Original-URL des Artikels: https://www.golem.de/0811/63648.html    Veröffentlicht: 19.11.2008 12:22    Kurz-URL: https://glm.io/63648

So funktioniert USB 3.0 - nicht alles bleibt kompatibel

Mehr Leitungen und neue Stecker bringen bis zu 300 MByte/s

Die Spezifikation 1.0 für USB 3.0 liegt nach jahrelanger Entwicklung auf dem Tisch - und bringt einige Überraschungen. Optische Kabel, noch vor einem Jahr geplant, sind out, dafür gibt es neue Stecker. Die verzehnfachte Geschwindigkeit erkauft sich der neue Standard über eine leicht eingeschränkte Kompatibilität.

Keine andere digitale Schnittstelle hat eine Überarbeitung so dringend nötig wie das im Jahr 2000 eingeführte USB 2.0. Je nach Qualität der Geräte erreicht der "Universal Serial Bus" derzeit Nettoübertragungsraten von bis zu 35 Megabyte pro Sekunde. Auch Standardfestplatten, wie sie in Mittelklasse-PCs verbaut werden, schaffen aber inzwischen das Dreifache.

Das Problem: USB 2.0 ist heute zu langsam
Das Problem: USB 2.0 ist heute zu langsam
Zwar stehen für schnelle Massenspeicher mit eSATA und Firewire Alternativen bereit, Geräte mit diesen Anschlüssen sind aber bei weitem nicht so verbreitet wie die über 6 Milliarden im Umlauf befindlichen USB-Devices. Selbst Apple, jahrelanger Verfechter von Firewire, hat diese Schnittstelle bei seinem neuen MacBook wegrationalisiert Dafür finden sich inzwischen selbst an professionellen Digitalkameras auch USB-Schnittstellen, nicht mehr nur Firewire.

Die Lösung: Neue Stecker, hier Typ B
Die Lösung: Neue Stecker, hier Typ B
Einen USB-Anschluss hat heute nicht nur PC-Zubehör, selbst die Vereinigung der Handynetzbetreiber hat bereits einen USB-Port für alle Mobiltelefone gefordert. Die Notwendigkeit, über einen unkomplizierten Anschluss große Datenmengen zu übertragen, ist in Zeiten von Megapixel-Kameras im Handy und Autoradios mit USB-Anschlüssen vom Lebensmitteldiscounter allgegenwärtig.

Infrastruktur von USB 3.0
Infrastruktur von USB 3.0
Neben der nach heutigen Maßstäben schmalen Bandbreite stellt USB 2.0 aber vor allem für mobile Geräte durch seine hohe Leistungsaufnahme ein Problem dar. So verfügt beispielsweise Nokias N95, 2007 noch ein High-End-Smartphone, über einen Mini-USB-Port. Dieser ist jedoch nur nach "USB 1.1 FullSpeed" ausgeführt und überträgt magere 1,1 Megabyte pro Sekunde. USB 2.0 ist durch seine ständige Abfrage ("Polling"), ob ein Gerät noch verbunden ist, für mobile Geräte zu stromhungrig. Das Polling reduziert zudem die Bandbreite. Ausnahmen von mobilen Geräten mit USB 2.0 bestätigen hier wie so oft die Regel.

Neben mehr Bandbreite stand bei der Entwicklung von USB 3.0 folglich vor allem eine Renovierung der elektrischen Architektur und damit auch der Übertragungsprotokolle auf der Agenda.

Langwierige Entwicklung mit viel Streit

Ursprünglich hatte Intel USB erfunden und 1997 in eigenen Chipsätzen angeboten. Da zu dieser Zeit mit einer Vielzahl serieller und paralleler Schnittstellen aber genug Alternativen zur Verfügung standen, wurde die Abkürzung von Spöttern häufig als "Useless, Senseless, Brainless" buchstabiert. Das lag auch daran, dass die ersten USB-Controller der CPU einen Hauptteil der Arbeit beim Bearbeiten der Übertragungsprotokolle aufbürdeten und Single-Core-Prozessoren um 200 MHz regelrecht ausbremsen können. Mit heutigen Mehrkern-CPUs weit jenseits von 2 GHz und mit neuen Architekturen fällt die Belastung durch USB-Transfers kaum noch ins Gewicht.

