USB-Konnektivität: USB 3.2 und darüber hinaus

Die Entwicklung der USB-Standards

Im Jahr 1995 wurde der Schnittstellenstandard Universal Serial Bus (USB) auf dem Markt eingeführt. Vor der Einführung von USB war für den Anschluss von Geräten an einen Computer eine Vielzahl von Kabeln und verschiedenen Anschlüssen erforderlich. Eine Maus, eine Tastatur, ein Drucker, ein Scanner oder ein Gamepad benötigten jeweils unterschiedliche Anschlüsse.

Menschen, die gegen Ende der Generation der Millennials geboren wurden, kennen vielleicht nur diese Art von Schnittstelle. Und die Generation Z, die den Millennials folgt, ist mit dem Internet und den sozialen Medien aufgewachsen. Wenn die globale Pandemie im Jahr 2020 ausbricht, sind einige der Z-Generationen alt genug, um in das Berufsleben einzusteigen. Obwohl viele dieser Generation Z von zu Hause aus arbeiteten, mussten sie dennoch die neueste Technologie nutzen, einschließlich USB.

Die USB-Technologie (Universal Serial Bus) ist in Ladegeräten für Smartphones, Flash-Laufwerken, Druckern und Computern integriert. Das USB Implementers Forum (USB-IF) kümmert sich um die USB-Spezifikationen und die Einhaltung der Vorschriften für Anschlüsse und Schnittstellen.

Wie haben sich die USB-Verbindungen im Laufe der Jahre entwickelt?

USB 1.0, das 1995 eingeführt wurde, hat eine Übertragungsrate von 1,5 Mbit/s. USB 1.1 hat eine Übertragungsrate von 12 Mbit/s. USB 2.0, eingeführt im Jahr 2000, hat eine Übertragungsrate von 480 Megabit pro Sekunde (Mbps). USB 3.0, das 2008 eingeführt wurde, hat eine mehr als zehnmal höhere Übertragungsrate als USB 2.0 und unterstützt 5 Gigabit pro Sekunde (Gbps). USB 3.1, das 2013 veröffentlicht wurde, bietet Geschwindigkeiten von bis zu 10 Gbit/s. USB 3.2, ca. 2017, erreicht Geschwindigkeiten von 20 Gbit/s. USB 4.0 ist für 40 Gbit/s ausgelegt. Diese Übertragungsraten ermöglichen schnellere Uploads von Daten.

Zeitleiste der USB-Standards

USB 1.0 wurde hauptsächlich für den Betrieb von Mäusen, Tastaturen und Gamepads verwendet. USB 2.0 ist Plug-and-Play-fähig und wird häufig in Flash-Laufwerken verwendet. USB 2.0 ist außerdem abwärtskompatibel mit USB 1.0- und 1.1-Schnittstellen. USB 3.0, das sich in einem Typ-C-Stecker mit hoher Stiftdichte manifestiert, ermöglicht das gleichzeitige Hoch- und Herunterladen von Daten.

Während USB 1.0 und 1.1 USB-Anschlüsse vom Typ A oder B verwenden, nutzen alle USB 3.2 Gen 2x2-Produkte den Typ-C-Anschluss. Allerdings sind nicht alle USB-C-Anschlüsse USB 3.2 Gen 2x2. Es kann verwirrend sein, festzustellen, welche USB-Schnittstelle Sie haben. In der nachstehenden Tabelle finden Sie eine Unterscheidung zwischen den verfügbaren Optionen.

Spezifikationen der USB-Standards

Illustrierte USB-Anschlüsse

USB 3.2 und 4.0

Das USB Implementers ForumA (USB-IF) hat USB 4.0 eingeführt, die vierte umfassende Revision des Universal Serial Bus (USB). USB 4.0 sowie USB 3.2 Gen 2 und USB 3.2 Gen 2x2 verwenden einen Stecker und eine Buchse namens USB Typ C.

Was ist USB Typ C?

Merkmale von USB Typ C

USB Typ C ist ein reversibler Anschluss, der Datenraten von bis zu 40 Gbit/s unterstützt. Dies entspricht 10 Gbit/s pro Spur, mit insgesamt 4 Spuren.

