USB 4: что это такое и почему «четвёрка» лучше всех предыдущих стандартов

Недавно на Хабре публиковалась новость о том, что USB-IF объявила о спецификации USB4 2.0. Основное достоинство нового стандарта заключается в повышении лимита скорости передачи данных до 80 Гбит/с. Повышение стало возможным благодаря новой аппаратной архитектуре с PAM3 в качестве основы. Ну и ещё один плюс в том, что новый стандарт совместим с USB 1.0, USB 3.2, USB 2.0.

Есть ли и другие плюсы у USB 4? Почему его появление считается событием в мире IT и как разобраться во всём этом многообразии стандартов? Давайте разбираться.

Как появилась «четвёрка»

Всё началось в 2019 году, когда корпорация Intel решила передать свою спецификацию протокола Thunderbolt 3 разработчикам стандарта USB, организации, которая называется USB-IF. Одно из основных достижений этой спецификации ― как раз поддержка USB 4. Правда, она не является обязательной, что может вызывать сложности у пользователя, которому нужен USB-кабель определённого типа. Обычный человек слабо разбирается во всех этих стандартах и совместимостях, а перепутать и взять не тот кабель ― проще простого. Но пока оставим эти сложности, обсудим чуть ниже.

Разработчики USB 4.0, кроме добавления поддержки Thunderbolt 3, поставили перед собой ещё две цели:

увеличить пропускную способность нового стандарта;
унифицировать разъёмы для самых разных устройств и ввести USB Type-C в качестве основного базового разъёма.

В качестве прикладных задач, связанных с этими направлениями работы, было решено добиться возможности одновременного подключения таких устройств, как монитор, накопитель, зарядное устройство и т. п. Соответственно, разработчики решили реализовать селективные настройки параметров хоста в зависимости от характеристик и требований подключаемых устройств.

В результате удалось добиться поддержки нескольких протоколов (USB3, DisplayPort (DP), PCI Express (PCIe)) в рамках одного интерфейса. Каждым подключённым устройством управляет контроллер порта, он же занимается распределением полосы пропускания при подключении нескольких девайсов. Благодаря этому USB4 поддерживает работу одновременно с несколькими мониторами ― но тут многое зависит, конечно, и от характеристик ПК.

Технические особенности стандарта

Согласно спецификации USB 4.0 все устройства, которые с ним совместимы, разделяются на 4 типа:

периферийные;
хаб;
док-станция;
хост.

Что касается периферийных устройств, то это самые разные аксессуары, включая внешний накопитель. У периферийного девайса будет один входящий порт (UFP). Хаб и док-станция ― сильно похожие по реализации подключения устройства, которые отличаются тем, что док-станция позволяет подключать девайсы и другие интерфейсы, не только USB. Ну а хост ― это ноутбук или десктопный ПК.

USB 4 ― достаточно «умный» стандарт, чтобы учитывать, какую скорость требуют девайсы, которые подключены одновременно. Например, внешний накопитель и монитор. Стандарт спокойно справляется с грамотным распределением ресурсов.

Конечно, добиться появления единого стандарта, который заменит все остальные, не получится, но можно ожидать снижения уровня хаоса в мире USB-кабелей и спецификаций.

Основные характеристики USB 4:

20 и 40 Гбит/с в зависимости от версии;
туннелирование внешних протоколов DP и PCIe;
поддержка DP Alt Mode на всех нисходящих портах;
обратная совместимость вплоть до USB 2.0;
совместимость с TBT3 и скорость 40 Гбит/с, к сожалению, опциональна.

Если обобщить, то таким быстрым, «умным» и универсальным не был до USB 4 ни один другой USB-стандарт. И в этом его основное достоинство.

USB4 2.0 ― пока что лучше всех

Новая версия стандарта, о которой мы начали говорить в самом начале, совместима с DisplayPort 2.1, с его помощью можно выводить изображение на 4К-монитор с частотой обновления 240 Гц или монитор 10K с частотой обновления 60 Гц без сжатия видео. При этом по кабелю будет подаваться питание для монитора. Возможен ещё один вариант ― передача питания по кабелю через монитор к подключённому к нему ноутбуку для зарядки последнего. Правда, вся эта фантастика станет реальностью не ранее 2023 года.

Ещё достоинства USB4 2.0:

повышенная скорость передачи данных. Так, при помощи пассивных USB-C-кабелей можно передавать информацию со скоростью 40 Гбит/c, а активных USB Type-C-кабелей ― до 80 Гбит/с;
возможность изменения скоростей передачи данных таким образом, чтобы в одном направлении скорость составляла 120 Гбит/с, а во втором ― 40 Гбит/с;
обновление протоколов передачи данных для увеличения полосы пропускания;
сохранение обратной совместимости с предыдущими версиями стандарта USB4 1.0, USB 3.2, USB 2.0 и так далее.

Как разобраться в многообразии USB-стандартов?