Lohn des Streits: USB 3.0 soll erst 2010 durchstarten
Lohn des Streits: USB 3.0 soll erst 2010 durchstarten
Erst als Intel den Standard offen legte und das "USB Implementors Forum" (USB-IF) ins Leben rief, an dem sich auch andere Chiphersteller beteiligen konnten, kam Schwung in die Sache. Zwar ist auch heute noch Intel im USB-IF federführend, der Vorsitzende des Konsortiums, Jeff Ravencraft, ist Direktor bei Intel. An der Spezifikation 1.0 für USB 3.0 waren jedoch neben Intel auch HP, Microsoft, NEC, ST-NXP Wireless und Texas Instruments beteiligt.

IDF Fall 2007: USB 3.0 war für optische Kabel geplant
IDF Fall 2007: USB 3.0 war für optische Kabel geplant
Im September 2007 erwähnte Intel USB 3.0 das erste Mal auf seinem "Intel Developer Forum" (IDF). Das Unternehmen zeigte damals ein unscharfes Bild eines USB-Steckers vom Typ A mit zwei zusätzlichen optischen Leitungen. Die Spezifikation wurde noch für das erste Halbjahr 2008 versprochen, doch sie erschien erst im November 2008.

Dazwischen gab es allerlei Hickhack zwischen Intel und anderen Chipherstellern wie AMD und Nvidia. Die Konkurrenten warfen dem Marktführer vor, wesentliche Teile des Designs geheim zu halten, um sich einen Vorteil beim Marktstart von USB 3.0 zu sichern. Durch wachsenden Druck erschien im August 2008 eine Version 0.9 der Spezifikation.

Seitdem, und auch in der endgültigen Version 1.0 der Designunterlagen, ist von optischen Verbindungen nicht mehr die Rede. Auf Anfrage teilte Jeff Ravencraft nun auch klar mit: "USB 3.0 ist eine Lösung auf der Basis von Kupfer" - also ganz herkömmlichen Kabeln.

Das verwundert nicht, sind doch Lichtwellenleiter mit Ausnahme des "optischen Digitalausgangs" (S/P-DIF) an Audiogeräten im Consumerumfeld nicht verbreitet. S/P-DIF besteht nur aus einer Glasfaser, die zwei für USB 3.0 wären doppelt so fehleranfällig. Zudem trägt man ein S/P-DIF-Kabel, anders als die Handyverbindung, selten zusammengerollt mit sich herum.

Alte Stecker passen in neue Buchsen

Statt zwei Glasfasern sind für USB 3.0 neben den vier Leitungen von USB 2.0 vier zusätzliche Leitungen in einem Kabel vorgesehen. Über diese vier neuen Verbindungen wird eine differenzielle Signalübertragung abgewickelt. Anders als bei USB 2.0 kann jedes dieser Adernpaare gleichzeitig senden oder empfangen. Es gibt also zu jeder Zeit eine Verbindung mit voller Bandbreite in beide Richtungen.

In den Zeichnungen aus der Spezifikation sind diese zwei Adernpaare als "Shielded Differential Pair" (SDP) bezeichnet. Wie der Name sagt, müssen sie paarweise abgeschirmt sein, für die USB-2.0-Leitungen ist das nicht nötig. Das gesamte Kabel muss zudem nochmals ummantelt sein, was bei USB 2.0 noch optional war - gute Verbindungen verfügen aber auch schon heute über diese Abschirmung.