Der Stecker und die Buchse des USB Typ C sind kleiner (vergleichbar mit Micro-USB) und widerstandsfähiger und halten 10.000 Einsteck- und Entfernungszyklen stand. Mit symmetrischen 24 Stiften wird der Stecker beim ersten Versuch mit der Buchse verbunden. Der Typ C bietet diese Vorteile:

• Bis zu 100 W Leistungsabgabe
• USB 2.0, 3.1 Gen 1, 3.2 Gen 2, 3.2 Gen 1, 3.2 Gen 2 und 4.0 fähig
• Unterstützung von alternativen Modi, damit mehr als nur USB-Daten über den Stecker und das Kabel übertragen werden können
• Standardgesteuert von Computer- und Mobiltelefonherstellern, die eine kleinere, bessere Schnittstelle für USB benötigten
• Die Kabel sind elektronisch gekennzeichnet, um eine Verhandlung über die Stromzufuhr zu ermöglichen (dies geschieht aus Sicherheitsgründen, um zu verhindern, dass zu viel Strom über ein Kabel übertragen wird, das dies nicht unterstützen kann, obwohl wir gesehen haben, dass einige schlechte Ausnahmen auf den Markt gekommen sind und Schäden verursacht haben)
• Keine dummen Kabel mehr!
• USB-C-Anschlüsse können Stromanbieter oder -verbraucher sein
• Derselbe Anschluss, an den Sie Ihr Flash-Laufwerk anschließen, kann auch zum Aufladen Ihres Laptops verwendet werden
• Der Power-Delivery-Modus lädt Smartphones und Tablets viel schneller auf
• Kabel und Stecker haben auch unterschiedliche Fähigkeiten (z. B. kann ein Anschluss oder Kabel nur USB 2.0 unterstützen, aber keine Stromzufuhr)
• Die Identifizierung der Fähigkeiten ist wichtig!

USB-Typ-C-Wechselmodi

Zu den alternativen USB-Modi gehören DisplayPort, MHL (Mobil High-Definition Link), Thunderbolt 3 und HDMI, die alle unten beschrieben werden.

Alternativer DisplayPort-Modus

• Unterstützt bis zu 4Kp60 4:4:4 mit DisplayPort 1.3 Spezifikation
• Gleichzeitige Unterstützung von USB 3.1 Gen 2 und USB 2.0
• Überträgt eine Leistung von bis zu 100 W

MHL (Mobil High-Definition Link) Wechselnde Modi

• Unterstützt bis zu 4K 60 Hz mit einer einzigen Datenspur oder 8K 60 Hz mit 4 Spuren mit Super MHL 1.0 Spezifikation
• Verarbeitet USB 2.0, 3.1, je nach Konfiguration
• Ermöglicht eine Leistungsabgabe von bis zu 100 W

Thunderbolt 3-Wechselmodus

• Unterstützung für bis zu 2 Displays mit 4K 60 Hz
• Verbindet je nach Konfiguration PCIe 3.0, DisplayPort sowie USB 2.0- und 3.1-Protokolle
• Liefert eine Leistung von bis zu 100 W
• Laptops von Dell, Lenovo, Apple und HP verfügen über USB-C-Anschlüsse, die diesen alternativen Modus unterstützen

HDMI-Wechselmodus

• Unterstützt HDMI 1.4b Spezifikation (4Kp30, 4Kp60 4:2:0)
• Unterstützt keine gleichzeitigen USB 3.1-Daten in jeder Konfiguration (beschränkt auf USB 2.0)
• Liefert eine Leistung von bis zu 100 W

USB Typ C Markttrends

Die Marktgröße des Universal Serial Bus (USB) Typ C wird auf 4.263,56 Mio. USD geschätzt und soll im Prognosezeitraum von 2021 bis 2028 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 27,35 % wachsen.¹
Zu den gängigen USB-C-Geräten gehören Mobiltelefone und Laptops, Adapter für herkömmliche Anschlüsse (USB A/B, DVI usw.), Flash-Laufwerke, Docking-Stationen und Monitore.

Was ist die USB 3.2-Technologie?

USB 3.2 Gen 1 (offiziell USB 3.1 Gen 1)

USB 3.2 Gen 1 bietet eine Bandbreite von 5 Gbit/s, eine verfügbare Leistung von 100 W für das nachgeschaltete Gerät, Vollduplex-Betrieb und wird standardmäßig von den neuesten macOS-, Linux- und Windows-Betriebssystemen unterstützt. USB 3.2 ist ein von USB 2.0 vollständig getrennter Bus. USB 3.2-Daten und USB 2.0-Daten sind vollständig voneinander getrennt und laufen auf unterschiedlichen Leitern im Stecker und Kabel.

