Test USB 3.1 mit Stecker Typ C: Die Alleskönner-Schnittstelle

Wie schnell ist USB 3.1 , welche Vorteile bietet der Stecker USB Type C , wie viel Watt liefert USB Power Delivery und wie war das mit per USB angeschlossenem 5K-Monitor? Viele Fragen, ein Überblick.

26. Februar 2015 um 12:09 Uhr / Von Marc Sauter

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Der neue Stecker Typ C und der dazugehörige Anschluss (Bild: Martin Wolf/Golem.de) — Der neue Stecker Typ C und der dazugehörige Anschluss Bild: Martin Wolf/Golem.de

Ein Kabel, sie alle anzubinden : Das ermöglicht USB 3.1 samt optionalen Erweiterungen. Die Schnittstelle kann theoretisch Daten sowie 4K-Videos samt Ton übertragen und Geräte wie ein Notebook mit bis zu 100 Watt aufladen.

Praktisch werden aber drei Standards genutzt: USB 3.1, USB-AV und USB Power Delivery – zudem gibt es den Alternate Mode, der aber nur mit dem neuen Stecker Typ C funktioniert. Da es den Herstellern obliegt, welche Möglichkeiten sie in ihre Geräte integrieren, ist das Chaos komplett.

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Beginnen wir mit dem Anwendungszweck, für den die meisten Nutzer USB verwenden: Daten übertragen. In den vergangenen Jahren hat sich das schnelle USB 3.0 durchgesetzt, abseits von Computern und Notebooks aber hat sich der USB-2.0-Standard gehalten. So werden nahezu alle Smartphones und Tablets über einen Micro-USB-2.0-Anschluss mit Daten versorgt oder aufgeladen. Ausnahmen sind das Galaxy Note 3 und das Galaxy S5 mit Micro-USB-3.0-Port.

USB 2.0 arbeitet mit einer Bruttodatenrate von 480 MBit pro Sekunde, was 60 MByte pro Sekunde entspricht. In der Praxis lesen und schreiben selbst die schnellsten Sticks bedingt durch weiteren Protokoll-Overhead nur gut 40 MByte pro Sekunde, weswegen das USB Implementors Forum, eine Non-Profit-Organisation zur Verbreitung des USB-Standards, 2008 die Spezifikationen von USB 3.0 veröffentlichte. Erste Mainboards mit Zusatzchips erschienen 2010, Intel integrierte die Schnittstelle 2012 in die Chipsätze der Ivy-Bridge -Generation und AMD bereits 2011 in die Chips der Lynx -Plattform.

Bild 1/53: Asus Z97-A/USB 3.1, Core i3-4430, 2 x 8 GByte DDR3-1600, Win8.1 x64

Bild 18/53: Die Pinbelegung von USB 3.1 (Bild: Vesa)

Bild 19/53: Übersicht zu USB 3.1 (Bild: Vesa)

Bild 20/53: Displayport Alternate Mode für USB 3.1 mit Stecker Typ C (Bild: Vesa)

Bild 21/53: Die Profile von USB Power Delivery (Bild: Intel)

Bild 22/53: Künftige USB-PD-Controller arbeiten mit Stecker Typ C. (Bild: Microchip)

Bild 23/53: USB Power Delivery im Überblick (Bild: Intel)

Bild 24/53: Der Displayport Alternate Mode für USB 3.1 mit Stecker Typ C (Bild: Vesa)

Bild 25/53: USB-Audio/Video ist auf 4K bei 30 Hz beschränkt. (Bild: Intel)

Bild 26/53: Möglichkeiten des Stecker Typ C (Bild: Vesa)

Bild 27/53: Alternate Mode für Audio mit Stecker Typ C (Bild: Intel)

Bild 28/53: Kabel mit Stecker Typ C an beiden Enden können USB 3.1 und USB 2.0 oder nur USB 2.0. (Bild: Intel)

Bild 29/53: Kabel mit Stecker Typ C und Typ A/B oder Micro können USB 3.1 und USB 2.0 oder nur USB 2.0. (Bild: Intel)

Bild 30/53: Adapter von Typ C auf Typ A mit USB 3.0 und Typ C auf Typ Micro B mit USB 2.0 (Bild: Intel)

Bild 31/53: AS SSD Benchmark mit USB 2.0 (Screenshot: Golem.de)

Bild 32/53: AS SSD Benchmark mit USB 3.0 (Screenshot: Golem.de)

Bild 33/53: AS SSD Benchmark mit USB 3.1 und Stromsparmodi (Screenshot: Golem.de)