Querschnitt eines Kabels für USB 3.0
Querschnitt eines Kabels für USB 3.0
Kabel für USB 3.0 werden also deutlich komplexer und damit anfangs wahrscheinlich teurer als solche für USB 2.0. Auch der Qualität der Strippen kommt mehr Bedeutung zu. Die Unterlagen für USB 3.0 sagen nämlich ausdrücklich: "Diese Spezifikation gibt die Länge der Kabel nicht an. Ein Kabel für USB 3.0 kann jede beliebige Länge haben, solange es alle Anforderungen erfüllt, die in dieser Spezifikation definiert sind."

Für die Praxis wird bisher im Umfeld der Chiphersteller davon ausgegangen, dass bezahlbare Kabel für USB 3.0 unter drei Metern lang sein werden. Bei USB 2.0 sind zwar laut Spezifikation ohne Repeater fünf Meter bei voller Geschwindigkeit möglich, doch aus Kostengründen sind die den Geräten beigelegten Kabel meist unter 2 Metern lang. Auch mit der gegenwärtigen USB-Generationen kommt es für 480 MBit pro Sekunde schon auf Verbindungen von hoher Qualität an.

Stecker Typ A, oben vier neue Kontakte
Stecker Typ A, oben vier neue Kontakte
Genau festgelegt sind für USB 3.0 schon die Stecker und Buchsen. Äußerlich unverändert bleibt nur der flache Stecker vom Typ A, der in die Buchsen an einem PC passt. Seine vier Kontakte auf einer kleinen Platine behält er für die Kompatibilität. Im hinteren Bereich des Steckers sitzen jedoch die vier zusätzlichen Anschlüsse für USB 3.0, die über kleine Federzungen ausgeführt sind. Mit USB 3.0 wird es also wichtig, den Stecker immer bis zum Anschlag in die Buchse zu schieben - sonst wird ein 3.0-Gerät nur als 2.0-fähig erkannt.

Wirklich 'Micro' ist der neue Stecker nicht
Wirklich 'Micro' ist der neue Stecker nicht
Die beiden anderen USB-Stecker, Mini-USB und Typ B, vergrößern sich gegenüber USB 2.0. Dabei sind die Buchsen aber so gestaltet, dass USB-2.0-Stecker in sie hineinpassen. Der Micro-Stecker (landläufig Mini-USB genannt) verbreitert sich dabei aber auf ein Außenmaß von 12,25 Millimetern, so dass er sich schlechter für mobile Geräte eignet.

Auszug der Spec: USB 1.1 ist nicht zwingend erforderlich
Auszug der Spec: USB 1.1 ist nicht zwingend erforderlich
Will man ein USB-3.0-Gerät an eines mit USB-2.0-Buchsen anschließen, so kann man ein USB-2.0-Kabel verwenden. Dann erreicht aber auch das modernere Gerät nur die als "HiSpeed" bekannten maximal 480 MBit/s oder rund 35 MByte/s brutto. Die Spezifikation 1.0 für USB 3.0 sieht außerdem vor, dass Geräte nach USB 3.0 an Ports nach USB 1.1 (maximal "FullSpeed" mit 12 MBit/s) nicht unbedingt funktionieren müssen. Die Unterstützung von "FullSpeed" und "LowSpeed" (1,5 MBit/s) ist jedoch "zulässig". An Anschlüssen nach USB 2.0 müssen jedoch 3.0-Geräte zwingend arbeiten.

Bis 300 Megabyte pro Sekunde, aber aufwendige Hubs

Bisher muss sich ein USB-2.0-Gerät regelmäßig beim Host melden, sonst gilt es als abgesteckt. Dieses "Polling" kostet Strom und senkt durch ständige Übertragung von Statusmeldungen statt Nutzdaten auch Bandbreite. Bei USB 3.0 kann ein Gerät dem Host aber auch melden, dass es derzeit für Datenübertragungen nicht bereit ist, der Host fragt dann nicht weiter. Erst wenn das Gerät selbst wieder Daten übertragen will, teilt es das dem Host mit.

