Ook met USB-4 wordt het niet eenvoudiger wat betreft de benamingen, de Thunderbolt – USB 4 poorten van de nieuwe M1-Macs hebben bijvoorbeeld weinig te maken met Thunderbolt 4 of USB 4 snelheden. En dat ligt niet aan Apple, maar aan de usb-standaard.
USB-4 & Thunderbolt – poorten & snelheden
Toen Apple de nieuwe MacBooks en Mac Mini met eigen M1-processor onthulde (zie c’t 1-2/2021 op pagina 12) was een opvallend aspect de integratie van USB-C-poorten met Thunderbolt. Die snelle interface is standaard bij Apple, maar is ook nauw verbonden met co-ontwikkelaar Intel – waarvan Apple zich heeft afgekeerd ten gunste van zijn eigen ARM-processors.
‘Twee Thunderbolt/USB 4-poorten’ voor aansluitingen die eigenlijk alleen Thunderbolt 3 en USB 3.1-snelheden bieden, is volgens de specificatie een toegestane benaming.
Het was des te verbazingwekkender dat de USB-C poorten ‘Thunderbolt/USB 4’ werden genoemd. Had Apple bij zijn eerste versie van de nieuwe cpu echt al meteen Thunderbolt 4 of USB 4 geïntegreerd, oftewel de laatste herzieningen van beide specificaties die minder dan een jaar oud zijn?
Thunderbolt 4 Retimer
Een blik op de datasheet laat zien: ja en nee – met een grote ‘maar’. Net als de vorige Macs voldoen de nieuwe M1-Macs aan de Thunderbolt 3-norm en bevatten ze ook een USB 3.1-hostcontroller voor Gen 2-datatransmissie met 10 Gbit/s. Op het moederbord zitten echter JHL8040R-onderdelen, die Intel specificeert als ‘Thunderbolt 4 Retimer’. Dergelijke retimers verbeteren de signaalkwaliteit, maar bevatten geen protocollogica.
Ze vertrouwen op Thunderbolt-logica in de SoC-processor (of elders). De tiende generatie Core i-processors bevatten Thunderbolt 3 logica, de elfde generatie Core i-processors bevat de nieuwere Thunderbolt 4, en Apple’s M1 SoC bevat ook Thunderbolt 3-logica. Thunderbolt 3 en Thunderbolt 4 hebben immers dezelfde datasnelheid van 40 Gbit/s, dus Thunderbolt 4 zou in dat opzicht geen voordelen bieden. De retimerchips werken voor beide.
Ontvang gratis tips en informatie over hardware en software, schrijf je in voor de nieuwsbrief:
Naamsverwarring als Thunderbolt USB wordt
De reden dat er geen nieuw snelheidsniveau is, is dat de doorontwikkeling van Thunderbolt als aparte standaard stopgezet is. Intel heeft de specificatie voorgelegd aan de usb-standaardisatiecommissie USB-IF, die op basis daarvan USB 4 heeft gestandaardiseerd. Die heeft de maximale datasnelheid van 40 Gbit/s die bekend is van Thunderbolt, maar die nieuw is voor usb. De USB-IF heeft bepaalde technische details aangepast, waardoor pure Thunderbolt 3-controllers niet helemaal compatibel zijn met USB 4.
USB-4 Thunderbolt poorten snelheden
Wel de connector maar niet de snelheid
De oplettende lezer zal zich op dit punt wellicht afvragen: waarom adverteert Apple de USB-C-aansluitingen van de M1 Macs dan als USB 4? Dat komt omdat alle fabrikanten in hun datasheets kunnen aangeven volgens welke usb-revisie ze de connectoren getest hebben, maar niet welk maximaal snelheidsniveau de poorten bieden.
Hoewel bij elke (sub)herziening van de usb-standaard een nieuw snelheidsniveau is toegevoegd, zijn alle voorgaande niveaus (de zogenaamde generaties) natuurlijk alleen al omwille van de neerwaartse compatibiliteit daarin opgenomen.