Bild 34/53: AS SSD Benchmark mit USB 3.1 (Screenshot: Golem.de)

Bild 35/53: Crystal Disk Mark mit USB 2.0 (Screenshot: Golem.de)

Bild 36/53: Crystal Disk Mark mit USB 3.0 (Screenshot: Golem.de)

Bild 37/53: Crystal Disk Mark mit USB 3.1 und Stromsparmodi (Screenshot: Golem.de)

Bild 38/53: Crystal Disk Mark mit USB 3.1 (Screenshot: Golem.de)

Bild 39/53: Atto Benchmark mit USB 2.0 (Screenshot: Golem.de)

Bild 40/53: Atto Benchmark mit USB 3.0 (Screenshot: Golem.de)

Bild 41/53: Atto Benchmark mit USB 3.1 und Stromsparmodi (Screenshot: Golem.de)

Bild 42/53: Atto Benchmark mit USB 1.0 (Screenshot: Golem.de)

Bild 43/53: Asus Z97-A/USB3.1 (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

Bild 45/53: Die türkisfarbenen Anschlüsse sind USB 3.1. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

Bild 46/53: Der Host-Controller für USB 3.1, der ASM1142 (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

Bild 47/53: In diesem 2,5-Zoll-Laufwerk sitzen zwei SSDs. (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

Bild 49/53: Der Anschluss vom Typ C (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

Bild 50/53: Zwei Samsung 840 Evo im mSata-Format im Raid-0 (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

Bild 51/53: Der Client-Controller für USB 3.1, der ASM1352R (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

Bild 52/53: Asus Z97-A/USB3.1 samt 2,5-Zoll-Raid-0-Laufwerk (Bild: Martin Wolf/Golem.de)

Bild 53/53: Asus verkauft Steckkarten mit zwei Anschlüssen Typ A oder einem vom Typ C. (Bild: Asus)

USB 3.0 erreicht bis zu 5 GBit pro Sekunde oder 625 MByte pro Sekunde und arbeitet wie USB 2.0 mit einer 8b10b-Codierung. Die Bruttodatenrate reizen die schnellsten externen SSDs unter Verwendung des UAS-Protokolls ( PDF(öffnet im neuen Fenster) ) fast aus, beispielsweise Angelbirds SSD2Go Pocket und Samsungs Portable SSD T1 .

Da kommt USB 3.1 genau richtig: Was nach einem kleinen Versionsschritt klingt, steigert die Bruttodatenrate von 5 auf 10 GBit pro Sekunde. Durch die effizientere 128b130b-Codierung und den geringeren Protokoll-Overhead liegt die maximale Nettodatenrate bei mehr als dem Doppelten der USB-3.0-Schnittstelle.

Bild 21/53: Die Profile von USB Power Delivery (Bild: Intel)

Um herauszufinden, wie flott USB 3.1 derzeit arbeitet, haben wir uns von Asus ein Mainboard vom Typ Z97-A/USB3.1 ins Testlabor geholt. Das entspricht dem normalen Z97-A, Asus hat aber den ASM1142(öffnet im neuen Fenster) -Host-Controller von Asmedia verbaut. Der ASM1142 ist der ersten Zusatzchip für Mainboardhersteller, um USB 3.1 auf ihre Platinen zu integrieren. Der Host-Controller wurde beim Z97-A/USB3.1 an zwei PCIe-2.0-Lanes des Z97-Chips angeschlossen.

Da PCIe 2.0 mit einer 8b10b-Codierung arbeitet, ist die Geschwindigkeit bei zwei Bahnen auf 1 GByte pro Sekunde beschränkt und inklusive Protokoll-Overhead noch weniger. Der ASM1142 unterstützt auch eine PCIe-3.0-Lane, beispielsweise bei Steckkarten wie der für das Asrock X99 Extreme6 und dessen 3.0-Lanes, die aus der CPU herausgeführt werden.

Asus' Z97-A mit USB3.1 ausprobiert

Die vorliegende Implementierung beim Asus Z97-A/USB3.1 mit zwei PCIe-2.0-Lanes ist nicht nur langsamer, sondern bringt noch eine weitere Einschränkung mit sich, da der Z97 nur acht Bahnen bietet: Eine ist für das Gigabit-Ethernet reserviert, an zwei weitere sind entweder die beiden PCIe-2.0-x1-Slots oder der M.2-Steckplatz angeschlossen. Der USB-3.1-Chip ist nur verfügbar, wenn der Nutzer den dritten Grafikkartenslot deaktiviert.

