Ewolucja USB: Od splątanych kabli do technologii dużej prędkości

Pamiętasz poplątane kable zagracające biurka komputerowe w latach 90.? Era interfejsów szeregowych, równoległych i zastrzeżonych sprawiała, że podłączanie urządzeń peryferyjnych było koszmarem. Wprowadzenie Universal Serial Bus (USB) zrewolucjonizowało ten krajobraz, zastępując nieporęczne złącza kompaktowym i niedrogim interfejsem USB Type-A (USB-A). Dziś miliardy urządzeń USB są w codziennym użytku, co czyni USB dominującym interfejsem przewodowym dla laptopów, tabletów i smartfonów.

USB przeszło wiele iteracji (patrz Tabela 1), z których każda udoskonalała sposób łączenia kabli, komunikacji i dostarczania zasilania do komputerów, urządzeń mobilnych i urządzeń peryferyjnych. Najnowszy standard USB4, podobnie jak jego poprzednicy, stanowi znaczący krok naprzód w zakresie prędkości przesyłania danych, rozdzielczości wideo i możliwości dostarczania zasilania.

Nowoczesne urządzenia zazwyczaj posiadają co najmniej trzy różne typy portów USB. Wśród nich USB-C zyskało na znaczeniu w nowszym sprzęcie ze względu na swoje kompaktowe rozmiary, szybkie prędkości przesyłania danych i możliwość dostarczania do 240W mocy. Kable USB-C obsługują również transmisję wideo o wysokiej rozdzielczości 4K i 8K. Chociaż funkcjonalnie podobne, porty Lightning wykorzystują inny projekt złącza.

Konstrukcja złącza USB-C odgrywa kluczową rolę w prędkości przesyłania danych. Każde złącze USB Type-C zawiera cztery pary pinów (zwanych „ścieżkami”) dedykowanych do przesyłania (TX) i odbierania (RX) danych. USB 3.0 (5 Gbps) i USB 3.1 (10 Gbps) wykorzystują jedną ścieżkę TX i jedną RX, a orientacja określa, które ścieżki są aktywne. USB 3.2 wykorzystuje wszystkie cztery ścieżki, aby osiągnąć prędkość 20 Gbps.

Obecna konwencja nazewnictwa USB 3.2 łączy prędkość z liczbą ścieżek. Na przykład USB 3.2 Gen 1×2 oznacza 5 Gbps × 2 ścieżki dla łącznej prędkości 10 Gbps. Zarówno USB4 Gen 2×2 (sprzedawane jako USB4 20Gbps), jak i USB 3.2 Gen 2×2 zapewniają połączenia 20 Gbps. USB4 Gen 3×2 (USB4 40Gbps) wykorzystuje odmienny schemat kodowania danych, aby osiągnąć 20 Gbps na ścieżkę, co daje łącznie 40 Gbps w trybie dwuścieżkowym.

USB4 (oficjalnie stylizowane bez spacji) reprezentuje dużą aktualizację, która nie tylko wprowadza nowe możliwości, ale także rozwiązuje mylący schemat nazewnictwa USB 3.x, zapewniając jednocześnie bardziej przewidywalne wrażenia użytkownika. Protokół USB4 nakłada obowiązek stosowania kabli USB-C do USB-C.

Przesyłanie danych z prędkością 40 Gbps: Urządzenia USB4 muszą obsługiwać 20 Gbps (2,4 GB/s), z opcjonalną obsługą 40 Gbps (4,8 GB/s) przy użyciu krótszych kabli Gen 3 o długości 0,8 metra.

Wiele protokołów danych i wyświetlania: USB4 wykorzystuje tunelowanie protokołów do obsługi USB 3.2, PCIe i DisplayPort 1.4a. Kompatybilność z DisplayPort i Thunderbolt 3 jest zachowana dzięki trybowi Alt.

Kompatybilność wsteczna: USB4 zachowuje kompatybilność ze standardami USB 3.2, USB 2.0 i Thunderbolt 3 za pośrednictwem trybu TB3 Alt.