Zwei Adernpaare für je eine Richtung machen Tempo
Zwei Adernpaare für je eine Richtung machen Tempo
Mobile Geräte können dadurch also in einen Stand-by-Modus schalten, wenn gerade nichts zu tun ist. Fordert der Host aber Daten an, so kann er das Gerät auch aufwecken. Das regelmäßige Polling ist damit abgeschafft, stattdessen können sowohl Geräte wie Host eine Datenübertragung anstoßen. Fragt der Host nach Daten und das Gerät meldet sich nicht, gilt es wirklich als nicht mehr vorhanden.

Neben dem Einsparen von elektrischer Leistung kann ein USB-3.0-Host aber auch mehr Strom als bisher zur Verfügung stellen: 900 Milliampere pro Port statt bisher 500 Milliampere. Das ist beispielsweise für externe Festplatten wichtig. Deren oft mitgelieferte Y-Adapter verletzten nämlich die USB-Spezifikation. Aktuelle 2,5-Zoll-Platten sind aber so sparsam, dass sie an Ports, die wirklich 500 Milliampere liefern, auch mit einem Anschluss funktionieren.

Ein Hub für USB 3.0 enthält einen für USB 2.0
Ein Hub für USB 3.0 enthält einen für USB 2.0
Wie auch die Kabel werden die Hubs für USB 3.0 deutlich komplexer. Kann man USB-2.0-Hubs inzwischen für ein paar Euro kaufen, so dürfte sich das zumindest anfangs für USB 3.0 erledigt haben. Ein USB-3.0-Hub enthält nämlich neben der Logik für den neuen Standard einen kompletten Hub nach Version 2.0. Dadurch lassen sich 2.0- und 3.0-Geräte mischen, die Übertragungen laufen auf verschiedenen Pfaden ab.

Das neue Logo für die Stecker - 'SS' steht für SuperSpeed
Das neue Logo für die Stecker - 'SS' steht für SuperSpeed
All dieser Aufwand ist nötig, um die Übertragungsgeschwindigkeit von 5 Gigabit pro Sekunde alias "SuperSpeed" zu erreichen - gegenüber USB 2.0 mit 480 MBit/s eine Verzehnfachung. Im Sinne der Kompatibilität hat sich jedoch an den Protokollen auf Softwareebene nur wenig verändert. Daher gibt das USB-IF auch derzeit nur Nettodatenraten von 300 Megabyte pro Sekunde an, und nicht einmal 350 Megabyte pro Sekunde, wie man nach den bisherigen 35 Megabyte pro Sekunde von USB 2.0 erwarten würde.

Aber auch darüber ist das letzte Wort noch nicht gesprochen, die Spezifikation erwähnt an vielen Stellen, dass noch Erweiterungen möglich sind. Mit den ersten Geräten für USB 3.0 rechnet zudem das USB-IF selbst erst Mitte 2009, und erst im Jahr 2010 soll die Verbreitung der neuen Schnittstelle stark wachsen. Zeit wäre es.  (nie)


Verwandte Artikel:
Seagate: Rugged-Festplatte enthält SD-Kartenleser für Drohnen   
(24.04.2017, https://glm.io/127462 )
Seagate: Lacies neues 2big-System kombiniert Dock und Massenspeicher   
(20.04.2017, https://glm.io/127399 )
Western Digital: Mini-SSD in externem Gehäuse schafft 512 MByte pro Sekunde   
(06.04.2017, https://glm.io/127179 )
Endgültige Spezifikation für USB 3.0 und erste Chips (Upd)   
(17.11.2008, https://glm.io/63602 )
Windows 7 kommt ohne USB 3.0    
(10.11.2008, https://glm.io/63465 )

Links zum Artikel:
USB.org: http://www.usb.org/

© 1997–2020 Golem.de, https://www.golem.de/