Ранее нейминг протоколов USB был несколько странным. Так, разработчики из USB-IF в 2021 году решили переименовать USB 3.1 Gen 1 в USB 3.2 Gen 1. А вот USB 3.1 Gen 2 теперь стал USB 3.2 Gen 2. Сложно и не очень понятно. Но год спустя представители USB-IF, видимо, решили всё изменить и рационализировать. Названия поколений стандарта теперь будут снабжать скоростными характеристиками. Как это выглядит, можно посмотреть ниже:

Кроме того, чтобы не запутаться в многообразии USB-кабелей, эти же разработчики приняли решение обозначать разные USB-4 кабели по-разному. Ниже ― пример:

К сожалению, для того чтобы утрясти все юридические нормы решения форума USB-IF, связаться с вендорами электронных устройств и т. п., понадобится время. Так что ранее 2023 года ждать появления этих изменений не стоит.

Что в ближайшем будущем?

Сейчас технология USB очень активно развивается. USB-IF имеет все необходимые ресурсы для её продвижения и популяризации. Кроме того, сам стандарт USB 4 действительно хорош и способен на многое.

Ещё один положительный момент в том, что USB-C становится самым распространённым типом коннектора для USB 4. Так, к осени 2024 года Евросоюз требует от всех производителей электроники, включая ПК, ноутбуки, смартфоны, наушники, добавления порта USB-C вместо любого другого (как, к примеру, Lightning).

Так что мир электронных устройств постепенно приближается к унификации стандартов как передачи данных, так и зарядных устройств, чего многие из нас ждут довольно давно.

гаджеты
периферия
компьютерное железо
it-стандарты
блог компании сбер

Блог компании Сбер
IT-стандарты
Гаджеты
Компьютерное железо
Периферия

Зачем выпускают USB4?

Пандемия нарушила множество планов, в том числе и по внедрению нового стандарта USB. Сроки появления первых устройств с поддержкой USB4 были перенесены на 2021 год. Чего же ждать от него?

USB4, кто твой отец?

Небольшая, но важная предыстория. В 2019 году компания Intel передала спецификацию протокола Thunderbolt 3 разработчикам стандарта USB (торговая марка USB принадлежит организации USB-IF). Этот шаг предопределил развитие USB на базе Thunderbolt 3. Если вы знакомы с этим интерфейсом, то для вас не станет откровением и большинство характеристик USB4. Те же 100 Вт мощности, 40 Гбит/с пропускной способности, возможность подключения внешней видеокарты и двух 4К-дисплеев.

Вы спросите: а где прорыв? Thunderbolt 3 ведь уже не новшество — ему больше пяти лет. Более того, уже выпущена спецификация Thunderbolt 4. Разница в том, что, в отличие от USB, Thunderbolt — это закрытый стандарт. Чтобы разместить значок молнии над разъемом, нужно пройти сертификацию Intel, что сказывается на стоимости девайса.

Решение Intel о трансфере технологии было направлено как раз на распространение и удешевление устройств с Thunderbolt 3. Это здорово, только и здесь есть «но» — поддержка Thunderbolt 3 в USB4 не является обязательной. Давайте подробнее рассмотрим спецификацию стандарта.

Цели и задачи USB4

Разработчики нового стандарта ставили перед собой две основные цели: нарастить пропускную способность (относительно USB 3.2) и укрепить положение USB Type-C в качестве базового разъема для всевозможных устройств.

На основе этого определили несколько задач:

обеспечить одновременно подключение монитора, передачу данных и работу с накопителями через USB-C;
сохранить совместимость с существующей экосистемой USB и Thunderbolt;
установить для портов режимы работы и их маркировку, чтобы пользователю было понятно, что ожидать;
гибкость в настройках параметров хоста (полосы пропускания, мощности и др.) в зависимости от требований устройств.

Забегая вперед, можно сказать, что в целом все получилось, кроме разве что маркировки. С точки зрения первой цели, в стандарте предусмотрены две опции: USB4 Gen 2 со скоростью 10 Гбит/с и USB4 Gen 3 — 20 Гбит/с. Имеются в виду скорости по одному каналу, который в стандарте обозначается как Lane. В полнофункциональном разъеме USB-C таких каналов два. Здесь подробно рассказано о распиновке USB Type-C и о том, какие контакты отвечают за высокоскоростную передачу данных.

Удваиваем приведенные выше числа и получаем заветную характеристику из брошюр маркетологов — максимальную скорость 40 Гбит/с. Напомним, что максимальная скорость USB 3.2 Gen2x2 (также задействуются два канала) — 20 Гбит/с. То есть USB4 в два раза быстрее предшественника.

Со второй целью тоже порядок — стандарт подразумевает только разъем USB Type-C. Приведем простой факт: в этом году количество устройств с USB-C на борту перешагнет отметку в пять миллиардов. При этом расширяются и сферы применения разъема. К примеру, значительно вырос рынок USB Type-C в автомобильной промышленности. Из приведенной ниже диаграммы следует, что в странах Северной Америки эта отрасль практически сравнялась с сегментом потребительской электроники.