Aufgrund der geringen Lane-Anzahl gibt es übrigens kein Sockel-1150-Mainboard mit mehr als 14 USB-3.0-Ports. Der Z97 liefert vier und zwei per PCIe-2.0-x1 angebundene Controller jeweils nochmal vier. Mehr Chipsatz-Lanes mit PCIe 3.0 statt 2.0 gibt es erst mit dem Z170 der Skylake -Plattform, die im Spätsommer für Desktops erscheint.

Fassen wir zusammen: USB 3.1 könnte bis zu 1,25 GByte pro Sekunde liefern, die Implementierung beim Asus Z97-A/USB3.1 in Form des ASM1142-Host-Controllers aber begrenzt die Geschwindigkeit von vornherein auf unter 1 GByte pro Sekunde. Wir überprüfen dies mit einem externen 2,5-Zoll-Laufwerk und dem Stecker Typ C. Der ist für USB 3.1 nicht zwingend notwendig, aber verdrehsicher, dazu mehr auf der nächsten Seite.

Bild 21/53: Die Profile von USB Power Delivery (Bild: Intel)

Im Inneren des 2,5-Zoll-Laufwerks, einem Lian Li EX-M2, steckt eine Platine mit Asmedia-Client-Controller. An diesen sind zwei Samsung 840 Evo mit 250 GByte im Raid-0 angeschlossen. Beim sequenziellen Lesen und Schreiben soll jede der beiden mSATA-SSDs laut Hersteller bis zu 540 sowie bis zu 520 MByte pro Sekunde erreichen, addiert also über 1 GByte.

Wir hängen das Raid-System zuerst an einen der USB-3.0-Ports: Die Schnittstelle liest unter Windows 8.1 mit aktivem UAS-Protokoll bis zu 447 MByte pro Sekunde und schreibt bis zu 444 MByte pro Sekunde. Am USB-3.1-Anschluss steigt die Geschwindigkeit auf bis zu 788 und 778 MByte pro Sekunde. Das sind beeindruckende Werte; sogar die derzeit schnellste Sata-6-GBit/s-SSD, die 850 Pro, liest und schreibt unter 600 MByte pro Sekunde.

Bild 21/53: Die Profile von USB Power Delivery (Bild: Intel)

In der Praxis kommt es bei externen Laufwerken allerdings nicht zwingend auf hohe serielle Transferraten an: Wer keine riesigen UHD-Video-Projekte, sondern beispielsweise seine Steam-Spiele-Bibliothek kopiert, der liest und schreibt deutlich kleinere Daten wie Bilder, oft auch mit wahlfreiem Zugriff. In solchen Szenarien begrenzt teils der Controller im externen Laufwerk, etwa eine SSD oder ein Stick, die Geschwindigkeit und nicht die USB-Schnittstelle.

Kleine und größere Probleme

Drei Punkte sind uns während des Tests aufgefallen: Asus liefert das externe USB-3.1-Laufwerk mit einem 10-Watt-Netzteil aus. Ein USB-3.1-Anschluss vom Typ A liefert 4,5 Watt – unsere Messungen zeigen 4,3 bis 4,7 Watt real. Das SSD-Raid-System nimmt beim Schreiben von Daten über USB 3.0 zusätzliche 7,1 Watt auf – mit USB 3.1 bei höherer Geschwindigkeit sind es 8,7 Watt.

Unsere Haswell-Plattform erreicht nur dann die höchste Übertragungsrate, wenn wir im UEFI des Asus-Mainboards Stromsparmodi wie EIST und die C-States deaktivieren. Ansonsten scheint der Prozessor auch den angeschlossenen Chipsatz zu drosseln und die Transferleistung sinkt um rund 10 Prozent.

Bild 21/53: Die Profile von USB Power Delivery (Bild: Intel)

USB 3.1 setzt für volle Geschwindigkeit zudem zertifizierte Kabel mit 1m Maximallänge voraus. Wir haben ausprobiert, was passiert, wenn wir zwischen den USB-3.1-Port am Mainboard und das Kabel mit dem Stecker Typ C eine USB-Verlängerung klemmen: Das externe SSD-Raid wird schlicht nicht erkannt. Das halten wir für sinnvoll, denn eine funktionsfähige, aber langsame oder gar wackelige Verbindung würde Nutzer verunsichern.

