USB4

Die USB Version 4 basiert auf dem Thunderbolt-Standard und wird offiziell „USB4“ ohne Leerzeichen, nicht „USB 4“ mit Leerzeichen, genannt. USB4 ist demnach Thunderbolt, dass um bestehende USB-Leistungsmerkmale ergänzt wurde.

USB4 ist somit eher eine Weiterentwicklung von Thunderbolt mit der USB-typischen Hub-Technik. Dadurch können sich mehrere Geräte an einem Host anbinden lassen. Thunderbolt selbst beherrscht nur eine Kette von hintereinander geschalteten Geräten.

Das bedeutet, dass bestehende USB-Geräte an USB4-Host-Controllern nur mit einer Umwandlung ins Thunderbolt-Protokoll betrieben werden können. Nur dadurch sind Thunderbolt-3- und USB-3-Geräte kompatibel zu USB4.

USB4-Geschwindigkeit

Die Geschwindigkeit liegt Dank Thunderbolt bei 40 GBit/s, was als USB4 Gen 3x2 bezeichnet wird.
Um Kompatibilität zu USB Version 3 herzustellen ist der kleinste gemeinsamen Nenner USB 3.2 Gen 2x2 (10 GBit/s).

Für langsamere Geräte wir in die 5-GBit/s-Stufe geschaltet. Dieser technische Fallback ist notwendig, falls ein USB-Kabel zu schlecht für 10 GBit/s ist.

Für eine USB4-Angabe reicht es aus, wenn mindestens die Gen-2-Geschwindigkeitsstufe von 10 GBit/s unterstützt wird. Relevant ist mit welcher USB-Revision der Anschluss getestet wurde und nicht welche maximale Geschwindigkeitsstufe ein Port hat.

Stromversorgung über USB4

Die USB4-Spezifikation verweist auf die Spezifikation zu USB-PD (Power Delivery).

Warum USB4?

Die Spezifikation für USB Version 3 hatte die Möglichkeit eingeführt, Stromversorgung, Datenübertragung und die Übermittlung von Videosignalen an Displays über ein Kabel zu realisieren. Die einzelnen Lösungen waren aber nicht vernünftig umgesetzt. In USB4 respektive Thunderbolt ist das viel besser umgesetzt. Die Trennung der Datenströme erfolgt hier nicht mehr fest, sondern dynamisch. Wird ein Monitor verwendet, der 8 GBit/s für seine Videobandbreite nutzt, dann sollen die restlichen 32 GBit/s für andere Zwecke zur Verfügung stehen.

USB4-Hub

Bei USB4-Hubs sind wesentlich komplexere Strukturen als bislang nötig. Ein Hub muss eingehende Pakete entgegen nehmen und deren Daten an separate Bausteine wie einen USB-Hub oder einen PCIe-Switch weitergeben.

USB4-Hubs müssen in der Lage sein, sowohl Geräte nach dem USB4-Standard als auch nach USB 3 und ältere Geräte zu bedienen. In der größten Ausbaustufe besteht ein USB4-Hub aus einem Device Router, einem Enhanced Superspeed USB Hub, einem PCIe Switch und einem USB-2.0-Hub.

Ein USB4-Hub muss zwingend 20-GBit/s- und 40-GBit/s-Geschwindigkeiten durchleiten, neben einem USB-Hub auch einen PCIe-Switch enthalten und zudem an sämtlichen Ausgängen DisplayPort-Signale weiterreichen können. Das heißt, ein USB4-Hub muss alles was die USB4-Spezifikation hergibt können.

USB4 Version 2.0

USB4 Version 2.0 stellt eine Erweiterung dar, die die Leistungsfähigkeit von USB4-Anschlüssen mit neuen Controllern noch einmal verbessert.

  • Übertragungsmodus mit 80 GBit/s (brutto) bzw. 8 GByte/s (netto)
  • USB-3.2-Daten-Tunneling für mehr als 20 GBit/s
  • Alt-Mode mit DisplayPort 2.0
  • PCI-Express-Lanes mit Version 5.0

Mit USB4 Version 2.0 wird die Verdoppeltung der Datenrate mit einer Takterhöhung und der Übertragung von drei Bit pro zwei Takte erreicht. Verwendet wird eine ternäre Pulsamplitudenmodulation (PAM-3 statt PAM-2), bei der drei Zustände ausgewertet werden (-1, 0, +1).

Für den USB4-2.0-Modus eignen sich auch für 40 Gbit/s gedachte USB-C-Passivkabel. Die Datenrate von 80 GBit/s können aber erst neue Controller und neue Endgeräte.
Diese Geschwindigkeit machen aber nur ab sehr schnellen PCIe-4.0-SSDs Sinn.

Übersicht: USB - Universal Serial Bus

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