USB 3.2 Gen 2 (Formal USB 3.1 Gen 2)

USB 3.2 Gen 2 unterstützt eine Bandbreite von 20 Gbit/s, liefert eine Leistung von 100 W an das nachgeschaltete Gerät und wird in der Regel über Treiber und Controller von Drittanbietern betrieben. USB 3.2 Gen 2 hat auch andere geringfügige Protokolländerungen gegenüber USB 3.2 Gen 1, behält aber die Abwärtskompatibilität bei.

USB 3.2-Anwendungen

USB 3.2 ist ideal für Massenspeichergeräte wie Festplatten, Blu-Ray-Laufwerke und Flash-Laufwerke. Es bietet eine höhere Leistung als USB 3.0. Dies ist wichtig, da die Verbraucher schnellere Geräte verlangen, um größere Video- und Bilddateien zu kompensieren.

Für Videokonferenzen sind USB 3.2-PTZ-Kameras in der Lage, 1080p60 und mehr zu übertragen, ohne dass ein Hardware-Codec erforderlich ist. Dies senkt die Gesamtkosten der Implementierung und ermöglicht es den Benutzern, ihre eigenen Geräte mitzubringen, um eine Verbindung zu Skype, WebEx usw. herzustellen.

USB-Kameras für die industrielle Bildverarbeitung bieten kosteneffiziente Lösungen mit hoher Auflösung und Bildrate für die Produktanalyse an Montagelinien.

USB 4-Anwendungen

USB 4 basiert auf dem Thunderbolt-Protokoll, das Intel der USB Promoter Group kostenlos zur Verfügung gestellt hat. Damit erreicht USB 4 die Geschwindigkeit von Thunderbolt 3 mit 40 Gbit/s und damit die doppelte Geschwindigkeit des bisherigen USB 3.2 Gen 2x2-Standards. Übertragen Sie 4K-Filme und Grafiken in Sekundenschnelle. Nutzen Sie USB 4 für den Anschluss mehrerer Monitore und externer Bildschirme. Verbinden Sie zwei 4K 60 Hz Monitore oder ein 5K Display mit Ihrem PC. Die USB 4-Schnittstelle liefert eine Leistung von 100 W.

USB 4 ist abwärtskompatibel mit USB 3.2 und Geräten, die auf USB 2.0 zurückgehen. Sie benötigen jedoch einen Adapter, um den Typ-C-Stecker des USB-4-Kabels an ältere USB-Typ-A-Anschlüsse anzuschließen.

Ist der USB 4-Standard sein Geld wert? Entscheiden Sie selbst.

Sowohl der USB 4-Standard als auch der Thunderbolt-Standard versorgen zwei 4K-Displays mit Strom, senden Daten mit 40 Gbit/s und liefern Strom zum Aufladen eines Laptops. USB 4 hat geringere Mindestspezifikationen, und die Hersteller können sich dafür entscheiden, nicht alle Funktionen zu implementieren, um die Kosten zu minimieren. In der Praxis kann Thunderbolt dank seiner höheren Anforderungen an die Spezifikationen zuverlässiger sein.

Zurück in die Zukunft

Der USB-Standard hat sich seit seinen Anfängen im Jahr 1995 weiterentwickelt. Heute ist USB C der Standardanschluss. Es gibt inzwischen mehrere neuere Standards, die jüngsten sind USB 3.2 Gen2 und USB 4.0. Diese USB-C-Stecker/Schnittstellen bieten hohe Geschwindigkeiten und Konnektivität für moderne USB-Geräte wie Mobiltelefone, Laptops, Tablets, Drucker, Scanner, Flash-Laufwerke und andere häufig genutzte Geräte. Es wird erwartet, dass USB C aufgrund seiner Vielseitigkeit, kompakten Größe und universellen Konnektivität auch in Zukunft weltweit die bevorzugte Steckverbindung/Schnittstelle für gängige USB-Geräte sein wird.

Referenzen

¹https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-universal-serial-bus-usb-type-c-market