Das kann der neue Stecker Typ C

Eine wesentliche Neuerung, die mit USB 3.1 in Verbindung steht, ist der neue kleine Stecker Typ C. Der ist für USB 3.1 keine Voraussetzung, denn auch die bekannten Typ-A-Stecker liefern volle Geschwindigkeit. Anders als diese ist der Stecker Typ C aber verdrehsicher, er lässt sich in jeder Ausrichtung nutzen – oben und unten gibt es nicht mehr. Der Stecker Typ C rastet mit einem hörbaren Klickgeräusch ein. Wie Micro-USB soll er mindestens 10.000 Steckvorgänge aushalten. Ein Stecker Typ A ist für mindestens 1.500 ausgelegt.

Bild 21/53: Die Profile von USB Power Delivery (Bild: Intel)

Die Platine in der Buchse des Steckers Typ C sitzt in der Mitte und ist beidseitig belegt: Vier sogenannte High Speed Data Paths sorgen für die hohe Geschwindigkeit. Derzeit werden aber nur zwei genutzt – das reicht bereits für 10 GBit pro Sekunde. Zusätzlich sind Leitungen für die Energieversorgung und die Abwärtskompatibilität zu USB 2.0 verbaut.

Den Herstellern beispielsweise eines Smartphones obliegt es zu entscheiden, welche Datenrate ihr Gerät mit Anschluss Typ C unterstützen soll: Für USB-3.1-Funktionalität muss ein passender Controller vorhanden sein, was das Platinenlayout teurer macht. Reicht USB 2.0, sind die meisten aktuellen Systems-on-a-Chip kompatibel. Das USB-IF gestattet für solche Geräte zudem ein USB-2.0-Kabel mit Typ-C-Stecker und 4 oder 5 statt 15 Adern, abhängig vom Stecker am anderen Ende.

Bild 21/53: Die Profile von USB Power Delivery (Bild: Intel)

Theoretisch müssen alle Kabel entsprechende Logos für Hi-Speed (USB 2.0), Superspeed (USB 3.0) oder Superspeed+ (USB 3.1) tragen. Praktisch wird es vermutlich darauf hinauslaufen, dass der Kabelkauf Glückssache bleibt. Bei sogenannten Legacy-Adaptern ist das USB-IF deutlich strenger: Definiert sind ein achtadriges Kabel von Stecker Typ C auf Stecker Typ A, das an einen PC mit Typ-C-Port angeschlossen wird, und ein fünfadriges Kabel für Smartphones oder Tablets mit Anschluss Typ C auf Stecker Typ Micro-B, wie er bei den meisten Mobile-Netzteilen verwendet wird.

USB 3.1 Typ A ist wie USB 3.0 Typ A für 900 Milliampere bei 5 Volt ausgelegt – das ergibt 4,5 Watt. Die Anschlüsse beim Typ C hingegen sind für bis zu 5 Ampere ausgelegt. Nicht näher spezifizierte Standardkabel sollen 3 Ampere aushalten (15 Watt) und elektronisch markierte Kabel bis zu 5 Ampere. Mit speziellen Kabeln für USB Power Delivery unterstützt der Stecker Typ C sogar 5 Ampere bei 20 Volt (also 100 Watt), was bisher den großen Steckern vom Typ A vorbehalten war.

Bild 21/53: Die Profile von USB Power Delivery (Bild: Intel)

Für USB Power Delivery müssen im Host und im Client entsprechende Controller verbaut sein, etwa die UPD-Modelle von Microchip ( PDF(öffnet im neuen Fenster) ). Stecken die beispielsweise in einem Hub in einem Monitor und den angeschlossenen Geräten, klappt folgendes Szenario: Der Bildschirm lädt per USB Power Delivery ein Notebook auf, parallel dazu läuft ein NAS und dann soll der USB-Drucker loslegen. USB Power Delivery lenkt in diesem Fall dynamisch einen Teil der bis zu 100 Watt um, da die Technik adaptiv arbeitet.

Die Type C Alternate Modes

Der Stecker Typ C kann aber noch mehr: Beim sogenannten Alternate Mode werden die High Speed Data Paths für Zusatzfunktionen verwendet. Durch zwei Bahnen werden beispielsweise Displayport-Signale geschickt. Die Geschwindigkeit reicht für Ultra-HD (3.840 x 2.160 Pixel) bei 60 Hz inklusive Ton.

Die beiden restlichen Bahnen transportieren Daten mit USB-3.1-Geschwindigkeit. Wer möchte, kann 5K-Monitore bei 60 Hz ansprechen, dann sind jedoch alle High Speed Data Paths belegt, da Displayport 1.3 mit HBR3 auf 8,1 GBit/s der verfügbaren 10 GBit/s pro Path kommt. Einzig die Legacy-Pins für USB 2.0 bleiben nutzbar, etwa für Maus und Tastatur.

