. پروتکل USB4 کابل‌های USB-C به USB-C را الزامی می‌کند.

انتقال داده 40 گیگابیت بر ثانیه: دستگاه‌های USB4 باید از 20 گیگابیت بر ثانیه (2.4 گیگابایت بر ثانیه) پشتیبانی کنند، با پشتیبانی اختیاری 40 گیگابیت بر ثانیه (4.8 گیگابایت بر ثانیه) هنگام استفاده از کابل‌های Gen 3 کوتاه‌تر 0.8 متری.

پروتکل‌های داده و نمایشگر متعدد: USB4 از تونل‌زنی پروتکل برای پشتیبانی از USB 3.2، PCIe و DisplayPort 1.4a استفاده می‌کند. سازگاری DisplayPort و Thunderbolt 3 از طریق حالت Alt حفظ می‌شود.

سازگاری با عقب: USB4 سازگاری خود را با استانداردهای USB 3.2، USB 2.0 و Thunderbolt 3 از طریق حالت TB3 Alt حفظ می‌کند.

تخصیص پهنای باند پویا: برخلاف تخصیص پهنای باند ثابت USB 3.2 (یا 100٪ پهنای باند ویدیو در حالت DP Alt)، USB4 پهنای باند را به صورت پویا بین ویدیو و داده بر اساس تقاضاهای بی‌درنگ توزیع می‌کند.

شارژ 100 وات: همه دستگاه‌های USB4 از تحویل برق USB (USB PD) پشتیبانی می‌کنند و قراردادهای برق را تا 100 وات (5A/20V) هنگام اتصال به پورت‌های USB4 مذاکره می‌کنند.

محصولات سازگار با Thunderbolt™ 3 در حال حاضر وارد بازار می‌شوند و چهار برابر تحویل برق و سرعت انتقال داده دو طرفه USB 3.2 Gen 2 را ارائه می‌دهند و در عین حال امکانات محاسباتی بی‌سابقه‌ای را برای دستگاه‌های شخصی ایجاد می‌کنند.

USB-C که برای دستگاه‌های نازک‌تر و سبک‌تر طراحی شده است، به همان اندازه در گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها و لپ‌تاپ‌ها نیز خوب عمل می‌کند. بسیاری از لپ‌تاپ‌های مدرن پورت‌های USB-A و RJ45 Ethernet را به طور کامل حذف کرده‌اند و فقط به USB-C برای ویدیو، شبکه‌سازی، انتقال داده و شارژ متکی هستند. این تغییر باعث شده است که USB-C به عنوان کانکتور منبع استاندارد برای پروتکل‌های Thunderbolt™ 3، DisplayPort، MHL و HDMI پذیرفته شود.

مشخصات USB-C Type 2.1 (منتشر شده در مه 2021) ظرفیت برق کابل و کانکتور را از 100 وات به 240 وات افزایش داد و امکان تحویل برق به دستگاه‌های بزرگ‌تر و پرمصرف مانند مانیتورهای 4K، دوچرخه‌های برقی و لپ‌تاپ‌های بازی را فراهم کرد.

در حالی که USB اساساً یک پروتکل ارتباطی بین میزبان‌ها و لوازم جانبی است، به یک رابط چند منظوره تبدیل شده است. دستگاه‌های مدرن ممکن است از یک یا چند مورد از این ویژگی‌های پیشرفته پشتیبانی کنند:

یک کابل USB-C می‌تواند برق کافی را برای حذف آداپتورهای جداگانه برای لوازم جانبی پرمصرف مانند هارد دیسک‌های خارجی ارائه دهد. توجه داشته باشید که همه دستگاه‌ها یا پورت‌ها از تحویل برق USB پشتیبانی نمی‌کنند—برای جزئیات سازگاری به مشخصات محصول مراجعه کنید.

مشخصات BC 1.2 پورت‌های شارژ اختصاصی را معرفی کرد که شارژ سریع‌تر و ایمن‌تری را امکان‌پذیر می‌کند. در حالی که پورت‌های استاندارد USB 2.0 و 3.0 به ترتیب 500 میلی‌آمپر و 900 میلی‌آمپر را ارائه می‌دهند، پورت‌های سازگار با BC 1.2 تا 1.5 آمپر را ارائه می‌دهند—حتی در حین انتقال داده—و به دستگاه‌ها اجازه می‌دهند تا الزامات برق خود را برای شارژ بهینه ارتباط برقرار کنند.

این ویژگی دستگاه‌های تلفن همراه را قادر می‌سازد تا به عنوان میزبان برای لوازم جانبی مانند درایوهای فلش، صفحه‌کلید و ماوس عمل کنند. دستگاه‌های سازگار با OTG به یک آداپتور برای اتصالات جانبی نیاز دارند و در عین حال توانایی خود را برای خدمت به عنوان دستگاه‌های ذخیره‌سازی انبوه متصل به رایانه حفظ می‌کنند.

کانکتورها و کابل‌های USB-C می‌توانند همزمان داده‌های USB را در کنار سیگنال‌های ویدئویی/صوتی VGA، DVI، HDMI یا DisplayPort منتقل کنند. آداپتورها اتصالات DisplayPort-over-USB-C را به انواع مختلف نمایشگر بدون نیاز به درایورهای اضافی فعال می‌کنند.

این فناوری از خروجی ویدیوی 4K همزمان به دو مانیتور DisplayPort پشتیبانی می‌کند—ایده‌آل برای علامت‌گذاری دیجیتال و برنامه‌های بازی با کارایی بالا.

داک‌های USB یا Thunderbolt™ 3 با اندازه گوشی‌های هوشمند می‌توانند اتصال را برای مک‌بوک‌ها و لپ‌تاپ‌ها افزایش دهند. آخرین داک‌های Thunderbolt™ 3 سرعت انتقال داده دو طرفه 40 گیگابیت بر ثانیه را برای انتقال سریع فایل‌های بزرگ، اتصال اترنت سیمی در مناطقی که Wi-Fi ندارند و ویدیوی 4K دو مانیتوره با پشتیبانی صوتی دیجیتال ارائه می‌دهند.