- USB 3.0 bracht de Gen 1-snelheid van 5 Gbit/s,
- terwijl bij USB 3.1 10 Gbit/s alias Gen 2 werd toegevoegd.
- Het minder gangbare USB 3.2 bracht 20 Gbit/s alias Gen 2×2,
- terwijl de snelheid van 40 Gbit/s die is toegevoegd met USB 4 en afgeleid is van Thunderbolt, officieel Gen 3×2 heet.
Zonder de Gen-specificatie kun je dus niet met zekerheid zeggen welke snelheid een usb-aansluiting biedt.
Wat is nu precies de aansluiting en met welke snelheid?
Zoals de USB-IF ons op verzoek meedeelde, is het voldoende voor een USB 4-specificatie als tenminste het Gen 2 snelheidsniveau van 10 GBit/s beschikbaar is, dat voor het eerst werd geïntroduceerd bij USB 3.1. Het was al bekend dat Gen 3×2 niet noodzakelijkerwijs ondersteund hoeft te worden – maar dat gold niet voor Gen 2×2.
Maar Gen 1 oftewel USB 3.0-snelheid (5 Gbit/s) is niet genoeg als ontwerpdoel voor fabrikanten. Natuurlijk kunnen de bijbehorende randapparaten in die modus wel worden benut, maar het niveau van 5 Gbit/s is in het algemeen een terugvaloptie als bijvoorbeeld een aangesloten kabel te slecht is voor een 10-Gbit/s-verbinding.
De bij USB 3.2 geïntroduceerde 20 Gbit/s voor usb wordt in de praktijk genegeerd omdat hij tussen wal en schip valt. Voor usb-sticks en dergelijke zijn de gangbare 10 Gbit/s nog steeds meer dan voldoende en als hogere snelheden nodig zijn is er iets dat nog sneller is in de vorm van 40 Gbit/s.
Wel 40 Gbit/s bij combinatie USB 4 en ‘oude’ Thunderbolt 3
Apple kan dus volledig correct in de datasheets van de M1-Macs schrijven dat de aansluitingen voldoen aan de laatste USB 4-standaard, hoewel ze slechts een snelheid tot 10 Gbit/s bieden, die zes jaar geleden bij USB 3.1 geïntroduceerd werd. Bovendien bieden ze ook 40 Gbit/s, maar dan niet volgens het gloednieuwe USB 4, maar via het relatief oude Thunderbolt 3.
De verwarring over de namen neemt dus alleen maar toe in plaats van af bij elke usb-revisie sinds USB 3.1. Je kunt er zelfs niet van uitgaan dat soortgelijke apparaten die op hetzelfde moment verschijnen identieke usb-specificaties bieden.
Ongeveer gelijktijdig met de M1-Macs verschenen ook de nieuwe gameconsoles Playstation 5 en Xbox Series X/S. Sony heeft het over USB 3.2 Gen 2 in zijn datasheets en Microsoft over USB 3.1 Gen 1. In termen van snelheden betekent dit dat Sony het 10 Gbps biedt, dat al werd toegevoegd bij USB 3.1 (maar niet de 20 Gbit/s van USB 3.2), terwijl Microsofts ontwikkelaars tevreden waren met de originele USB 3.0 snelheid van 5 Gbit/s (in plaats van de 10 Gbit/s die bij de 3.1-revisie geleverd werd).
Thunderbolt heeft meer mogelijkheden
En hoe past Thunderbolt 4 in dat plaatje? Thunderbolt heeft altijd al meer geboden dan usb-data-overdracht. Je kunt het ook gebruiken om PCI Express of monitorsignalen over te brengen naar externe apparaten. Dat alles is ook opgenomen in de USB 4-specificatie. Maar net als de nieuwere snelheidsniveaus is het niet verplicht, maar optioneel. Daarnaast is de topografie uitgebreid: met Thunderbolt 4 zijn er net als bij usb-hubs signaaldistributiehubs mogelijk en niet langer alleen maar in keten geschakelde apparaten (daisy-chaining).