Bild 21/53: Die Profile von USB Power Delivery (Bild: Intel)

Das USB-IF bietet einen Standard, der Ähnliches leistet: USB-Audio/-Video überträgt das Bild- und Tonsignal anders als Displayport aber nicht nur in eine Richtung (unidirektional), sondern in beide (bidirektional). UBS-AV unterstützt derzeit Ultra-HD bei 30 Hz über den Stecker Typ C. Achtung: USB-AV kann nichts mit dem HDCP-Kopierschutz für Blu-rays anfangen.

Ein anderer Alternate Mode, der für MHL3 , überträgt 4K bei 30 Hz zusammen mit Surround-Sound wie Dolby Atmos und beherrscht den HDCP-2.2-Kopierschutz. Schließlich eignet sich der Anschluss Typ C per Adapter auch als 3,5-mm-Klinken-Ersatz. Musikhören und Aufladen des Smartphones sind zwar parallel nicht möglich, Vorteil ist aber, dass das Gerät mit einem Anschluss kompakter ausfallen kann.

Fazit zu USB 3.1 und Ausblick

Asus, Asrock, Biostar und MSI planen, bis März erste Mainboards mit USB-3.1-Anschlüssen in den Handel zu bringen. Der Umstieg auf die neue Schnittstelle fällt den Herstellern leicht, da die Controller von USB 3.0 und USB 3.1 PIN-kompatibel sind und zusätzlich Steckkarten angeboten werden. Im PC-Segment erwarten wir für Sommer 2015, dass die meisten teureren Intel-Platinen und einige Intel-basierte Notebooks mit USB-3.1-Anschlüssen ausgestattet und erste Geräte wie externe SSDs vorgestellt sind. Hauptplatinen oder Notebooks mit USB 3.1 auf Basis von AMD-Plattformen wie Carrizo wurden noch nicht angekündigt.

Verglichen mit USB 3.0 liefert die neue USB-3.1-Schnittstelle eine mehr als doppelt so hohe Transferrate: Auf dem Papier stehen 1,25 GByte statt 625 MByte pro Sekunde. Im Test mit Asus' Z97-A/USB3.1 messen wir bis zu knapp 800 MByte pro Sekunde, da der Asmedia-Controller mit zwei PCIe-2.0-Lanes inklusive deren Protokoll-Overhead verbunden ist. Der ASM1142 unterstützt zwar auch eine PCIe-3.0-Lane und somit etwas mehr MByte pro Sekunde – testen konnten wir das mangels USB-3.1-Steckkarte aber bisher nicht.

Bild 21/53: Die Profile von USB Power Delivery (Bild: Intel)

Um die hohe Geschwindigkeit von USB 3.1 nutzen zu können, benötigen Host wie Client passende Controller, ein zertifiziertes Kabel dazwischen und entweder einen Anschluss vom Typ A oder den neuen kompakten Typ C. Der überträgt nicht nur Daten, sondern versorgt per optionalem Controller und somit USB Power Delivery auch angeschlossene Geräte mit bis zu 100 Watt.

Wir erwarten beispielsweise Monitore mit integrierten USB-3.1-Hubs, die ein Notebook laden und einen Drucker ansteuern und dynamisch auf weitere Clients reagieren. Eine weitere Option des Steckers Typ C ist die Unterstützung für Displayport-Bildschirme mit 5K-Auflösung bei 60 Hz.

Abseits von Desktops und Notebooks dürfte sich der Stecker Typ C bei Smartphones und Tablets recht schnell durchsetzen. Der Stecker ist kombiniert mit einem Stecker Typ A am anderen Ende abwärtskompatibel zu USB 2.0 und macht die Geräte somit nicht teurer. Ein aktuelles Beispiel ist Nokias N1 . Entscheidet sich ein Hersteller für USB-3.1-Unterstützung, lädt der Stecker Typ C Geräte mit 15 Watt auf und beherrscht optional MHL3 für 4K über HDMI.

Bild 21/53: Die Profile von USB Power Delivery (Bild: Intel)

Einen großen Marktanteil von USB 3.1 erwarten wir frühestens für 2017, wenn AMDs und Intels Plattformen die Schnittstelle nativ und nicht als Zusatzcontroller bieten. Bis dahin bleibt den Herstellern von USB-Sticks und SSDs genügend Zeit, eigene Produkte zu entwickeln, die von USB 3.1 profitieren. Der Stecker Typ C soll mehrere Jahrzehnte aktuell bleiben und ist bereits auf eine erneut verdoppelte Geschwindigkeit vorbereitet.

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