Dynamiczna alokacja przepustowości: W przeciwieństwie do stałej alokacji przepustowości USB 3.2 (lub 100% przepustowości wideo w trybie DP Alt), USB4 dynamicznie rozdziela przepustowość między wideo i danymi w oparciu o wymagania w czasie rzeczywistym.

Ładowanie 100W: Wszystkie urządzenia USB4 obsługują USB Power Delivery (USB PD), negocjując kontrakty zasilania do 100W (5A/20V) po podłączeniu do portów USB4.

Produkty kompatybilne z Thunderbolt™ 3 już wchodzą na rynek, oferując czterokrotnie większą moc i dwukierunkowe prędkości przesyłania danych niż USB 3.2 Gen 2, tworząc jednocześnie bezprecedensowe możliwości obliczeniowe dla urządzeń osobistych.

Zaprojektowany dla cieńszych i lżejszych urządzeń, USB-C sprawdza się równie dobrze w smartfonach, tabletach i laptopach. Wiele nowoczesnych laptopów całkowicie wyeliminowało porty USB-A i RJ45 Ethernet, polegając wyłącznie na USB-C do wideo, sieci, przesyłania danych i ładowania. Zmiana ta doprowadziła do przyjęcia USB-C jako standardowego złącza źródłowego dla protokołów Thunderbolt™ 3, DisplayPort, MHL i HDMI.

Specyfikacja USB-C Type 2.1 (wydana w maju 2021 r.) zwiększyła pojemność kabli i złączy z 100W do 240W, umożliwiając dostarczanie zasilania do większych urządzeń o wysokim poborze mocy, takich jak monitory 4K, rowery elektryczne i laptopy do gier.

Chociaż zasadniczo jest to protokół komunikacyjny między hostami i urządzeniami peryferyjnymi, USB ewoluowało w interfejs wielofunkcyjny. Nowoczesne urządzenia mogą obsługiwać jedną lub więcej z tych zaawansowanych funkcji:

Pojedynczy kabel USB-C może dostarczyć wystarczającą moc, aby wyeliminować oddzielne adaptery dla urządzeń peryferyjnych o dużym zapotrzebowaniu, takich jak zewnętrzne dyski twarde. Należy pamiętać, że nie wszystkie urządzenia lub porty obsługują USB Power Delivery — szczegółowe informacje dotyczące kompatybilności można znaleźć w specyfikacji produktu.

Specyfikacja BC 1.2 wprowadziła dedykowane porty ładowania, które umożliwiają szybsze i bezpieczniejsze ładowanie. Podczas gdy standardowe porty USB 2.0 i 3.0 dostarczają odpowiednio 500mA i 900mA, porty zgodne z BC 1.2 zapewniają do 1,5A — nawet podczas przesyłania danych — i pozwalają urządzeniom komunikować swoje wymagania dotyczące zasilania w celu optymalnego ładowania.

Ta funkcja umożliwia urządzeniom mobilnym działanie jako hosty dla urządzeń peryferyjnych, takich jak dyski flash, klawiatury i myszy. Urządzenia zgodne z OTG wymagają adaptera do połączeń peryferyjnych, zachowując jednocześnie możliwość działania jako podłączone do komputera urządzenia masowej pamięci masowej.

Złącza i kable USB-C mogą jednocześnie przesyłać dane USB wraz z sygnałami wideo/audio VGA, DVI, HDMI lub DisplayPort. Adaptery umożliwiają połączenia DisplayPort-over-USB-C z różnymi typami wyświetlaczy bez konieczności instalowania dodatkowych sterowników.

Ta technologia obsługuje jednoczesne wyjście wideo 4K na dwa monitory DisplayPort — idealne do oznakowania cyfrowego i zastosowań w grach o wysokiej wydajności.

Kompaktowe stacje dokujące USB lub Thunderbolt™ 3 wielkości smartfona mogą zwiększyć łączność dla MacBooków i laptopów. Najnowsze stacje dokujące Thunderbolt™ 3 oferują niezwykłe dwukierunkowe prędkości przesyłania danych 40 Gbps dla szybkiego przesyłania dużych plików, łączność Ethernet w obszarach pozbawionych Wi-Fi oraz podwójny monitor 4K wideo z obsługą dźwięku cyfrowego.