Het klassieke Thunderbolt 3 is ook een subset geworden van de USB 4-standaard. De nieuwere Thunderbolt 4-standaard brengt dus geen hogere snelheid met zich mee, maar fungeert als baken in de naamgevingschaos. Hij bouwt voort op USB 4 en maakt de extra opties, die nieuw zijn in het usb-universum, verplicht. Daarnaast zijn de minimumeisen verhoogd, zoals dat twee 4K-monitoren kunnen worden aangestuurd.
Veel eigenschappen die bij USB 4 optioneel zijn, zijn bij Thunderbolt 4 verplicht. Dat geldt echter niet voor de 20-Gbit/s-modus, die bij USB 3.2 geïntroduceerd werd.
Monitors – 4K, 6K, 2 of 1
Dat is wel mogelijk via Thunderbolt 3, maar slechts één 4K-monitor was verplicht. Apple verklaart dat M1-Macs een 6K-scherm kunnen aansturen, maar zegt niets over de mogelijkheden van een dubbele monitor. Misschien is dat een reden waarom Apple adverteert met ‘Thunderbolt/USB 4’, zonder een cijfer achter Thunderbolt.
Preciezer zou zijn ‘Thunderbolt 3 met betere schermondersteuning dan de standaard en USB met 3.1-snelheid’. Maar dat is veel langer en klinkt niet zo modern. Het feit dat Thunderbolt 4 momenteel alleen in dure laptops met een elfde Core i-generatie te vinden is, is een voordeel voor Intel. Als mede-uitvinder van Thunderbolt en toonaangevend lid van USB-IF heeft men doorgaans een ontwikkelingsvoorsprong op het gebied van de hardware-implementatie van USB 4 en Thunderbolt 4.
Intel heeft echter ook de weg van de minste weerstand gekozen: zoals uit metingen blijkt, hebben de eerste Thunderbolt 4-laptops geen 20-Gbit/s-usb, maar alleen de bekende 10 Gbit/s.
Vooruitzichten met Thunderbolt – technologie beschikbaar
Omdat de onderliggende Thunderbolt-technologie nu openstaat voor alle USB-IF-leden, is het een kwestie van tijd totdat andere fabrikanten en leveranciers hun eigen controller-implementaties hebben. Dat geldt niet alleen voor fabrikanten van USB 4- en Thunderbolt 4-docks en -hubs (die er nog niet zijn), maar ook voor andere cpu-fabrikanten als AMD.
De Ryzen-processors zouden met 40 Gbit/s usb prima overweg kunnen, hoewel een dergelijke integratie waarschijnlijk minstens tot 2022 zal duren. Apple is al een eind op weg en biedt nu al geïntegreerde Thunderbolt aan in zijn eerste eigen SoC. Dat het daarbij ‘slechts’ om Thunderbolt 3 gaat is in de praktijk irrelevant. Er is immers geen hogere maximumsnelheid bij Thunderbolt 4, maar alleen meer gemak en uitgebreide neerwaartse compatibiliteit.
Verwarring wordt groter – goed opletten
De verwarring rondom de namen van usb, die bij USB 3.1 begonnen is, wordt echter steeds groter. Je zult binnenkort al verschillende laptops en andere apparaten met USB 4-aansluitingen kunnen tegenkomen, die in het gunstigste geval 10 Gbit/s bieden. Als je er zeker van wilt zijn dat een hogere snelheid mogelijk is en dat ze ook DisplayPort-signalen of opladen via USB-C ondersteunen, dan moet je zoals gewoonlijk gaan voor de duurdere apparaten met een Thunderbolt-logo.
(Deze informatie is afkomstig uit het artikel van Florian Müssig en Marco den Teuling uit c’t magazine 03/2021, p. 68)