Возможности и особенности USB4

Главная особенность и базовое отличие архитектуры USB4 от предыдущих версий — это туннелирование или поддержка нескольких протоколов в одном интерфейсе. Наряду с USB3, это DisplayPort (DP) и PCI Express (PCIe). Эти протоколы реализованы независимо, поверх физического и транспортного уровней USB4. Что же это дает пользователю? Например, возможность одновременного подключения 4К-монитора, зарядки от него ноутбука и обмена данными с внешним накопителем. Для такой конфигурации на ноутбуке будет задействован всего один разъем USB-C!

При этом контроллер порта будет динамически разделять полосу пропускания между подключенными девайсами в зависимости от их потребностей и приоритетов (Dynamic Bandwidth Sharing). В следующем разделе мы подробно рассмотрим требования к устройствам. А пока вспомним про маркировку типов стандарта. Это традиционно его слабое место.

На этот раз авторы изо всех старались пощадить пользователей и не стали городить ужасов вроде USB 3.3 Gen4 вместе с равнозначной SuperSpeed+++. Нет, стандарт называется лаконично: USB4 — без пробелов, без рубрикации. Но скорости все-таки возможны разные, и нужны отдельные маркировки. Окей, но почему Gen2 и Gen3? По какой причине пропустили Gen1? И явно не лучший вариант снова использовать обозначения USB Gen 2×2 и 3×2 для обозначения индикации двухканального режима. Может, лучше было для широкой публики указать только пропускную способность, например, USB4 40 Гбит/с?

Что должны уметь устройства USB4

В стандарте определены четыре типа устройств:

Хостом может быть ноутбук, десктоп и другой источник сигналов. У него есть только нисходящие порты, в стандарте обозначаемые как DFP. Периферийное устройство имеет единственный восходящий порт (UFP). Пример — внешний SSD-диск. Док-станция и хаб — схожие устройства, у которых на борту один UFP и обычно несколько DFP. Разница в том, что к док-станции также можно подключиться по сторонним интерфейсам. Помните, что USB4 в продаже еще нет, товары приведены только в качестве примера.

К такому типу устройств относится и шасси для видеокарт.

Обратим внимание на требования стандарта к разным устройствам. Наиболее демократичные из них предъявляются к периферии. Все параметры здесь опциональны. Для хабов и док-станций требования идентичные. И здесь есть хорошие новости! Первая — все DFP должны поддерживать DP Alt Mode. Это значит, что к любому из них можно будет подключить дисплей. И вторая — такие устройства обязаны работать в режиме 40 Гбит/с. Таким образом, не нужно переживать, сможет ли девайс транслировать максимальную скорость.

К хосту требования более мягкие. Из строгих требований тут только поддержка DP Alt Mode на всех DFP. Также в хосте всегда есть внутренние источники сигналов USB 2.0, USB 3.2 и DP. Их может не быть только в периферии. Другое дело, что для хоста не являются обязательными ни скорость 40 Гбит/с, ни наличие встроенного контроллера PCIe. Нам как бы мягко напоминают, что это не Thunderbolt3. Кстати, совместимость с ним также гарантирована только в портах хабов и док-станций.

Для удобства все требования сведены в таблицу. Обязательные требования обозначены «+», а опциональные — «*».

Коротко про кабели

Подобрать кабель для любой из современных версий USB — по-прежнему нетривиальная задача. Нужен полнофункциональный кабель USB Type-C либо TBT3. Если вам незнакомо это понятие, обратитесь к этой статье. Будьте аккуратны, ведь многие шнуры поддерживают только SuperSpeed USB (5 Гбит/с). Ну, а максимальная скорость 40 Гбит/с пока достижима только с кабелем, прошедшим огонь, воду и сертификацию Thunderbolt 3.

Зато когда появятся кабели с маркировкой «совместим с USB4», будет проще. Они точно будут полнофункциональными и рассчитанными минимум на 20 Гбит/с. В таком случае можно будет спокойно подключать 4K-монитор.

Интерфейс всевластия

Обозначим реперные точки стандарта USB4:

скорость выросла до 20 и 40 Гбит/с в зависимости от модификации;
туннелирование внешних протоколов DP и PCIe;
обязательная поддержка DP Alt Mode на всех нисходящих портах;
сохранилась обратная совместимость вплоть до USB 2.0;
совместимость с TBT3 и скорость 40 Гбит/с — опциональны;
в маркировках модификаций все еще можно запутаться.

USB со всеми его плюсами и минусами — главный интерфейс массового потребления. Его делают все более быстрым, гибким и универсальным. Технически он по прежнему слабее Thunderbolt, но народной любви последнему не снискать. В отдельных видах соревновательной программы USB уступает и другим интерфейсам, например, тем же DisplayPort и HDMI. Но в общем зачете ему нет равных, и новая версия стандарта лишь укрепит его позиции.

При подготовке материала использовались источники:
https://habr.com/ru/companies/sberbank/articles/697276/
https://club.dns-shop.ru/blog/t-345-interfeisyi-i-kommutatsiya/43224-zachem-vyipuskaut-usb4/

USB 4 0 что это за программа